机械产品三维模型设计（高级） 课件 模块五：模型仿真验证

模块五模型仿真验证ModelSimulationVerification013+2定轴加工案例3+2Fixed-AxisMachiningCaseStudy目录CONTENT02叶轮加工仿真ImpellerMachiningSimulation3+2定轴加工案例3+2Fixed-AxisMachiningCaseStudy015.1

3+2定轴加工案例【任务描述】使用三轴机床加工零件时，对于零件的正面结构特征，不存在刀具加工不到的情况，但对于侧面结构特征，由于三轴机床的刀轴处于垂直状态不能倾斜，刀具不能切入，因此侧面结构无法机加工成型。在没有五轴加工机床的情况下，就需要将零件重新安装、定位和夹紧，对于复杂的零件，还需要制作专门的夹具，这就带来了加工效率和加工精度不高的问题。此时，使用五轴机床配合3+2轴加工方式，将刀轴根据零件侧面结构特征倾斜，将侧面结构特征转变为正面结构特征，依然使用三轴加工策略来计算刀具路径，这样可以解决绝大部分零件侧面结构特征的机加工成型问题。如图5-1所示为多面体模型，要求利用一台五轴数控机床、中望3DCAM模块的3+2定轴加工功能，完成该零件的加工。通过此案例，培养学生分析零件的结构特征，使用五轴机床配合3+2定轴加工的方式，进行零件侧面结构编程加工的能力。掌握使用三轴加工策略，将侧面结构特征转变为正面结构特征的编程方法，同时为后期学习五轴联动加工打下基础。5.1

3+2定轴加工案例核心知识点结构与类别：熟悉五轴机床结构特点3+2定位加工：掌握基本概念与应用场景模型信息分析：学会关键信息提取方法工艺分析流程：理解并掌握分析步骤坐标系应用：世界坐标系与用户坐标系后处理设置：学习编程后置处理配置关键技能点零件综合分析：精度与技术要求解读工艺准备工作：毛坯类型及装夹方式确定加工流程规划：制定合理的操作顺序工艺方案制定：确定加工策略与路径刀具参数选择：切削刀具及用量配置工艺文件编制：生成数控加工过程卡素质目标专业能力提升：运用标准分析图纸，制定流程，解决复杂问题。软件深度应用：利用CAM功能攻克深腔难加工区域。职业素养养成：培养独立思考与创新意识，提升职业竞争力。5.1

3+2定轴加工案例【任务描述】图

5-1多面体零件模型5.1.1

课前预习五轴机床的结构与类别（1）五轴机床的坐标系统五轴联动加工中的五轴是指机床能控制的运动坐标轴数为五个，联动是指数控系统可以按照特定的轨迹关系同时控制五个坐标轴的运动，从而可实现刀具相对于工件的位置和速度控制。根据数控机床坐标系统的设定原则，通常数控机床的基本控制轴X、Y、Z为直线运动，绕X、Y、Z旋转运动的控制轴则分别为A、B、C，X、Y、Z线性轴的正负方向关系按右手笛卡儿直角坐标系原则确定，而A、B、C旋转轴与对应线性轴X、Y、Z的正负方向关系遵循右手螺旋定则，如图5-2所示。若在基本的直角坐标轴X、Y、Z之外，还有其他轴线平行于X、Y、Z，则附加的直角坐标系指定为U、V、W或P、Q、R。一般地，由三个基本直线运动轴X、Y、Z和A、B、C三个旋转轴中的任意两个联动即可构成五轴联动，其组合实现的方式多种多样。图5-2数控机床坐标系统5.1.1

课前预习（2）五轴机床的主要结构类型按照旋转轴的类型，五轴机床可以分为三类：双转台五轴、双摆头五轴、单转台单摆头五轴。旋转轴分为两种：使主轴方向旋转的旋转轴称为摆头，使装夹工件的工作台旋转的旋转轴称为转台。按照旋转轴的旋转平面分类，五轴机床分为正交五轴和非正交五轴。两个旋转轴的旋转平面均为正交面（XY、YZ或XZ平面）的机床为正交五轴；两个旋转轴的旋转平面有一个或二个不是正交面的机床为非正交五轴。1）双转台式五轴两个旋转轴均属转台类，A轴旋转平面为YZ平面，C轴旋转平面为XY平面。一般两个旋转轴结合为一个整体构成双转台结构，放置在工作台面上（图5-3）。特点：加工过程中工作台旋转并摆动，可加工工件的尺寸受转台尺寸的限制，适合加工体积小、重量轻的工件；主轴始终为竖直方向，刚性比较好，可以进行切削量较大的加工。图5-3双转台五轴示意图5.1.1

课前预习2）双摆头式五轴双摆头五轴两个旋转轴均属摆头类，B轴旋转平面为ZX平面，C轴旋转平面为XY平面。两个旋转台轴结合为一个整体构成双摆头结构（图5-4）。特点：加工过程中工作台不旋转或摆动，工件固定在工作台上，加工过程中静止不动。适合加工体积大、重量重的工件；但因主轴在加工过程中摆动，所以刚性较差，加工切削量较小。图5-4双摆头五轴示意图5.1.1

课前预习3）单摆头单摆台式五轴旋转轴B为摆头，旋转平面为ZX平面；旋转轴C为转台，旋转平面为XY平面（图5-5）。特点：加工过程中工作台只旋转不摆动，主轴只在一个旋转平面内摆动，加工特点介于双转台和双摆头之间。图5-5单摆头单摆台五轴示意图5.1.1

课前预习（3）工件装夹在5轴双转台加工中心上，为了避免工作台在旋转过程中造成的刀具与工件、夹具、工台的干涉，工件的装夹方案至关重要。对于圆柱形零件，典型的装夹方案是采用三爪或四爪卡盘来装夹，如图5-6所示。对于支架类零件则采用压板装夹，对于箱体类零件则采用专用工装进行装夹。工装装夹既要考虑双轴数控分度盘的允许安装空间，也要考虑进给时的摆动空间。加工前有必要按照程序要求得最大摆动角度试运行，以检查干涉的可能性。图

