03第二章 多轴联动加工方法及CAM基础

多轴联动加工方法及CAM基础

教

师：

[教师姓名]日

期：202X年X月知识目标

掌握多轴联动加工的基本方法和编程基础。 掌握UGNX主要五轴联动策略的参数设置方法。 了解VERICUT仿真软件多轴加工仿真技术。

掌握数控加工仿真环境的构建基本流程。能力目标

能够使用UG

NX进行五轴零件的五轴定向、五轴联动编程。

能够构建五轴数控加工仿真环境。

能够进行多轴加工仿真运动的调试及刀轨优

化。素质目标

培养严谨细致的工作态度。

增强团队合作意识。

提升创新思维和解决问题的能力。课程三维目标明确本章节知识、

能力与素质的培养要求

，构建全方位学习体系

智能制造人才培养五轴定向加工

(3+2轴)通过旋转轴将工件或刀具锁定在特定角度

，仅由三个直线轴进行切削。旋转轴不参与进给运动，本质为

“定轴加工

”。五轴联动加工

(广义界定)凡是有旋转轴参与切削进给运动的加工均归为此类。包含四轴联动（

1转+3直）及标准五轴联动

，强调多轴协同的动态性。CAM软件协同策略五轴联动高度依赖CAM软件的刀路策略与算法

，

通过编程处理策略决定多轴参与联动的程度与方式。五轴加工定义界定

应用场景解析如图所示立方体零件

，三个相邻表面均

分布有孔位。 原理：直接选择空间多孔，机床自动计算角度，旋转轴与直线轴联动摆转。 优势：单一刀路完成多面同类孔加工，大幅减少换刀与空程，效率显著提升。

原理：旋转轴带动工件/刀具摆转至垂直位置后锁定，直线轴进行切削。 局限：需针对每个表面单独建立刀路，多面加工需多次定位，程序繁琐。加工方案对比：定向加工：

3个独立刀路联动加工：

1个连续刀路五轴联动钻孔

(空间五轴)高效连续加工策略五轴定向钻孔

(3+2轴)传统分面加工策略五轴钻孔加工工艺四

线廓加工进给与安全高度示意曲线边廓构建针对曲面侧壁加工，需分别构建其顶面和底面的曲线边廓作为基础几何特征。补正曲线生成将顶面边廓线向外进行刀具半径补正，生成一条新的辅助曲线，用于后续的刀轴控制。刀轴控制策略以底面边廓为实际加工曲线，以顶面补正曲线作为刀轴控制的串连线，实现刀具沿侧壁的精准联动切削。 适用场景与优势适用于空间曲面上的刻字刻线加工、

曲面交接边处的倒棱或倒圆处理。相比五轴定向3D铣削

，联动线廓加工能通过简单的刀路更精准地控制加工深浅

，显著提升表面质量。五轴线廓加工工艺五轴曲面加工基础分类 无关联限制曲面加工针对与周侧无其它特征关联限制的独立曲面。此类加工因约束较少

，编程策略相对简单直接，重点在于曲面本身的光顺性。 受周侧特征限制曲面加工针对加工曲面受周侧其它特征（如相邻壁、夹具等）

关联限制的情况。需精细控制边界与刀轴以避免干涉与过切。 常用策略

沿边五轴、平行到曲线、两曲面之间注意事项

需根据限制边界精细选择刀轴控制 常用策略

沿面五轴、曲面五轴、平行切削 刀轴控制

直接选择曲面法向即可图示：主切削方向与步进方向设置示意路径拟合逻辑生成的NC程序将严格沿主切削方向进行曲线拟合运动

，确保刀具在加工表面实现平滑、连续的走刀控制。步进加工机制刀具完成一条主切削路径后

，沿步进方向间断行进至下一条核心参数配置在曲面驱动方法中

，需精确设置流线方向

，关键参数包括内外刀补面方位、主切削方向、步进走刀方向及起始方位。曲面五轴加工走刀控制设置曲线，循环往复直至覆盖整个曲面加工区域。固定倾角控制适用于圆锥面等特征，刀轴与旋转轴呈固定角度（如或),常采用侧刃切削，编程时输出A/C轴定向数据。沿走刀方向倾斜控制在法向基础上设置前倾角或侧倾角（如+a),用于避让干涉（如叶轮槽底）或利用球刀有效切削半径提高效率。沿曲面法向控制应用最广泛的控制方式，刀轴始终垂直于加工部件表面，适用于周侧无关联限制的曲面，设置简

