高速切削与五轴联动加工技术 课件 第四章　高速切削与五轴联动加工编程基础

第四章高速切削与五轴联动加工编程基础第四章高速切削与五轴联动加工编程基础第一节高速切削编程方法

第二节多轴数控加工的工艺

第三节五轴机床工件坐标系的建立

第四节五轴数控加工刀具的补偿第一节高速切削编程方法一、高速加工编程与普通加工编程的区别

高速切削中的数控编程代码并不仅仅在切削速度、切削深度和进给量上不同于普通加工，而且还必须是全新的加工策略，以创建有效、精确、安全的刀具路径，从而达到预期的加工要求。

1.高速加工中数控编程的特点

1)由于高速切削的特殊性和控制的复杂性，编程要注意加工方法的安全性和有效

2)要尽一切可能保证刀具轨迹光滑平稳，这会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命。

3)要尽量使刀具所受载荷均匀，这会直接影响刀具的寿命。

2.对CAM编程软件的功能要求第一节高速切削编程方法(1)很高的计算编程速度高速加工中采用高转速、小背吃刀量、快进给，其NC程序比传统数控加工程序要大得多，因而要求软件计算速度要快，以节省刀具轨迹编辑和优化编程的时间。

(2)全程自动防过切处理能力及自动刀柄干涉检查能力高速加工以传统加工近10倍的切削速度进行加工，一旦发生过切，对机床、产品和刀具将严重的后果，所以要求其CAM软件系统必须具有全程自动防过切处理的能力及自动刀柄与夹具干涉检查、绕避功能。第一节高速切削编程方法(3)丰富的高速切削刀具轨迹策略高速加工对进给方式比传统方式有着特殊要求，为确保最大的切削效率和高速切削时加工的安全性，CAM软件系统应能根据加工瞬时余量的大小自动对进给率进行优化处理，能自动进行刀具轨迹编辑优化、加工残余分析，并对待加工轨迹监控，以确保高速加工刀具受力状态的平稳性，提高刀具的使用寿命。

3.高速加工对数控程序编写的要求

(1)保持恒定的切削载荷

1)保持金属去除量的恒定。第一节高速切削编程方法图4-1仿形加工与分层切削对比示意图2)刀具要平滑地切入工件。第一节高速切削编程方法图4-2Z向直接插入与坡走/螺旋切入对比示意图3)保证刀具轨迹的平滑过渡。第一节高速切削编程方法图4-3刀具轨迹的平滑过渡示意图4)在尖角处要有平滑的进给轨迹。第一节高速切削编程方法图4-4尖角处刀具轨迹比较示意图

a)不好b)好c)很好d)拐角处圆弧连接第一节高速切削编程方法(2)保证工件的高精度保证工件的高精度，重要的方法是尽量减少刀具的切入次数，如图4-5所示。图4-5减少刀具切入次数示意图第一节高速切削编程方法(3)保证工件的优质表面

1)在高速切削过程中，过小的进给量会影响实际的进给速率，造成切削力的不稳定，产生切削振动，从而影响工件表面的质量，故高速切削过程应采用合适的进给量平滑加工，如图4-6所示。图4-6进给量对工件加工表面的影响2)在高速切削过程中不要采用逆铣削方式，第一节高速切削编程方法而要采用顺铣削方式。

3)不要采用Z向垂直下刀；对于带有敞口型腔的区域，尽量从材料的外面进给，以水平圆弧等方式切入；对于有回旋空间的封闭区域，尽量采用螺旋下刀，在局部区域切入；对于空间狭长的封闭型腔，无法采用螺旋下刀，可采用斜线或“之字形”进刀。

(4)编辑优化刀具轨迹

1)避免多余空刀。

2)使用刀具轨迹裁剪修复功能。

3)利用软件进行可视化仿真加工模拟与过切检查，如Vericut软件就可以很好地检测干涉，优化程序。

4)残余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段。

4.粗加工数控编程第一节高速切削编程方法(1)恒定的金属切除率在高速切削的粗加工过程中，保持恒定的金属切除率，可以获得以下的加工效果：①保持稳定的切削力；②保持切屑尺寸的恒定；③没有必要去熟练操作进给量和主轴转速；④较好的热转移，使刀具和工件均保持在较冷的温度状态；⑤延长刀具的寿命；⑥较好的加工质量等。

(2)恒定的切削条件为保持恒定的切削条件，一般主要采用层切法、顺铣方式加工，或采用在实际加工点计算加工条件等方式进行粗加工，如图4-7所示。图4-7粗加工方式示意图第一节高速切削编程方法(3)进给方式的选择