5-6四爪卡盘装5.1.1

课前预习（4）对刀1)确定工件零点一般通过对刀棒测量工件在机床坐标系中的位置。也可采用光电寻边器测量工件零点，对于现代较先进的机床则采用3D测头。2)测量刀具长度在5轴加工中，总是采用绝对刀长，可以通过激光对刀仪测量，如图5-7，也可通过机内对刀仪测量。对于经济型5轴机床，也可通过对刀棒、Z轴设定仪测量。图

5-7激光对刀仪测量刀长5.1.1

课前预习2.“3+2”五轴加工“3+2”指X、Y、Z三个移动轴加任意两个旋转轴。“3+2”定轴加工是指在一个三轴铣削程序执行时，用五轴机床的两个旋转轴将切削刀具固定在一个倾斜的位置，也叫做定向五轴加工，因为第四个轴和第五个轴是用来确定在固定位置上刀具的方向，而不是在加工过程中连续不断地操控刀具。“3+2”定轴加工的原理实质上就是三轴功能在特定角度(即“定位”)上的实现，简单地说，就是当机床转了角度以后还是以普通三轴的方式进行加工。5.1.1

课前预习3.锁定毛坯到世界坐标系（即加工原点）在计算三轴加工刀路时，如果毛坯过小，未能将包围加工范围，则只会在毛坯包围的范围内生成部分刀具路径;又如毛坯尺寸足够，但是偏离了加工范围，则会出现计算不出刀具路径的情况。因此，计算刀具路径前，一定要确保毛坯包围住了零件的加工范围。在五轴定轴加工时，由于会使用到用户坐标系，就更要注意这一点。在创建毛坯时，毛坯的定位是相对于世界坐标系的，这就意味着，在默认情况下，如果用户创建了一个毛坯后，转而去使用其它的用户坐标系，那么毛坯就会“跑掉”。世界坐标系建立步骤如下：1)在“造型”—“工程特征”中→点击“坯料”；如图5-8所示；2)“实体”中框选全部模型→点击确定完成配料设置；如图5-9所示；3)在“造型”—“基础编辑”中→点击“移动”（图5-10）→“点到点移动”→“起始点”选择上表面的原点位置→“目标点”设置为0→确定；如图5-11所示；4)在“特征节点”中删除“坯料”如图5-12所示；最终完成世界坐标系的建立，如图5-13所示。5.1.1

课前预习图5-13世界坐标系建立图5-12选中坯料特征节点图5-11点对点移动图5-10移动命令图5-9建立毛坯图5-8坯料命令5.1.1

课前预习4.创建并编辑用户坐标系在3+2定向五轴编程中，根据被加工零件的结构特征分布情况，往往需要创建用户坐标系来方便定向编程，以图5-14的斜面建立用户坐标系为例，具体操作步骤如下：1)在“加工设置”中双击“坐标系”，如图5-15所示；2)在“坐标”界面中点击“创建基准面”，如图5-16所示；3)在“基准面”界面中点击“XY平面”→“原点”选择斜面的原点位置（XY的矢量方向应与世界坐标系中的XY矢量方向一致）→“X轴角度”设置为“60°”（角度数值是与世界坐标系的夹角）（如图5-17）→点击确定。图5-14用户坐标系建立

5.1.1

课前预习图5-16选择创建基准面图5-15双击坐标系图5-17创建用户坐标系建立用户坐标系时应注意以下几点:（1）用户坐标系建立在零件外部较安全;（2）Z轴指向零件外部，作为刀轴方向矢量。（3）5轴中心点是回转工作台表面和第5轴轴线的交点。编程和加工零点一般设置在5轴中心点5.1.1

课前预习5.3+2定轴加工编程注意事项在用户坐标系下，按照三轴加工零件的编程思路编制3+2轴加工程序。完成零件的加工，可能需要多条3+2轴加工刀具路径，要使用对刀坐标系来输出这些刀具路径为NC程序。这涉及到刀具路径后处理的算法问题，对于3+2轴定轴加工，实际上就是将刀轴相对工件倾斜一个角度进行加工，在后处理时，将世界坐标系旋转一个角度到达编程坐标系(即用户坐标系)即可。5.1.2

课堂任务实施预习效果检查(1)完成下列填空题世界坐标系对应实际加工中的

。为了简化工件找正、对刀等操作，编程和加工零点最好设在

。中望3D创建坐标系时，Z轴应指向

。

（2）判断题编制3+2定轴加工的编程思路是按照三轴加工零件的思路来完成的。（）3+2定轴加工实际上就是将刀轴相对工件倾斜一个角度进行加工的。（）3+2定轴加工中的“3+2“指X、Y、Z三个移动轴加任意两个旋转轴。（）用户坐标系建立在零件内部比较安全。（）用户坐标系对应实际加工中的对刀原点。（）5.1.2

课堂任务实施2.零件工艺分析（1）零件工艺分析—参考如图5-1所示为多面体零件，需要进行零件的外轮廓、斜面、斜面槽孔、顶部圆孔、四边槽孔加工。零件毛坯为长方形，因此可以考虑使用虎钳进行装夹。（2）零件工艺分析—学生分析多面体零件的模型，参考上面的提示，完善分析内容，完成表格5-1填写。序号项目分析结果1外轮廓和顶面的粗加工

2斜面、斜面槽孔、四边槽孔的粗加工

3顶部圆孔的粗加工

4外轮廓和顶面的半精/精加工

5斜面、斜面槽孔、四边槽孔的边壁和底面半精/精加工

6顶部圆孔的边壁和底面半精/精加工

7教师评价表5-1多面体零件工艺分析5.1.2

课堂任务实施3.工艺方案设计（1）工艺方案—参考.

