五轴数控系统加工编程与操作 课件 项目一-五轴数控机床分类及典型应用V3

项目一五轴数控机床分类及典型应用

机械工业出版社《五轴数控系统加工编程与操作》学习任务：任务1.1五轴数控机床常见分类1任务1.2五轴加工特点及优势2任务1.3五轴加工典型应用3任务1.5五轴数控系统与编程方法任务1.6五轴加工相关工艺系统任务1.7智能制造背景下的五轴加工技术任务1.4五轴加工分类方式7456学习目标：知识目标：根据机床各坐标轴位置识别五轴数控机床的三大主要类型了解五轴加工特点与优势了解五轴数控机床常用行业及其典型零件比较五轴同步加工与定向加工的特点及区别了解五轴人机对话数控系统的特点及编程方法归纳五轴常见工艺系统，如刀具系统、夹具的分类及特点了解五轴技术在智能制造中的应用情况技能目标：能够根据机床结构区分并说出五轴数控机床所属类型能够根据五轴典型零件的形状及特点分辨其所属行业领域能够根据图纸和零件特点选用五轴加工的方式能够以SINUMERIK840Dsl五轴数控系统为例说出五轴的编程方法能够根据图纸和零件特点识别常用工艺系统产品，如刀具系统、夹具

课程安排

五轴数控机床（5-Axis），指的是X、Y、Z，三根常见的直线轴上加上两根旋转轴。A、B、C三轴中的两个旋转轴具有不同的运动方式。通过不同的组合，主要有主轴倾斜式、工作台倾斜式、工作台/主轴倾斜式三大类形式。任务1.1五轴数控机床常见分类及特点1.1.1主轴倾斜式五轴数控机床

两个旋转轴都在主轴头一侧的机床结构，称为主轴倾斜五轴机床，或称为双摆头结构五轴机床。特点:主轴运动灵活，工作台承载能力强且尺寸可以设计的非常大。适用于加工船舶推进器，飞机机身模具、汽车覆盖件模具等大型零部件。主轴的刚性和承载能力较低，不利于重载切削。主要分为两个结构形式：

1）十字交叉型双摆头五轴数控机床结构2）刀轴俯垂型五轴数控机床结构十字交叉摆头结构

刀轴俯垂摆头结构1.1.2工作台倾斜式五轴数控机床

两个旋转轴都在工作台一侧的机床结构，称为工作台倾斜式五轴数控机床，或称为双转台五轴结构机床。特点：主轴结构简单，刚性较好。制造成本较低，C轴回转台可无限制旋转，但由于工作台为主要回转部件，尺寸受限。承载能力不大，不适合加工过大的零件。主要分为两个结构形式：1）B轴俯垂工作台五轴数控机床2）双转台（摇篮式）结构五轴数控机床工作台俯垂结构

双转台结构1.1.3主轴/工作台倾斜式五轴数控机床

两个旋转轴中的主轴头设置在刀轴一侧，另一个旋转轴在工作台一侧，称为工作台/主轴倾斜式五轴结构，或称为摆头转台式五轴结构。

特点：旋转轴的结构布局较为灵活，可以是Ａ/Ｂ/Ｃ三轴中的任意两轴组合，其结合了主轴倾斜和工作台倾斜的优点，加工灵活性和承载能力均有所改善。工作台/主轴倾斜结构

工作台/主轴倾斜结构机床任务1.2五轴数控加工特点及优势1.2.1改善切削状态和切削条件

如图a）所示，当切削刀具向顶端或工件边缘移动时，切削状态逐渐变差。为保持最佳切削状态，就需要旋转工作台。如果要完整加工不规则平面，还需要将工作台以不同方向多次旋转。如图b）刀尖位置示意图可知，五轴机床偏转刀具可以避免球头铣刀中心点切削速度为0情况，获得更好的表面质量。a）三轴切削与五轴切削方式

b）球刀刀尖位置比对图任务1.2五轴数控加工特点及优势1.2.2效率提升与干涉消除

如图所示，针对叶轮、叶片和模具陡峭侧壁加工，三轴数控机床无法满足加工要求，五轴数控机床则可以通过刀轴空间姿态角控制，完成此类加工内容。同时可以实现短刀具加工深型腔，有效提升系统刚性，减少刀具数量，避免专用刀具，扩大通用刀具的使用范围，从而降低了生产成本。

如图所示，对于一些倾斜面，五轴数控加工能够利用刀具侧刃以周铣方式完成零件侧壁切削，从而提高加工效率和表面质量。而三轴数控加工则依靠刀具的分层切削和后续打磨来逼近倾斜面。五轴在陡峭侧壁加工避免刀具干涉