1)对于带有敞口型腔的区域，尽量从材料的外面进给，以实时分析材料的切削状况；对于封闭区域，采用螺旋进刀，从局部区域切入。

2)选择单一路径切削模式来进行顺铣，尽可能不中断切削过程和刀具路径，尽量减少刀具的切入、切出次数，以获得相对稳定的切削过程。

3)尽量避免加工方向的急剧改变。

(4)在Z方向切削连续的平面粗加工所采用的方法通常是在Z方向切削连续的平面。第一节高速切削编程方法图4-8在Z方向切削连续的平面示意图5.精加工数控编程第一节高速切削编程方法(1)笔式加工笔式加工的作用类似于传统加工中的清角，但传统加工中的清角通常在精加工结束后进行；而笔式加工属于粗加工后的半精加工。图4-9笔式铣削示意图(2)余量加工(清根)余量铣削类似于笔式铣削，其采用的加工思想与笔式铣削相同。第一节高速切削编程方法(3)控制残余高度在切削3D外形的时候，计算NC精加工步长的方法主要是根据残余高度，而不是使用等量步长。

1)实际残余高度加工。

2)XY优化。图4-10控制残余高度

a)根据法向计算步长b)斜坡XY优化示意图第一节高速切削编程方法(4)应用边界识别功能应用边界识别功能可很好地控制精加工余量，获得良好的加工表面，如图4-11所示。图4-11没有边界识别与采用边界识别对比示意图

a)没有边界识别功能b)采用边界识别功能(5)高速精加工策略高速精加工策略包括三维偏置、等高精加工第一节高速切削编程方法和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略。

二、高速加工切削参数的合理设置

1.刀具的选择图4-12立铣刀示意图第一节高速切削编程方法图4-13立铣刀受力示意图第一节高速切削编程方法图4-14刀尖圆弧半径

对铣削力的影响第一节高速切削编程方法2.切削参数选择图4-15铣刀的有效直径的计算(1)铣刀有效直径和有效线速度及转速的确定铣刀实际参与切削第一节高速切削编程方法部分的直径称有效直径；铣刀实际参与切削部分的最大线速度定义为有效线速度。第一节高速切削编程方法第一节高速切削编程方法图4-16有效直径选择曲线第一节高速切削编程方法图4-17按有效直径与有效切削速度确定转速(2)径向铣削深度与每齿进给量在应用球头铣刀进行曲面精加工第一节高速切削编程方法时，为获得较低的表面粗糙度值，减少手工抛光工作量或省去手工抛光，径向铣削深度最好和每齿进给量相等。图4-18径向铣削深度对表面纹理的影响第一节高速切削编程方法图4-19径向铣削深度、每齿进给量对表面粗糙度的影响第二节多轴数控加工的工艺一、多轴数控加工工艺特点

1.五轴机床的概念

2.四轴联动数控加工的工艺特点

3.五轴联动数控加工工艺特点

１)可有效避免刀具干涉，加工一般三轴数控机床所不能加工的复杂曲面,如类似倒勾曲面。

２)可一次装夹完成加工出连续、平滑的自由曲面。

３)五轴加工时使刀具相对于工件表面可处于最有效的切削状态，避免了刀具(刀尖点)零线速度加工带来的切削效率极低、加工表面质量严重恶化。

４)对于直纹面类零件，可采用侧铣方式一刀成形。第二节多轴数控加工的工艺５)对一般立体型面特别是较为平坦的大型表面，可用大直径面铣刀端面贴近表面进行加工。

６)在某些加工场合，可采用较大尺寸的刀具避开干涉进行加工。

７)可使用短的切削刀具。

８)符合工件一次装夹便可完成全部或大部分加工的机床发展方向，并且能获得更高加工精度、质量和效率。图4-20坐标加工原理

a)三坐标曲面加工原理b)五坐标曲面加工原理第二节多轴数控加工的工艺图4-21五坐标加工的应用第二节多轴数控加工的工艺图4-22三轴加工刀具长度与五轴加工刀具长度比较

a)三轴加工b)五轴加工第二节多轴数控加工的工艺二、常用刀具选择及工艺安排

1.铣削加工常用刀具图4-23铣削加工常用刀具

a)平底立铣刀b)面铣刀c)球头刀d)圆鼻刀e)鼓形刀f)锥形刀1)球头刀加工时，零件形状与安装方位及进给方向的变化对进给行距的影响较小。第二节多轴数控加工的工艺2)平底刀加工时，行距对零件形状、安装方位及进给方向的变化非常敏感。

