多轴编程与加工技术（高级） 课件 第一章 多轴数控加工工艺分析

多轴加工工艺分析CONTENTS课程目录课程目标明确本课程需要掌握的知识、技能与职业素养方向，包括多轴加工的基础理论与实操能力要求。多轴机床联动轴运动关系及其命名讲解运动轴与联动轴定义，分析同侧及双侧旋转轴机床结构，掌握C+A、

B+C等主流配置命名规则。五轴联动加工工艺特点及适用领域梳理一次装夹、短刀具加工等核心优势，介绍在复杂曲面、叶轮及模具等领域的典型应用。五轴联动加工工艺规程设计方法涵盖毛坯处置、加工方法选择、工序顺序安排原则及粗精加工工艺要点，解析工艺文件编制案例。多轴高速加工的刀具选择与切削用量介绍高速切削理论基础，对比HSK与传统刀柄差异，讲解高速加工刀具系统选型及参数设置。0102030405知识目标•掌握多轴机床联动轴运动关系及其命名•理解五轴联动加工工艺特点及适用领域•了解五轴联动加工工艺规程设计方法•熟悉多轴高速加工的刀具选择与切削用量能力目标•能够对简单零件进行工艺分析和设计多轴加工工艺•能够编制五轴加工工序刀具卡•能够进行五轴零件的夹具选用和简单夹具的设计素质目标•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Y、Z、A、

B、

C等）。数控系统联动轴指在数控系统的控制下

，

可以同时协调动作的运动轴。其数目不仅取决于机床本身的物理结构

，还受限于数控系统的插补运算能力。案例：“九轴五联动”意味着该机床总共拥有

9

个可控运动轴

，但数控系统最多能控制其中

5

个轴同时进行插补运动。这是衡量高档

数控机床性能的关键指标。数控机床运动轴指可以实现直线或回转运动功能的单根轴。

设计专用机床时

，

可根据工艺需要配置任意数目的运动轴（如X、运动轴与联动轴基本概念典型同侧双旋转轴结构配置示意

(左:

B+C/右:C+A)结构布局特征两个旋转轴均处于机床运动部件的同一侧（如双摆头或双摆台结构）

。运动呈链式顺序传递

，结构紧凑

，

常见于各类五轴加工中心。定轴与动轴定义在运动传递链中

，

轴线方向始终保持不变的旋转轴称为定轴；轴线方向随定轴运动而发生改变的旋转轴称为动轴。命名与配置规则机床命名遵循

“定轴+动轴

”顺序。根据两轴线空间关系

，分为正交（如C+A）与非正交（如B+C）配置形式。同侧双旋转轴五轴机床混合结构特征采用

“主轴摆转

+单一转台

”

的混合配置

，

主轴刀具侧与工件工作台侧各具备一个回转运动轴

，

空间方向相对固定。命名规则逻辑此类机床非定动轴结构

，命名严格遵循

“先工件后刀具

”的顺序原则进行表述，便于区分运动传递链。主流配置形式常见的配置方式包括C+B、

C+A

及A+B

等形式

，结合了摆头与转台的优势，适应性强。双侧旋转轴五轴机床避免球刀极点零速切削。通过倾斜刀轴加大有效切削直径，提升切削线速度，改善表面

光洁度。短刀具提升精度侧刃加工提效率利用立铣刀侧刃紧贴锥形曲面加工，消除残留余量。相比球刀点接触，大幅提升去除率与加工效率。减少夹具使用，规避多次对刀误差。一次装夹即可完成除安装面外的全部特征加工，显著提升位置精度。减少刀轴悬伸与偏摆，降低断刀与弹性变形风险。利用短刀具的高刚性，实现深腔与陡壁的高质量切削。五轴联动加工核心优势总览一次装夹多特征加工倾斜刀轴避静点

五轴联动核心优势基准统一精度高：

一次装夹完成除底面外所有特征

，消除多次定位误差。

工艺链大幅缩短：

减少夹具数量与周转时间

，显著提升生产效率。灵活性强无死角：

刀轴姿态任意调整

，轻松应对壳体模具及斜孔加工。

传统三轴加工局限×

多次装夹误差累积：

零件翻转需重新找正

，基准转换导致位置精度下降。

工装成本高昂：

需设计多套专用夹具以适应不同加工面

，准备周期长。×

加工盲区存在：

无法加工倒扣及复杂角度斜孔

，需特殊刀具或后续工序。

五轴联动加工⽰意通过旋转轴调整刀具姿态

，有效避开工件干涉

，实现复杂特征的一次性连续加工。一次装夹完成全特征加工从“

多次翻转”

到

“

一次成型”

的工艺变革长刀具悬伸风险刀具悬出主轴越长

，刀轴偏摆量越大

，极易导致断刀风险增加，并因弹性变形引发加工表面的过切或欠切现象。工艺选型对比三轴加工深腔必须依赖长刀具；

而五轴联动通过调整刀轴姿态，可使用短刀具加工深长型腔或高陡峭壁，避开干涉。刚性与精度提升短刀具显著提高了切削系统的刚性

，有效抑制加工振动

，从而大幅提升零件的几何精度与表面光洁度。短刀具降低加工误差

切削线速度公式v.：切削线速度(m/min)：主轴转速(r/min)：有效切削直径(mm)