五轴在斜侧壁特征零件加工中的应用任务1.2五轴数控加工特点及优势1.2.3生产制造链和生产周期缩短

五轴数控机床通过主轴头偏摆进行侧壁加工，不需要多次零件装夹，有效减少了定位误差，提高了加工精度,并且使生产制造链缩短。在航空航天、汽车等领域，具备高柔性、高精度、高集成性和完整加工能力能够很好地解决新产品研发过程中复杂零件加工的精度和周期问题，大大缩短研发周期和提高新产品的成功率。

五轴一次装夹加工多面航空结构件任务1.3五轴加工典型应用b）艺术品模型加工a）异型零件加工

1.3.1异形零部件及艺术品加工

五轴数控机床具有三个线性轴和两个旋转轴，刀具可以切削3轴机床和4轴机床无法切削的位置，尤其是对于一些具有非对称，且不在一个基准平面上的异型零部件具有一次装夹，一次加工成型的优势。任务1.3五轴加工典型应用1.3.2模具制造领域应用

五轴加工技术在模具制造应用较广，如曲面、清角、深腔、空间角度孔等。五轴加工技术能够解决模具中超高型芯和超深型腔等加工难题。a）复杂模芯加工

b）冲压模具加工任务1.3五轴加工典型应用1.3.3汽车领域结构壳体及箱体加工

五轴数控机床的应用能够降低汽车壳体和箱体类零件夹具的复杂性，通过简单的装夹方案，将工序进行集中，从而降低成本，提高加工精度。a）结构壳体加工b）箱体零件加工任务1.3五轴加工典型应用1.3.4发动机领域叶轮及叶片加工

五轴数控机床能够控制刀轴空间姿态，通过同步加工使刀具上某一最佳切削位置始终参与加工，实现曲面跟随切削，极大地提高了整体叶轮的曲面精度和叶轮在使用中的工作效率。a）半封闭式叶轮加工

b）开放式叶轮加工任务1.3五轴加工典型应用1.3.5航空、航天制造领域应用

航空结构件变斜面整体加工效果的实现，需要机床五轴联动配合刀具侧刃进行切削，以保证曲面连续性和完整性，此外结构件连接肋板和强度肋板的负角度侧壁，以及大深度型腔的加工，都需要五轴控制刀轴矢量角实现有效切削。a）大型曲面加工

b）变斜面结构件加工任务1.3五轴加工典型应用1.3.6汽车及医疗领域应用如图a）所示，通过五轴联动再配合管道的加工工艺方式可以实现弯曲气缸孔壁的铣削加工。如图b）所示，医疗行业中骨板、牙模等空间异型零件的加工，若采用五轴数控机床可以简化此类零件的制造难度，有效提高生产效率。a）汽车气缸加工

b）骨骼关节板加工任务1.4五轴加工方式分类1.4.1五轴定位加工五轴定位加工分为“3+2”和“4+1”两种类型。所谓3+2或4+1定向加工，即五轴数控机床的部分进给轴（主要是旋转轴）在加工动作实施过程中，仅起到刀具轴空间姿态或工件空间位置的方向改变且固定不做进给运动，同时另一部分进给轴实施进给动作，从而保证切削运动的有效实施，定向加工可以实现多工序集中，有效减少工件装夹的次数，从而避免定位误差对加工精度造成的影响。a）3+2五轴定向加工

b）4+1五轴定向加工任务1.4五轴加工方式分类1.4.2五轴同步加工

五轴同步加工又称为五轴联动加工，即机床的五个进给轴根据程序同时实现五轴插补运动。通过五个坐标轴的联动，保证采用刀具刃部切削速度最理想的位置进行切削，避免刀具制造误差和静点切削对零件尺寸和表面质量产生的影响，有效提高加工精度和加工效率。a）叶轮五轴同步加工b）空间直纹面五轴同步加工任务1.4五轴加工方式分类1.4.3“3+2”定向加工与5轴同步加工特点比对项目3+2轴定向加工5轴同步加工优点1）较小的编程成本；2）只采用线性轴运动，因此无动态限制；3）加工具有较大的刚性，由此提高刀具使用寿命和表面质量1）在固定装夹位置上可加工较深型腔侧壁和底面；2）可采用紧凑装夹位置的较短刀具；3）工件表面质量均匀，无过渡接刀痕迹；4）减少特种刀具的使用，降低成本；缺点1）工件几何尺寸的限制，刀具无法切削到较深的型腔侧壁和底面；2）采用较长的刀具铣削深的轮廓，加工质量和效率会受到影响；3）进刀位置较多，增加了加工的时间且产生了明显的过渡接刀痕迹；1）较高的编程成本高碰撞危险；2）因运动的补偿运动，加工时间常常被延长；3）由于采用了更多的轴，运动误差可能会自行增加；任务1.4五轴加工方式分类1.4.4“3+2”定向加工方式在技能竞赛中的应用介绍