3)圆鼻刀加工时，其影响规律介于平底刀与球头刀之间。

4)鼓形刀加工时，行距对零件形状、安装方位及进给方向的变化也很敏感，但与平底刀和环形刀加工时的规律相反。

2.切削参数选择

(1)刀具直径的确定计算依据——球形刀刀具半径应小于加工表面凹处的最小曲率半径。

1)加工效率。

2)法向矢量转动误差。

3)刀具的大小应与加工表面的大小匹配。

4)取值范围。第二节多轴数控加工的工艺(2)切削深度主要受机床、工件和刀具的刚度限制，在刚度允许的情况下，尽可能加大切削深度，以减少切削次数，提高加工效率；对于精度和表面粗糙度有较高要求的零件，应留有足够的加工余量。

(3)主轴转速n(单位为r/min)(4)进给速度要根据零件加工精度和表面粗糙度要求以及刀具与工件材料选取。

1)加工圆弧段时，切削点的实际进给速度并不等于编程数值。

2)复杂形状零件的加工特别是多坐标加工时，如果进给速度是恒定的，材料切除率常常波动并且可能超过刀具容量的极限，机床各运动轴的速度和加速度也可能超出允许的范围。第二节多轴数控加工的工艺3)为了实现进给速度自动生成，必须根据工件与刀具的几何信息计算刀具沿轨迹移动时的瞬时材料切除率。

3.加工工序的划分

(1)刀具集中分序法以同一把刀完成的那一部分工艺过程为一道工序，以减少频繁换刀而造成的效率降低、加工程序的编制和检查难度加大等情况。

(2)粗、精加工分序法以粗加工中完成的那一部分工艺过程为一道工序，精加工中完成的那一部分工艺过程为一道工序。

(3)按加工部位分序法以完成相同型面的那一部分工艺过程为一道工序。

4.工件装夹方式的确定

１)尽量采用组合夹具。第二节多轴数控加工的工艺２)零件定位、夹紧的部位应考虑到不妨碍各部位的加工、更换刀具以及重要部位的测量。

３)夹紧力应力求通过或靠近主要支承点或在支承点所组成的三角形内，应力求靠近切削部位，并作用在刚性较好的地方，以减小零件变形。

４)零件的装夹、定位要考虑到重复安装的一致性，以减少对刀时间，提高同一批零件加工的一致性。

5.对刀点与换刀点的确定

１)选择对刀点的原则：便于确定工件坐标系与机床坐标系的相互位置、容易找正、加工过程中便于检查、引起的加工误差小。

２)对刀点可以设在工件上、夹具上或机床上，但必须与工件的定位基准(相当于与工件坐标系)有已知的准确关系。第二节多轴数控加工的工艺３)对刀时直接或间接地使对刀点与刀位点重合。

４)换刀点应根据工序内容安排。第三节五轴机床工件坐标系的建立一、四轴机床的工件坐标系的建立

常见的四轴机床结构为带转台的四轴联动数控加工机床、带摆头的四轴联动数控加工机床。

1.带转台四轴机床的工件坐标系的建立图4-24带转台四轴机床的加工坐标系的建立第三节五轴机床工件坐标系的建立(1)检测转台台面对Z轴的平行度方法如下：把千分表吸在主轴上，让表头接触到转台Z1的位置，保持机床X轴、Y轴位置不变，沿Z轴移动至Z2，此时的读数应该为零；否则可能是第四轴与工作台的接触面不够清洁，需要擦拭以后再检测(此过程一般只在移动过转台的情况下进行，否则此值不易变动)。

(2)检测转台台面对Y轴的平行度方法如下：把千分表吸在主轴上，让表头接触到转台的Y1位置，保持机床X轴、Z轴位置不变，沿Y轴移动至Y2，此时的读数应该为零；否则需要将固定转台的螺栓松动后调整转台，使之在XY平面内转动，最终使千分表沿Y向移动的示值为零即可。

(3)设定工件坐标系

1)设定回转轴的Y向坐标。第三节五轴机床工件坐标系的建立2)设定回转轴的Z向坐标。

3)接下来即可装夹工件，设定X向坐标。

4)设定回转轴的工件坐标系。

2.带摆头四轴机床的工件坐标系的建立图4-25带摆头四轴机床的加工坐标系的建立第三节五轴机床工件坐标系的建立图4-26摆轴校正方法

a)摆轴校正方法一b)摆轴校正方法二第三节五轴机床工件坐标系的建立(1)校正摆轴使主轴垂直于工作台(对刀B轴原点)