5.1.2

课堂任务实施4.自动编程过程实施（1）设置安全高度如图5-18所示，单击鼠标右键进入加工方案，设置加工安全高度，安全高度为40mm，勾选自动防撞距离为5mm。图5-18设置安全高度5.1.2

课堂任务实施（2）毛坯设置

选择左上角加工系统中“添加坯料“如图5-19所示，点击六面体，坯料长度74mm、宽度74mm、高度51mm，如图5-20所示，点击确定，弹出是否隐藏五轴毛坯料，选择”是”如图5-21。图5-20添加坯料设置图5-21隐藏坯料5.1.2

课堂任务实施（3）创建刀具

1）根据多面体加工工序卡中得知，此多面体模型加工共需要三把刀具，分别为平铣刀D10粗加工、平铣刀D10精加工和平铣刀D6精加工。以D10粗加工平铣刀为例，如图5-22所示，右击管理器界面中的“刀具”，依次选择“插入刀具”→“造型”，选项中设置如下参数：“名称“改为”D10粗加工“。“类型“设置为”铣刀““子类“设置为”端铣刀“刀具长L”设置为75“刀刃长FL”设置为53“半径”设置为0“刀体直径”设置为“10”图5-22刀具参数设置5.1.2

课堂任务实施2）单击图5-22所示中“速度/进给”标签，弹出如图5-23所示的对话框，并在选项卡中设置如下参数：“主轴转速”设置为2000。“进给”设置为600。图5-23进给速度参数设置5.1.2

课堂任务实施3）另外两把刀的建立方法与D10粗加工平铣刀类似，具体刀具参数如表5-2，切削参数如表5-3：表5-2刀具参数表名称类型子类刀具长刀刃长半径刀体直径D10粗加工铣刀端铣刀7553010D10精加工铣刀端铣刀7553010D6精加工铣刀端铣刀503006表5-3刀具切削参数表刀具名称主轴转速进给速度D10粗加工2000600D10精加工3000200D6精加工3000200扫二维码观看（1）～（3）步操作视频。5.1.2

课堂任务实施（4）创建刀具路径1）D10粗加工刀具路径—二维偏移粗加工1右击管理器界面中“工序”创建工序文件夹，将文件夹命名为“D10粗加工”，如图5-24所示。图5-24创建工序文件夹5.1.2

课堂任务实施

②右击文件夹选择“插入工序”，单击“快速铣削“→选择粗加工中的”二维偏移“命令”，如图5-25所示。

5.1.2

课堂任务实施3图5-26所示，选择刚刚生成的二维偏移工序中的“刀具”右击，点击“选择”，在弹出的对话框中点击“D10粗加工”刀具（图5-27）。

图5-26选择刀具图5-27刀具列表图5-28右键编辑参数5.1.2

课堂任务实施5如图5-29所示，选择“公差和步距”→设置刀具路径参数“刀轨公差”设置为“0.01”“曲面余量”设置为“侧边”“0.5”“Z方向余量”设置为“0.5”“下切步距”设置为“0.5”“切削步距”设置为“25”图5-29公差与步距参数设置5.1.2

课堂任务实施⑥如图5-30所示，选择“边界”设置最大加工深度为“-52mm”，点击“刀轨设置”设置“周边转角”为2mm，点击确定（图5-31）。选择刚刚生成的二维偏移粗加工中“特征”右击（图5-32），选择“添加”在弹出的对话框中选择特征“零件”和”坯料”点击确定（图5-33）。图5-30设置加工深度图5-30设置加工深度图5-32右键选择添加特征图5-33选择要添加的特征5.1.2

课堂任务实施⑦如图5-34所示，选择刚刚生成的“二维偏移粗加工”工序右击，选择“计算”，计算出刀具路径（图5-35）。图

5-34刀路计算图

5-35刀路路径5.1.2

课堂任务实施2）D10

粗加工刀具路径—平行铣削①创建斜面加工坐标系如图5-36所示，选择加工设置里的“坐标系”右击，选择“插入坐标”，在弹出的坐标对话框中将创建的坐标系重命名为“斜面”，并选择“创建基准面”（图5-37），在弹出的基准面对话框（图5-38）中选择“XY平面”、“Y轴角度设置为60°”、“原点设置为平面的中心点”，设置完成后确定，创建的斜面加工坐标系如图5-39所示。

图5-36右键选择插入坐标图5-37选择创建基准面图

5-38基准面参数设置图

5-38基准面参数设置5.1.2

课堂任务实施②隐藏“二维偏移粗加工刀路”，在D10粗加工文件夹中创建新工序“平行铣削”，选择刀具“D10粗加工”（图5-40），选择“特征”右击，点击添加在弹出的对话框中点击“新建”（图5-41），双击选择“曲面”（图5-42），选择“斜面“（图5-43），并在曲面对话框中确定（图5-44），编辑刀路参数，参数设置如下（图5-45、5-46）计算后刀具路径如图5-47。主要参数—“坐标”设置为“斜面”“Z方向余量”设置为“0.5”“曲面余量”设置为“0”“刀轨公差”设置为“0.01”“步进量”设置为“60%”图5-40图5-41图5-42双击曲面图5-43选择斜面5.1.2

课堂任务实施图5-44确认曲面特征图5-45坐标系设置图5-46公差和步距参数设置图5-47刀具路径5.1.2

课堂任务实施3）D10

粗加工刀具路径—转换（阵列）平行铣削①选择刚刚生成的“平行铣削”刀路右击，选择“转换”命令，设置工序转换参数（图5-48），然后计算刀具路径（图5-49）。参数设置：将刀轨设置中的“变换方法”设置为“圆形阵列”“原点”位置为“0”“轴”设置为“Z”轴“角间距”设置为“90”“副本数”设置为“4”图