便且可预见性好。随模型变斜角控制针对多段不同锥度连接面，刀轴随曲面变化趋势在不同区段调整倾角，

NC程序呈现间断规律性角

度变化。刀轴延长线始终指向或远离某一特定空间点（如球心），适用于加工球形结构或特定的倒扣特

征。曲面五轴加工刀轴控制方法图示：刀轴法向与变斜角控制原理图示：沿走刀方向的前倾与侧倾角度设置指向点控制 仿真验证必要性由于多轴运动的不可预见性，必须引入基于机床物理结构的仿真（如VERICUT）

，验证刀路与机床部件的碰撞干涉

，确保加工安全。

五轴与三轴差异相比三轴，

五轴加工需处理复杂的空间坐标变换，

依赖RTCP功能及定制化后置处理。编程逻辑更复杂

，对干涉检查要求更高。 全流程技术闭环涵盖从零件工程图样、

CAD几何建模、工艺设计、

CAM自动编程、后置处理到机床加工的全过程。各环节紧密衔接，数据流转贯穿始终。五轴加工技术完整流程

五轴加工技术流程图支持通过点、直线、

曲面法向等多种方式控制刀轴矢量，确保运动安全合理。提供实体切削与机床运动的动态仿真

，

自动检查超程及设备间的干涉碰撞。自动检测刀具、刀柄及夹持部件与工件的干涉

，确保复杂型腔加工不过切。支持RTCP及非RTCP模式输出

，支持根据自用机床结构定制开发后置处理器。刀路编辑能力支持对生成的刀具路径及刀轴矢量进行二次编辑

，并自动处理安全状态。

全类型刀具支持兼容端铣刀、球头刀、

圆鼻铣刀及锥度铣刀等全范

围切削刀具的应用。专家模块支持具备曲面

、

弯管

、

叶轮等复杂零件的专用加工策

略，支持刀路裁剪与投影加工。定位与联动能力支持3+2轴定位加工及五轴联动加工

，

能输出定向坐标数据与联动插补数据。五轴编程CAM软件基本要求

后置处理定制

机床全真仿真

智能碰撞检测

灵活刀轴控制MasterCAM

主流CAM软件HyperMillCimatronDelcamUG

NXCAXACatia定义与定制需求后置处理是将通用刀路转换为特定机床NC程序的关键环节。需根据双摆台、双摆头或摆头+摆台等机床结构模式

，定制适配的后处理文件。关键结构参数设置必须准确设置旋转轴类型（如AC/BC）

、旋转方向及极限角度。对于非RTCP模式

，还需在后置中精确输入轴间偏置距离（如Z向125mm）以实现补偿。RTCP功能的影响启用RTCP（刀尖点控制）

时

，补偿由机床系统自动计算

，后置仅需输出指令；该功能使程序与结构参数解耦

，极大提升了工件装夹的灵活性。五轴CAM后置处理要点外形轮廓铣CONTOUR_PROFILE使用侧刃进行切削，专门用于轮廓铣带有外

角的壁面，常用于侧壁精加工。深度加工五轴铣ZLEVEL_5AXIS可变的五轴等高轮廓铣，适用于加工各种有

陡峭角的斜面或深腔曲面。固定轴轮廓铣FIXED_CONTOUR刀轴保持固定方向（类似三轴加工），支持多种驱动方法，用于无需联动的区域。顺序铣SEQUENTIAL_MILL为连续加工一系列边缘相连的曲面而设计，常用于航空结构件或箱体加工。管精加工TUBE_FINISH管粗加工TUBE_ROUGH专用驱动方法，仅适用于球面铣刀。推荐用于内部管类型曲面的粗加工（如进气道）。使用管精加工驱动方法，仅适用于球刀。用于内部管类曲面的最终精修，保证流道顺畅。可变引导曲线VAR_AXIS_GUIDING_CURVES可变流线铣VARIABLE_STREAMLINE无需投影，直接在切削区域创建刀路。推荐

用于包含底切（倒扣）的复杂形状精加工。根据定义的流线和交叉曲线来切削面，生成的刀轨顺滑，适合对光洁度要求高的曲面。

多轴铣削概述多轴铣削（

Mill_Multi-Axis）

指刀轴沿刀具路径移动时可不断改变方向的铣削加工

。

在UG

NX中

，提供了9种核心子类型以适应不同的复杂曲面加工需求。可变轮廓铣VARIABLE_CONTOUR最常用的多轴方式，支持多种驱动方法与刀

轴控制选项，适用于大多数复杂曲面。UG

NX多轴铣削操作子类型基础概念定义投影矢量用于指引驱动点如何投射到零件表面；刀轴定义为从刀具前端指向刀柄的方向矢量。两者是多轴编程的核心几何要素。刀轨创建核心步骤首先从驱动几何体上产生驱动点；