(2)对Z轴的工件原点操作人员要知道编程人员把Z轴坐标原点设置到了工件上的哪个位置，这里的对刀点就对到哪个位置。

(3)对X、Y轴的工件原点按照三轴操作去找工件的原点，把工件原点的X、Y坐标值分别输入到工件坐标系中对话框的X、Y框中，并按“确定”按钮保存。第三节五轴机床工件坐标系的建立(4)测定摆长找一块最好是用磨床磨过的垫块，置于工作台面，在B轴零度(主轴垂直于工作台面)时，把刀尖移动到垫块的上表面；再把刀具抬高一个刀具半径，记录下此时机床Z坐标值，设为“P1”；让B轴摆动到“90°”或“-90°”，再让刀具移动到垫块上表面，记下此时机床Z坐标的数值为“P2”；|P1|－|P2|=P(摆长)，将摆长存储在机床指定参数位置，以便程序调用，如图4-27所示。图4-27测定摆长第三节五轴机床工件坐标系的建立(5)测定偏差量大多数的机床在制造时，主轴的轴线与回转轴的轴线之间会产生一定的制造误差，这个误差量在主轴发生回转运动时会直接影响到刀具的实际运动量。

二、五轴机床的工件坐标系的建立

对三种主要结构类型的五轴机床对刀操作与三轴机床的不同点概述如下：①双转台机床（工作台回转、摆动），在工件装夹之前测量确定两转轴轴线和摆轴轴线的交点、转台表面到摆轴轴线的距离，还要进行转台水平校正，装夹工件时找正工件或测量出工件位置偏差。

1.双转台五轴机床的工件坐标系的建立第三节五轴机床工件坐标系的建立图4-28双转台五轴机床的结构(1)双转台五轴机床的工件坐标系的建立双转台五轴机床的工件第三节五轴机床工件坐标系的建立坐标，一般可取双转台的旋转轴线的交点作为工件坐标原点，因此，双转台机床的对刀也就是要找到双转台旋转轴线的交点，工件原点的X轴、Y轴、Z轴坐标值均由转台旋转轴线交点确定。

1)校正双转台。

2)校正B轴零位(对刀B轴原点)。图4-29校正双转台第三节五轴机床工件坐标系的建立3)找C轴转台的中心(对刀X轴、Y轴原点)。

4)找出B轴、C轴线的交点(对刀Z轴原点)。

①测量摆长：使B轴运动至G55对刀点的位置，X轴、Y轴移动至主轴中心与C轴转台的中心位置重合(即机床移动至G55X0Y0B0)，在“手轮方式”下把“相对移动量KA”项清零，再让B轴摆动-90°，如图4-30所示为双转台摆长测量示意图。图4-30双转台摆长测量第三节五轴机床工件坐标系的建立②对刀C轴转台高度：将B轴运动至G55对刀点的位置，用刀尖接触C轴转台表面，将此时机床坐标值记为“ZH2”。

③设定Z轴原点坐标：G55—Z=ZH2－|ZH1|，将此数值输入G55对话框的Z框中并按“确定”按钮保存。

5)装夹工件。

6)选定C轴的基准边(对刀C轴原点)。

7)找工件基准点与转台中心点的偏差。(2)双转台五轴机床程序头、尾的标准格式第三节五轴机床工件坐标系的建立2.单转台单摆头机床的工件坐标系的建立图4-31单转台单摆头五轴机床结构第三节五轴机床工件坐标系的建立(1)单转台单摆头五轴机床的工件坐标系的建立单转台单摆头五轴机床，一般将工件原点取在旋转工作台(C轴)的旋转轴线上，因此对刀时必须找到转台的中心。

1)校正摆轴，使主轴垂直于工作台(对刀B轴原点)。图4-32摆轴校正方法

a)摆轴校正方法一b)摆轴校正方法二第三节五轴机床工件坐标系的建立2)转台的旋转中心(对刀X、Y轴原点)，如图4-33所示，把表吸到刀柄上，并保证表和刀柄360°范围内自由转动时不受任何阻碍；调整机床X轴、Y轴、Z轴和千分表位置，使得千分表在随刀柄旋转一周时，表针基本能接触到旋转工作台的内孔壁；进一步调整X轴、Y轴的位置，直到千分表的读数在内壁任意位置基本相等；把此时X轴、Y轴的机床坐标值输入到G55对话框的X、Y框中，并按“确定”按钮保存。图4-33测量转台旋转中心位置第三节五轴机床工件坐标系的建立3)装夹工件和刀具。