5-48

阵列平行铣削刀路图

5-49刀具路径5.1.2

课堂任务实施4）轮廓粗加工刀具路径—轮廓切削隐藏“转换平行刀路刀路”，创建工序“轮廓切削”，选择刀具“D10粗加工”（图5-50），选择“特征”右击，选择添加，弹出的对话框中点击“新建”后，双击选择“轮廓”后选择“底面边界线“（图5-50），编辑工序参数（图5-51~图5-54），并计算刀具路径（图5-55）。参数设置如下：“侧面余量”设置为“0.2”“底面余量”设置为“0.2”“下切步距”设置为“1”边界“Z轴加工范围”设置为“顶部为-20，底部为-50.5”刀轨设置“加工侧”设置为“右外侧”（刀具补偿方式）图5-50创建工序、选择刀具图5-51新建轮廓特征图5-51新建轮廓特征图5-53Z轴加工范围5.1.2

课堂任务实施图5-54刀具补偿设置图5-55刀具路径5.1.2

课堂任务实施5）D10

粗加工刀具路径—螺旋切削创建工序“螺旋铣削”，选择刀具“D10粗加工”（图5-56），选择“特征”右击，选择添加在弹出的对话框中点击“新建”后，双击选择“轮廓”后选择“槽孔边”确定（图5-57），编辑刀路参数（图5-58~图5-60），并计算“刀具路径”（图5-61）。参数设置如下：主要参数—“坐标”设置为“斜面”“Z方向余量”设置为“0.2”“侧面余量”设置为“0.2”“刀轨公差”设置为“0.01”“下切步距”设置为“1”边界“Z轴加工范围”设置为“顶部为0，底部为-10”图5-56创建工序、选择刀具图5-57新建轮廓特征图5-58公差和步距设置5.1.2

课堂任务实施图5-59坐标系设置图5-60加工范围设置图5-61刀具路径5.1.2

课堂任务实施6）D10

粗加工刀具路径—转换（阵列）螺旋铣削选择“螺旋铣削”刀路右击，选择“转换”命令，在弹出对话框中设置参数（图5-62），点击“计算”生成刀路（图5-63）参数设置：将刀轨设置中的“变换方法”设置为“圆形阵列”“原点”位置为“0”“轴”设置为“Z”轴“角间距”设置为“90”“副本数”设置为“4”图5-62

阵列螺旋铣削刀路图5-63刀具路径5.1.2

课堂任务实施7）D10

粗加工刀具路径—螺旋铣削2①创建侧面加工坐标系，选择“坐标系”右击，选择“插入坐标”，在弹出的对话框中选择“创建基准面”，选择“XY平面”、“Y轴角度为90°”（图5-64）、“原点设置为平面的中心点”（图5-65），将创建的坐标系重命名为“侧面”，新建的侧面坐标系如图5-66所示。5.1.2

课堂任务实施②如图5-67所示，创建工序“螺旋铣削2”，选择刀具“D10粗加工”，选择“特征”右击添加，选择“特征”右击，选择添加在弹出的对话框中点击“新建”后，双击选择“轮廓”后选择“侧面槽孔边”确定（图5-68），编辑刀路参数（图5-61、5-62），并计算“刀具路径”(图5-63)。参数设置如下：主要参数—“坐标”设置为“侧面”“侧面余量”设置为“0.2”“底面余量”设置为“0.2”“刀轨公差”设置为“0.01”边界“Z轴加工范围”设置为“顶部为0，底部为-10”“下切步距”设置为“1”图5-67创建工序图5-68新建轮廓特征图5-69选择坐标系图5-70公差和步距参数设置5.1.2

课堂任务实施图5-71加工范围设置图

5-72

刀具路径5.1.2

课堂任务实施8）D10

粗加工刀具路径—转换（阵列）螺旋铣削2选择“螺旋铣削2”刀路右击，选择“转换”命令，在弹出对话框中设置参数（图5-73），点击“计算”生成刀路（图5-74）参数设置：将刀轨设置中的“变换方法”设置为“圆形阵列”“原点”位置为“0”“轴”设置为“Z”轴“角间距”设置为“90”“副本数”设置为“4”图5-73转换参数设置图5-74刀具路径5.1.2

课堂任务实施9）D10

粗加工刀具路径—平行铣削2创建工序“平行铣削”，选择刀具“D10粗加工”（图5-75），选择“特征”右击添加，选择“特征”右击，选择添加在弹出的对话框中点击“新建”后，双击选择“曲面”后选择“顶面”确定（图5-76），编辑刀路参数（图5-77），并计算“刀具路径”。参数设置如下：“Z方向余量”设置为“0.5”“曲面余量”设置为“0”“刀轨公差”设置为“0.01”“步进量”设置为“60%”图5-75新建工序图5-76新建特征图5-77切削参数设置图5-78刀具路径5.1.2

课堂任务实施9）D10

粗加工刀具路径—螺旋铣削3创建工序“螺旋铣削”，选择刀具“D10粗加工”（图5-79），选择“特征”右击添加，选择“特征”右击，选择添加在弹出的对话框中点击“新建”后，双击选择“轮廓”后选择“顶面孔轮廓”确定（图5-80），编辑刀路参数（图5-81、图5-82），并计算“刀具路径”（图5-83）。参数设置如下：“侧面余量”设置为“0.2”“底面余量”设置为“0.2”“刀轨公差”设置为“0.01”边界“Z轴加工范围”设置为“顶部为0，底部为-10”“下切步距”设置为“1”图5-79新建工序图5-80新建轮廓特征5.1.2