近几年“3+2”五轴定向加工方式在五轴技能竞赛中应用广泛，实现非正交平面上图形编程的应用和考核越来越多，不同的数控系统在编写“3+2”定向加工程序时均有其特点。第七届数控大赛五轴加工赛项——主舱体零件图（样题）任务1.5五轴数控系统与编程方法1.5.1高档五轴数控系统简介

目前先进的高档五轴数控系统一般采用最先进的多核处理器技术、基于驱动的高性能NCU（数控单元）。以SINUMERIK840Dsl为例，其系统高性能主要体现：（1）高度模块化，并配备数量极多的轴，可在最多30个加工通道中控制多达93根轴。（2）5轴模具加工中心进行高速切削时的超高精度和动态，加工性能。（3）最佳的数控性能以及空前的灵活性和开放性。高度系统开放性使机床制造商能够将控制系统的性能与机床工艺相融合，涵盖多种附加解决方案、产品和服务。（4）系统通用性，从五轴加工领域来说，适用于车铣复合、五轴龙门、五轴激光加工、五轴3D打印、五轴工业机器人数控加工控制等工艺，如图1-22所示。（5）广泛的高精尖行业认可度，如应用于航空航天、船舶制造、医疗器械、模具加工等领域，既适合大批量生产也能满足单件小批量生产的要求。SINUMERIKE840Dsl五轴数控系统应用加工领域任务1.5五轴数控系统与编程方法1.5.2五轴数控加工编程方式总体介绍

特

点国标G代码手工编程

一般通过CAM生成G代码，除极简单和老式五轴机，基本不适用于手工G代码编程。宏程序（参数编程）

对编程人员要求很高，需要熟练记忆代码，只适用规则、少品种大批量零件编程。人机对话混合编程

对于大多数的规则空间箱体、轴类、结构件适用，不用另外购置CAM软件及建模，只要懂得工艺即可编程，编程结果可以通过系统3D零件仿真，程序量小，系统直接启动。（人机对话混合编程由于含部分代码，不如工步编程直观、简便）人机对话工步编程CAM软件编程

适用于任何零件，尤其是曲面加工。但是对于软件后置处理（需熟悉数控系统五轴变换、刀尖跟随、程序压缩等指令）对复杂零件装夹和实体的建模要求较高。各种编程方式比对任务1.5五轴加工相关工艺系统

五轴加工工艺与三轴加工工艺基本相同，坐标轴数增加的作用可以减少工件的装夹定位次数，实现一次装夹完成尽可能多的加工内容，实现工序集中。简单来说，除机床外，五轴加工工艺系统，同样包括刀具系统（刀柄、刀具）、夹具系统和工件系统。五轴工艺系统部分常见五轴刀具系统任务1.6五轴加工相关工艺系统1.6.1五轴相关刀具系统介绍

刀具系统是工艺系统重要组成部分，由刀柄和刀具两部分组成，合理地选用刀柄不仅可以提高加工精度还可以有效降低工艺难度。根据机床的主轴锥孔不同，通常分为两大类，即通用刀柄和高速刀柄。1、通用刀柄:7:24锥度刀柄是机床领域应用最普遍的主轴接口形式，容易拆卸，无自锁。通常有5种标准和规格，即NT、DIN69871（德国标准）、IS07388/1（国际标准）、MASBT（日本标准）、ANSI/ASME（美国标准）。主轴通过将刀柄尾部拉钉将刀柄拉紧。目前国内使用最多的是DIN69871型即JT）和MASBT型两种。7:24刀柄加紧示意简图2.高速刀柄

由于7:24的通用刀柄是靠刀柄的7:24锥面与机床主轴孔的7:24锥面接触定位连接的，在高速加工、连接刚性和重合精度三方面有局限性。在五轴加工，尤其是高速中出现了HSK，其余还有KM、NC5刀柄、CAPTO等多种型号类型。HSK刀柄夹紧示意简图1.6.2五轴相关刀具介绍

序号

三轴加工

五轴加工1

刀具过长引发刀具震动

五轴空间摆动，缩短刀具装夹长度刚性更好2

表面粗糙度超差

高刚性保证振动减少，表面质量更高3

多次装夹频繁换刀，加工效率下降

大多数情况下，一次装夹加工效率更高4

刀具数量增加，成本过高

充分利用空间偏摆，所需刀具数量相对更少5