4)选定C轴的基准边(对刀C轴原点)。

5)对Z轴的工件原点。

6)找出旋转台的中心和工件中心的偏差。7)测定摆长。第三节五轴机床工件坐标系的建立图4-34测量摆长第三节五轴机床工件坐标系的建立图4-35摆长补正值设定8)将系统中刀长补正值清零。第三节五轴机床工件坐标系的建立图4-36“刀具定义”对话框9)换刀后的对刀。

(2)程序头、尾的标准格式

3.双摆头五轴机床的工件坐标系的建立第三节五轴机床工件坐标系的建立图4-37双摆头五轴机床结构(1)双摆头五轴机床的工件坐标系的建立第三节五轴机床工件坐标系的建立1)校正摆轴，使主轴垂直于工作台(对刀B轴原点)，校正方法与单摆头五轴机床相同。图4-38双摆头C轴校正方法第三节五轴机床工件坐标系的建立2)校正旋转轴，使B轴旋转轴线与Y轴平行(对刀C轴原点)，如图4-38所示。

3)装夹工件和刀具。

4)X轴、Y轴、Z轴对刀。

5)测定摆长。图4-39测量摆长第三节五轴机床工件坐标系的建立图4-40摆长补正值设定6)将系统中刀长补正值清零。第三节五轴机床工件坐标系的建立图4-41“刀具定义”对话框7)换刀后的对刀。

(2)程序头、尾的标准格式第四节五轴数控加工刀具的补偿一、二维刀具半径补偿与三维刀具半径补偿

1.二维刀具半径补偿

(1)铣削加工刀具半径补偿

1)刀具半径补偿功能：在二维轮廓数控铣削加工过程中，由于旋转刀具具有一定的刀具半径，刀具中心的运动轨迹并不等于所需加工零件的实际轮廓，而是偏移零件轮廓表面一个刀具半径值。

2)刀具半径补偿类型：根据刀具半径补偿在工件拐角处过渡方式的不同，刀具半径补偿通常分成两种补偿方式，分别称为B型刀补和C型刀补。

3)刀具半径补偿方向：如图4-44所示，铣削加工刀具半径补偿分为刀具半径左补偿(用G41定义)和刀具半径右补偿(用G42定义)，使用非零的Dnn代码选择正确的刀具半径偏置寄存器。第四节五轴数控加工刀具的补偿图4-42B型刀补第四节五轴数控加工刀具的补偿图4-43C型刀补第四节五轴数控加工刀具的补偿图4-44刀具半径左补偿G41与刀具半径右补偿G42的判定

a)左补偿b)右补偿第四节五轴数控加工刀具的补偿4)刀具半径补偿过程：在实际轮廓加工过程中，刀具半径补偿执行过程一般分为三步：①刀具半径补偿建立——刀具由起刀点以进给速度接近工件，刀具半径补偿偏置方向由G41(左补偿)或G42(右补偿)确定；②刀具半径补偿进行——一旦建立了刀具半径补偿状态，则一直维持该状态，直到取消刀具半径补偿为止；③刀具半径补偿取消——刀具撤离工件，回到退刀点，取消刀具半径补偿。

5)刀具半径补偿指令格式：

6)刀具半径补偿的应用：①通过设置不同的刀具半径补偿值，可以用同一段程序，对零件进行粗、精加工；②通过改变刀具半径补偿值，可以修正工件加工尺寸；③利用同一个程序，加工同一公称尺寸的凹、凸型面。第四节五轴数控加工刀具的补偿(2)车削加工刀尖半径补偿对于车削数控加工，由于车刀的刀尖通常是一段半径很小的圆弧，而假设的刀尖点并不是切削刃圆弧上的一点，因此在车削锥面、倒角或圆弧时，可能会出现切削不足或切削过量的现象。

2.三维刀具半径补偿图4-45加工表面上切触点

坐标及单位法矢量第四节五轴数控加工刀具的补偿(1)基本概念

1)加工表面上切触点坐标及单位法矢量。

2)刀具类型及刀具参数。图4-46刀具类型及刀具参数

a)球头刀(R=)b)环形刀(R＞)c)面铣刀(=0)3)刀具中心。

(2)功能代码设置三维刀具半径补偿建立用G141实现。

(3)三维刀具补偿原理第四节五轴数控加工刀具的补偿第四节五轴数控加工刀具的补偿第四节五轴数控加工刀具的补偿(4)编程格式程序段基本格式为：G01