课堂任务实施图5-81公差和步距设置图5-82加工范围设置图5-83刀具路径图5-84新建工序文件夹及复制刀路5.1.2

课堂任务实施10）D10

精加工刀具路径—轮廓铣削2插入工序文件夹“D10精加工”，复制D10粗加工文件夹中的“轮廓铣削”到D10精加工工文件夹中，工序名为“轮廓铣削2”，选择刀具为”D10精加工“（图5-84），选择刚刚创建的“轮廓铣削2”刀路右击，选择“编辑”命令，在弹出对话框中设置参数（图5-85），点击“计算”生成刀路（图5-86）参数设置如下：公差和步距“侧面余量”和“底面余量“设置为“0”图5-85修改切削图5-86外轮廓精加工刀路5.1.2

课堂任务实施11）D10

精加工刀具路径—平行铣削3复制D10粗加工文件夹中的“平行铣削2”到D10精加工工文件夹中，工序名为“平行铣削3”，选择刀具为“D10精加工”（图5-87）选择刚刚创建的“平行铣削3”刀路右击，选择“编辑”命令，在弹出对话框中设置参数，公差和步距“曲面余量”和“Z方向余量“设置为“0”（图5-88），点击“计算”生成刀路（图5-89）图5-87复制平行铣削刀路图5-88修改切削参数图

5-89修改后刀具路径图5-90复制平行铣削刀路15.1.2

课堂任务实施12）D10

精加工刀具路径—平行铣削4①复制D10粗加工文件夹中的“平行铣削1”到D10精加工工文件夹中，工序名为“平行铣削4”，选择刀具为“D10精加工”（图5-90），选择刚刚创建的“平行铣削4”刀路右击，选择“编辑”命令，在弹出对话框中设置参数，将公差和步距“曲面余量”和“Z方向余量“设置为“0”（图5-91），点击“计算”生成刀路（图5-92）。图

5-91

参数设置图

5-92刀具路径5.1.2

课堂任务实施②选择“平行铣削4”刀路右击，选择“转换”命令，在弹出对话框中设置参数（图5-93），点击“计算”生成刀路（图5-94）参数设置如下：“变换方法”设置为“圆形阵列“原点”设置为“0”“轴”设置为“Z轴—用0

0

1表示”“角间距”设置为“90”“副本数”设置为“4”图

5-93参数设置图5-94刀具路径5.1.2

课堂任务实施13）D6

精加工刀具路径—螺旋铣削4新建D6精加工工序文件夹，复制D10粗加工文件夹中的“螺旋铣削3”到D6精加工工文件夹中，工序名为“螺旋铣削4”，选择”刀具“为”D6精加工（图5-95），选择刚刚创建的“螺旋铣削4”刀路右击，选择“编辑”命令，在弹出对话框中设置参数（图5-96），点击“计算”生成刀路（图5-97）参数设置如下：参数设置公差和步距“侧面余量”和“底面余量“设置为“0”“下切步距“设置为”6“

图5-95复制刀路图5-95复制刀路图

5-97修改后刀具路径图5-98复制刀具路径5.1.2

课堂任务实施14）D6

精加工刀具路径—螺旋铣削5①复制D10粗加工文件夹中的“螺旋铣削1”到D6精加工工文件夹中，工序名为“螺旋铣削5”，选择”刀具“为”D6精加工（图5-98），选择刚刚创建的“螺旋铣削5”刀路右击，选择“编辑”命令，在弹出对话框中设置参数（图5-99），点击“计算”生成刀路（图5-100）参数设置如下：公差和步距“侧面余量”和“底面余量“设置为“0”“下切步距“设置为”6“图

5-99

参数设置图

5-100刀具路径5.1.2

课堂任务实施②选择“螺旋铣削5”刀路右击，选择“转换”命令，在弹出对话框中设置参数（图5-101），点击“计算”生成刀路（图5-102）参数设置如下：“变换方法”设置为“圆形阵列“原点”设置为“0”“轴”设置为“Z轴—用0,0,1表示”“角间距”设置为“90”“副本数”设置为“4”图5-101转换参数设置图

5-102刀具路径5.1.2

课堂任务实施15）D6

精加工刀具路径—螺旋铣削6复制D10粗加工文件夹中的“螺旋铣削2”到D6精加工工文件夹中，工序名为“螺旋铣削6”，选择”刀具“为”D6精加工（图5-103），选择刚刚创建的“螺旋铣削6”刀路右击，选择“编辑”命令，在弹出对话框中设置参数（图5-104），点击“计算”生成刀路（图5-105）参数设置如下：公差和步距“侧面余量”和“底面余量“设置为“0”“下切步距“设置为”6“图5-103复制刀路图

5-104修改切削参数图

5-105刀具路径5.1.2

课堂任务实施（5）后处理1）选择五轴机械设备，选择五轴后处理（图5-106）图5-106后处理文件5.1.2

课堂任务实施2）插入NC①修改NC名称，添加工序（图5-107）图5-107修改NC名称，添加工序5.1.2

课堂任务实施②输出NC③查看NC代码（图5-108）图5-108NC代码5.1.3

课后思考3+2定轴加工的优势有哪些？3+2定轴加工的局限性有哪些？3+2定轴加工适合平面加工还是曲面加工？3+2定轴加工与五轴联动加工哪一个刚性更好，精度更高？12345.1.3

课后拓展依照所学填写工序卡片，并按照工艺安排，使用中望3D完成该零件的程序编制。图5-109叶轮加工仿真ImpellerMachiningSimulation025.2

叶轮加工仿真【课程思政材料导读】同学们，你们是否了解上个世纪著名的“东芝事件”？机床，特别是高端精密机床，是一个国家制造业水平的象征。先进的数控加工设备对于任何一个国家都是重要的战略物资！长期以来，以美国为首的西方工业发达国家，一直将数控机床对中国、前苏联等社会主义阵营实行封锁禁运。在40年前的冷战时期，制造业却发生过一起“狸猫换太子”的事件。日本东芝机械公司背着“巴黎统筹委员会”向前苏联出售高精密的加工船用螺旋桨的数控机床，令美国几十年心血前功尽弃，“东芝事件”震惊了世界。5.2