其次将驱动点沿投射方向投射到零件几何体上，刀具跟随这些投射点进行加工运动。驱动与矢量选择逻辑不同的驱动方法（如曲面、流线等）

对应不同的矢量设置。正确选择驱动几何体、投影矢量与刀轴的组合方式

，是生成高质量多轴刀路的关键。刀轴与投影矢量基础认知(

o

图示：刀轴、投影矢量与零件几何体的空间关系

指向点

(Towards

Point)允许定义向焦点收敛的可变刀轴。刀轴矢量始终指向定义的焦点并指向刀柄。适用于需要刀具围绕某一点进行向心运动的加工场景。常见可变刀轴设置方法（一）

基于点与直线的刀轴矢量控制逻辑解析

离开直线

(Away

from

Line)定义偏离聚焦线的可变刀轴。刀轴沿聚焦线移动且保持垂直

，矢量从聚焦线离开适用于外凸柱面或需要刀轴背离中心线的加工

离开点

(Away

from

Point)允许定义偏离焦点的可变刀轴。刀轴矢量从定义的焦点离开并指向刀柄常用于倒扣结构或需要刀具呈放射状避让的区域

指向直线

(Towards

Line)定义向聚焦线收敛的可变刀轴。刀轴沿聚焦线移动但保持垂直

，矢量指向聚焦线。刀具在平行平面间运动，适合管状或槽类零件。点控制

(Point

Control)线控制

(Line

Control)定义：

允许编程者定义一个相对于部件表面法向（垂直轴）

的

“可变刀轴

”。

通过设置

前倾角和侧倾角来控制刀具姿态。前倾角

(Lead)沿刀轨切削方向的前后倾斜。正值向前，负值向后。侧倾角

(Tilt)垂直于刀轨方向的左右倾斜。用于避让侧壁

干涉。

插补与驱动曲面

(Interpolation

&

Drive)

插补

(Interpolate)通过定义特定点处的矢量来控制刀轴，系统自动在这些矢量之间进行光顺过渡。适用于复杂的驱动几何体，能有效避免刀轴剧烈摆动，实现更平滑的运动。

垂直于驱动曲面

(Normal

to

Drive)构建辅助的

“驱动曲面

”来控制刀轴方向。当实际部件表面质量较差或形状破碎时，利用光顺的驱动面引导刀轴，可获得高质量的刀轨。

应用场景：这两种方法常用于叶轮、模具等复杂曲面的精加工阶段。常见可变刀轴设置方法（二）

Multiaxis

Tool

Axis

Control

相对于部件

(Relative

to

Part)

关联方法：

"垂直于部件"是倾角为0的特例；"相对于矢量"逻辑类似但基准为固定矢量。刀具与程序组创建创建

D10R5硬质合金

球

头

铣

刀

（

规

格D10×R5×15×65

）

，

并在导航器中建立名为

“半精加工

”的程序组。加工环境初始化进入NX加工模块

，配置CAM会话为cam_general

，选择mill_multi-axis

多轴铣削模板，完成环境初始化设置。坐标系与安全设置将MCS加工坐标系设于毛坯顶面圆心；安全区域选择圆柱类型（半径30mm）；指定印章模型为部件，拉伸体为毛坯。实操案例：印章手柄半精加工前期准备

可变轮廓铣主界面设置

曲面区域驱动参数配置03

驱动详细设置进入驱动方法设置

，将切削模式设为螺旋以优化表面质量。设置步距数为

50，

内外公差均控制在0.1mm

以保证精度。02

主界面核心参数驱动方法：

曲面区域 投影矢量：垂直于驱动体刀轴控制：相对于驱动体

(前倾5°/侧倾-15°)01

工序初始化在加工环境中选择

mill_multi-axis

类型

，子类

型

设

为可变轮

廓

铣

。

指

定

几

何

体

为WORKPIECE

，并选用

D10R5球头铣刀。实操案例：工序创建与驱动设置

切削参数设置

(余量与刀轴)

部件余量设置部件余量设为0.2000mm，预留半精加工空间。

公差与刀轴控制内/外公差0.03

mm；最大刀轴更改

180°。

非切削移动设置