叶轮加工仿真要求：请围绕“东芝事件”收集相关文章和视频，分组讨论，整理撰写小组发言报告，报告要点需要涉及东芝事件产生的内部原因，可以以不同的角度阐述小组成员对该事件的看法，并得出从此事件中得到的启示。拓展：你们是否清楚为什么美国要对中国的“华为”高举制裁大旗，步步紧逼吗？历史的经验告诉我们——高精尖技术只能靠国人自己！5.2

叶轮加工仿真【任务描述】叶轮加工是当今多轴联动数控加工最常见的实例，特别是整体式叶轮是数控加工的难点之一。根据叶轮的形状，我们大致可以将叶轮的加工分为叶片粗加工、轮毂精加工、叶片精加工、圆角精加工以及分流叶片的粗加工和精加工。如图5-111所示为叶轮模型，，材料为45钢，要求对叶轮的轮毂、叶片进行粗加工、半精加工和精加工数控编程。

图

5-111叶轮零件图纸核心知识点五轴联动加工：掌握基本原理与优势引导面等值线切削：理解并应用该策略5轴侧刃切削：掌握方法与适用场景5轴流线切削：优化刀具路径技术关键技能点零件分析：分析形状特征与精度工艺准备：确定毛坯及装夹方式工序规划：制定多轴数控工序设备选择：选取合适五轴设备工艺文件：编制过程卡及工序卡素质目标专业能力：运用标准，设置环境，制定流程软件应用：使用CAM完成编程与报表输出职业素养：独立思考，善于创新，奠定基础5.2

叶轮加工仿真5.2.1课前预习1.用于5轴联动加工的操作中望3D提供平面平行、侧刃、驱动线切削、交互式切削、流线、分层、引导面等值线等工序类型用来对零件的曲面区域进行加工。这些工序类型通过对刀轴方向、投影矢量、驱动面的控制，可以加工非常复杂的零件，为4轴和5轴加工中心提供了一种高效的、强大的编程功能，使CAM程序员能够实现从简单零件到复杂零件的加工，是多轴加工最常用的方法。通过从一个表面到另一个表面的连续切削来加工零件轮廓，中望3D具有丰富的刀轴控制功能，用来保存刀具与驱动几何体、零件几何体的相对位置。加工操作中可以完全控制刀具运动，在复杂的、需要多轴加工的零件的精加工中非常有用。一个有经验的编程人员可以以此来简化一个复杂刀具轨迹的创建。图5-112

中望3D用于5轴联动加工的工序类型5.2.1课前预习2.5轴引导面等值线切削工序

5轴引导面等值线切削工序用于单个叶片顶面铣削粗加工，生成与指定引导面等距的刀具轨迹，引导面等值线切削工序在其特征列表中应有选择的驱动曲面，以其普通曲面输入作为切削目标。由驱动曲面定义的引导面强制刀具轴沿其等直线的法线方向。在“切削驱动面”被切换为“是”，驱动面将用作为除特征列表中的其他普通表面外的切削目标。如果切换为“否”，驱动面将忽略。切削型式包括两个选项：“单向”与“Z字型”。等值线方向将是U-等值线或V-等值线。顺铣或逆铣（图5-113、图5-114）。图5-113

5轴引导面等值线切削参数设图5-114五轴引导面等值切削5.2.1课前预习5轴侧刃切削5轴侧刃切削工序使用控制曲面来计算刀具轨迹。刀具轴由驱动曲面控制，该曲面与刀具的侧面保持接触。刀具的底部（接触点）由底控制面。驱动与底控制面是应用到CAM曲面特征的分类属性。侧刃切削要求零件曲面选择的曲面特征与驱动曲面一样。仅包含零件曲面的CAM特征将忽略，并显示一条警告信息。可使用这种切削，作为5轴流线切削工序的参考工序。（图5-115、图5-116）图5-1155轴侧刃切削工序参数设置图5-116五轴侧刃切削示意图5.2.1课前预习4.5轴流线切削5轴流线切削工序需要5轴侧刃切削或5轴驱动线切削作为包含两个不同切削的参考工序。这两个切削将用作流线。侧刃切削或驱动线切削也可以有多种深度。中望3DCAM将选择两次底层切削为流线。它也启用流线切削工序的起点。流线切削轨迹由两条流线间的插值生成。该工序两个倾斜壁（如涡轮叶片）间的加工区很有用。有四种流动类型供选择，包括纵向，横向，螺旋向内和螺旋向外。轨迹型式可以是Z字型或单向。支持的CAM特征包括要加工的零件或曲面。目前，CAM轮廓特征不能用作流线。图5-117

5轴流线切削参数设置图5-118五轴流线切削刀路5.2.2课堂任务实施预习效果检查(1)完成下列填空题1)使用双转台5轴机床，首先要准确获得工件在机床(工作台)上的

。2)为了简化工件找正、对刀等操作，

最好设在4轴中心点或5轴中心点。3)中望3D使用不同的工序类型，通过对

、

、

的控制，可以加工非常复杂的零件。5轴引导面等值线切削工序用于零件的

加工刀轨生成。创建5轴引导面等值线切削工序刀轨设置成

。使用5轴引导面等值线切削工序转换刀路时，参数设置，选择

。

5轴侧刃切削工序加工叶片时，参数设置将刀轴控制中的相邻刀轴极限摆角设为

。8）5轴流线切削工序进行刀轨设置，流线类型为

。（2）判断题1）使用双转台5轴机床进行加工操作时，刀具长度和编程无关。2）定制后处理时，测量4轴中心点在机床坐标系下的位置不是必需的数据。3）可以使用中望3D的刀轴控制功能，用来保存刀具与驱动几何体、零件几何体的相对位置，已达到复杂零件加工的目的。4）5轴加工中，一般采用相对刀长，需要自行设定刀补参数。5）对于支架类零件则采用专用工装进行装夹。6）5轴引导面等值线切削工序进刀方式可以能是螺旋进刀。7）5轴侧刃切削工序不能对陡峭面进行精加工。8）5轴流线切削工序可以对陡峭面和平坦面都能进行精加工。9）5轴流线切削，刀轨设置时，流线方式为单向。10）选择圆形阵列时，可以通过修改副本数，生成想要的刀轨数量。5.2.2课堂任务实施2.零件工艺分析（1）零件工艺分析—参考如图5-111所示为整体式叶轮，需要进行轮毂、叶片的加工。零件毛坯为圆柱形，因此可以考虑使用三爪卡盘进行装夹。叶片的位置精度和形状尺寸要求较高。（2）零件工艺分析—学生分析整体式叶轮的模型，参考上边的提示，完善分析内容，完成表格5-4填写。序号项目分析结果1叶轮上部圆轴的粗加工

2叶轮轮廓的粗加工

3叶轮轮毂的粗加工

4叶轮叶片的粗加工

5叶轮轮毂的精加工

6叶片两面的精加工

7教师评价表5-4叶轮工艺分析5.2.2课堂任务实施3.工艺方案设计（1）工艺方案—参考根据叶轮的加工要求，设计加工工艺方案如表5-5。表5-5叶轮方案序号工序名称工序内容1二维偏移粗加工1使用Ф10R0.5的铣刀进行叶片上轮廓开粗2轮廓切削1使用Ф10R0.5的铣刀进行叶片整体轮廓开粗3二维偏移粗加工2使用Ф3R1.5的铣刀进行底部外轮廓铣削4二维偏移粗加工3使用Ф3R1.5的铣刀进行叶片上凸脚铣削5变换矩阵1，属于二维偏移粗加工使用Ф3R1.5的铣刀进行铣削叶片的侧壁6等高线切削1使用Ф3R1.5的铣刀进行叶轮上凸台铣削75轴引导面等值线切削1使用Ф3R1.5的铣刀进行单个叶片顶面铣削粗加工8变换矩阵1，属于5轴引导面等值基于上一条工序进行变换矩阵，铣削所有叶片上顶面95轴侧刃切削2使用Ф3R1.5的铣刀进行确认单个叶片轮廓准确铣削程序10变换矩阵1，属于5轴侧刃切削1基于上一条工序进行变换矩阵，铣削叶片轮廓115轴侧刃切削2使用Ф3R1.5的铣刀进行叶片底边轮廓铣削125轴流线切削1使用Ф3R1.5的铣刀进行确认两叶片间底面铣削程序13变换矩阵1，属于5轴流线切削1基于上一条工序进行变换矩阵，铣削所有两叶片间底面14轮廓切削2使用Ф10R0.5的铣刀进行外轮廓精加工15等高线切削2使用Ф3R1.5的铣刀进行叶轮凸台精加工165轴引导面等值线切削2使用Ф3R1.5的铣刀进行单个叶片顶面精加工17坐标变换切削使用Ф3R1.5的铣刀进行所以页面顶面精加工185轴侧刃切削3使用Ф3R1.5的铣刀进行单个叶片顶面铣削精加工19坐标变换切削2基于上一条工序进行坐标变换，铣削所有叶片上顶面205轴流线切削2使用Ф3R1.5的铣刀进行确认两叶片间底面铣削精加工21坐标变换切削3基于上一条工序进行坐标变换，铣削所有两叶片间底面5.2.2课堂任务实施（2）工艺方案设计—学生（书内提供格式样例，另外提供电子文档）根据自己对叶轮的分析，参照表5-5的参考工艺方案，完成表5-6的填写。表5-6叶轮加工工艺方案—学员序号结构工艺方案1

2

3

4

考评结论5.2.2课堂任务实施4.自动编程过程实施（1）设置安全高度及毛坯点击右键进入加工方案，设置加工安全高度，安全高度为40（5-119）。添加坯料，选择圆柱体，轴线选择Z轴，毛坯料半径42mm,长度30mm（图5-120）。图5-119设置安全高度图5-120添加坯料5.2.2课堂任务实施名称类型子类刀具长刀刃长半径刀体直径D10R0.5铣刀端铣刀40250.510D3R1.5铣刀端铣刀22201.532）创建刀具1）根据叶轮加工工序卡中得知，此叶轮加工共需要两把刀具，分别为圆鼻刀D10R0.5及球刀R1.5粗加工,具体刀具参数如表5-7。表5-7刀具参数表5.2.2课堂任务实施（3）创建刀具路径1）轮廓粗加工—二维偏移粗加工右击管理器界面中“工序”创建工序文件夹，将文件夹命名为“轮廓粗加工”，创建二维偏移粗加工刀路，选择刀具为D10R0.5（图5-121）。修改余量和进给，刀轨公差改为0.01，曲面余量为0.5，Z方向余量为0.5，下切步距为0.5（图5-122）。图5-121二维偏移粗加工选择刀具图5-122修改余量和进给5.2.2课堂任务实施点击边界，设置加工底部为-20。（图5-123），在刀轨设置中将周边转角改为2，点击确定（图5-124）。图5-123设置加工底部图5-124加工刀轨设置5.2.2课堂任务实施添加特征（图5-125），并进行计算，生成刀路（图5-126）。图5-125添加特征图5-126二维偏移粗加工刀路5.2.2课堂任务实施2）轮廓粗加工—轮廓切削加工隐藏“二维偏移粗加工刀路”，在轮廓粗加工文件夹中创建轮廓切削加工刀路，选择刀具为D10R0.5（图5-127）。修改余量和进给，将侧面余量和底面余量均改为0.2，下切步距改为1（图5-128）。设置加工范围，顶部和底部分别设为-13和-31（图5-129）。

图5-127轮廓铣削加工选择刀具图5-128设置加工余量及下切步距5.2.2课堂任务实施刀轨设置中设置加工侧为“右，外侧”（图5-130）。设置进刀方式为“圆弧线性”进刀，将进刀长度与进刀圆弧半径均改为2，退刀圆弧半径也改为2（图5-131）。添加特征，新建轮廓特征，选择图5-132的圆弧。计算，生成刀路（图5-133）。图5-133生成轮廓切削刀路图5-132添加圆弧为轮廓特征图5-131设置进退刀参数5.2.2课堂任务实施3）叶片粗加工刀具路径—二维偏移粗加工插入工序文件夹，并命名为“叶片粗加工”，复制“轮廓粗加工”文件夹中的二维偏移粗加工1程序至”叶片粗加工”文件夹中，进行叶片开粗，选择刀具为D3R1.5（图5-134）。编辑刀路，进行参数设置，将刀具间距改为25，下切步距改为0.2（图5-135）。选择参考工序为“二维便宜粗加工1”（图5-136），计算，生成刀路（图5-137）。图5-134叶片二维偏移粗加工2图5-135叶片粗加工参数设置图5-136设置参考工序图5-137二次开粗生成刀路5.2.2课堂任务实施4）叶片粗加工刀具路径—二维偏移粗加工3复制叶片粗加工文件夹中“二维偏移粗加2”，粘贴到叶片粗加工文件夹中，得到“二维偏移粗加工3”（图5-138），选择刚刚生成的“二维偏移粗加工”进行“编辑”，点击坐标创建新的坐标系，设置安全高度为60，自动防碰为10，创建基准面（图5-139），基准面参数:选择视图平面，原点设置如图所示位置（图5-140）。图5-138复制刀路图

5-139

坐标系设置5.2.2课堂任务实施选择“边界”将“Z底部设置为0”，添加特征，新建轮廓特征，选择如图5-142所示的“叶轮边界线”，参考工序设为“二维偏移粗加工2”（图5-143），计算刀路，得到如图5-144的刀路。修剪刀路，右键“二维偏移粗加工3”选择编辑刀轨里的修剪命令，将多余的空刀路修剪掉，生成如图所示的刀具路径（图5-145）。

图

5-140

基准面设置图5-141设置底部边界5.2.2课堂任务实施5.2.2课堂任务实施6）叶片粗加工刀具路径—等高线切削创建“等高线切削”工序，选择刀具“D3R1.5”（图5-148），选择“特征”右击，选择“添加”，在弹出的对话框中点击“零件和坯料”（图5-149），编辑工序参数，在公差和步距界面中设置“曲面余量”为“0.1”，”步进”为“0.15”（图

5-150），边界中设置“Z顶部”为“-0.2”，“底部”为“-8”。生成刀具路径如图5-151所示。5.2.2课堂任务实施5.2.2课堂任务实施7）叶片粗加工刀具路径—五轴引导面等值线切削创建工序“五轴引导面等值线切削”，“选择刀具D3R1.5”，选择刚创建的“五轴引导面等值线切削”右击，点击“编辑”设置参数，选择“特征”右击，选择“添加”，在弹出的对话框中点击“曲面”确定（图5-152），公差和步距中“曲面余量”设置为“0.1”，“步进”设置为“0.15”（图5-153），切削控制“刀轨样式”设置为“Z字形”（图5-154），计算刀路，结果如图

5-155所示。5.2.2课堂任务实施选择刚创建的“五轴引导面等值线切削”右击，选择“转换”，“坐标变换切削”参数如图5-156所示，计算刀路，结果如图5-157。图

5-157坐标变换刀具路径5.2.2课堂任务实施8）叶片粗加工刀具路径—五轴侧刃切削创建工序“五轴侧刃切削”，“选择刀具D3R1.5”，选择刚创建的“五轴侧刃切削”右击，点击“编辑”设置参数，选择“特征”右击，选择“添加”，在弹出的对话框中点击“曲面”，选择如图5-158所示的曲面为底控制面，图5-159所示的面为驱动面。设置“侧面余量”和“底面余量“为“0.1”，“步进”为“0.15”（图5-160），切削控制“刀轨样式”设置为“Z字形”（图5-161），计算刀路，结果如图

5-162。图5-158添加底控制面图5-159添加驱动面5.2.2课堂任务实施图

5-162刀具路径5.2.2课堂任务实施选择刚创建的“五轴侧刃切削”右击，选择“转换”，编辑坐标变换参数，设置为“圆形阵列”、“原点为0”、“轴方向为（0,0,1）”、“角间距为45”、“副本数为8（图5-163），计算刀路，结果如图

5-164。图

5-163

坐标变换参数图

5-164坐标变换刀具路径5.2.2课堂任务实施9）叶片粗加工刀具路径—五轴侧刃切削2创建工序“五轴侧刃切削2”，“选择刀具D3R1.5”，选择刚创建的“五轴侧刃切削2”右击，点击“编辑”设置参数，选择“特征”右击，选择“添加”，在弹出的对话框中点击“曲面”，添加如图5-165所示的曲面为底控制面，图5-166所示的面为驱动面。切削参数与五轴侧刃切削1相同，如图5-167、5-168，计算刀路，结果如图5-169。图5-165添加底控制面图5-166添加驱动面5.2.2课堂任务实施图

5-167

公差和余量设置图

5-168刀轨样式设置图

5-169刀具路径5.2.2课堂任务实施选择刚创建的“五轴侧刃切削2”右击，选择“转换”，