倾斜刀轴的切削优势将刀轴相对于工件表面法向倾斜一定角度（如10°~20°

),使切削接触点避开球头顶点

，利用较大直径区域进行切削

，显著提升线速度。

垂直加工的"静点"弊端球头铣刀垂直加工曲面时

，底刃中心点（球顶）

切削速度接近为0

，形成

“

静点切削”。此时刀具实为挤压材料而非切削

，导致表面质量差、

刀具磨损加剧。倾斜刀轴规避静点切削核心结论 球刀点接触加工切削原理：

理论上为单点接触

，切削线速度极低，易形成静点切削。局限性：为保证表面质量

，需极细密的步长

，导致加工效率低下且表面残留波纹明显。 底刃线接触加工切削特点：利用立铣刀底刃切削

，效率优于球刀但低于侧刃。工艺要求：要求底刃必须平直且与刀轴垂直

，否则易产生行间接痕，对刀具姿态控制要求较高。 侧刃线接触加工

核心优势：利用立铣刀侧刃紧贴曲面

，形成直线滚动切削。效果：

切削行距大

，无残留余量

。加工效率极

高，表面光洁度优异，同时显著提升刀具寿命。侧刃底刃加工提升效率

03多面体孔系件如汽车缸盖、变速箱体。五轴加工中心通过一次装

夹完成多个面的铣削与孔系加工

，

缩短生产周期

30%~70%

，保证位置精度。

05个性化零件面向3C产品、

医疗器械等定制化需求。利用高速钻

攻中心与五轴技术

，快速响应小批量、

多品种的复

杂零件加工，提升市场响应速度。

06柔性生产系统集成高速五轴加工中心构建FMS柔性线。适应中小

批量复杂产品的自动化生产

，实现设备的高利用率

与无人化值守加工。复杂曲面零件适用于航空发动机叶轮、

叶片及螺旋桨等。五轴联动可避免干涉

，解决三轴加工的

“盲区

”

问题

，一次成型，保证曲面精度与光洁度。

02大型结构件针对飞机横梁、框体等大型件。利用五轴机床进行轻、重载切削

，避免多次搬运与装夹带来的误差和成本，显著提升加工效率。

04模具成型部件用于深腔模具、侧抽芯等加工。替代传统电火花工艺

，实现复杂模腔曲面的整体切削

，

减少拼接

，缩短模具制造周期并降低成本。五轴联动加工适用领域毛坯确定与处置确定毛坯形状尺寸，设计组合毛坯与工艺余料；实施锻打、热处理及基准预切削等前期处置。粗精加工工艺安排粗加工高效去余量，半精加工均化余量，精加工分层分区域以确保最终表面质量。工序顺序安排遵循

“基面先行、先面后孔、先主后次、先粗后精

”

四大原则，合理规划加工路径。表面加工方法选择针对回转面、腔体沟槽及曲面型体选择合适方法；利用多轴联动简化工艺，提升精度与效率。五轴加工工艺规程设计总览

工艺规程设计全流程示意形状与尺寸确定原则原则上力求接近成品形状以减少加工量。规则外形选用型材（余量1-3mm）

，不规则或大批量生产选用铸锻件（余量3-7mm），兼顾经济性与工艺性。组合毛坯与工艺余料小件或薄件可采用组合毛坯加工后分割；

对不便装夹的零件

，设计工艺凸耳或辅助基准

，提供定位支撑

，主体加工完成后切除余料。毛坯前期处置流程铸锻件需进行退火、正火或时效处理以消除内应力；

基准表面需预先进行刨、铣或磨削

，

为后续高精度多轴加工提供稳定的装夹基准。毛坯确定与前期处置回转表面加工策略传统工艺需专用夹具进行车削或镗削。多轴加工可利用以铣代车策略

，

通过刀轴姿态调整

，

实现高精度异形回转面及倾斜孔系的加工，显著简化工艺流程并提升同轴度。复杂曲面型体铣削按粗、

半精、精加工分阶段实施。

五轴联动有效解决三轴加工盲区，利用立铣刀侧刃或底刃优化接触状态，消除静点切削，大幅提升曲面光洁度与加工效率。平面与腔体沟槽处理平面轮廓采用平底铣刀高效切削；深腔沟槽通过分层挖槽或螺旋下刀加工。对于斜坡面和锥面，利用五轴联动调整刀轴姿态角，无需专用角度夹具即可完成高精度铣削。零件表面加工方法选型五轴联动加工复杂曲面特写 先面后孔先加工平面

，再加工面上的孔。利用平面定位稳定

，

装夹方便；

同时避免在粗糙毛坯面上钻孔导致钻头引

偏，从而保证孔与平面的位置精度。 先粗后精对于精度要求较高的零件

，必须划分粗加工和精加工

阶段。粗加工高效去除余量

，精加工保证尺寸和表面

质量，这对刚性较差的零件尤为重要。 基面先行从毛坯开始

，先加工后续工序的精基准表面。例如箱

体零件

，通常先加工基准平面和定位孔

，再以

“一面

两孔

”为精基准加工其他表面，确保定位准确。

先主后次先加工主要表面（基准面、工作面）

，后加工次要表

面（键槽、螺孔等）

。次要表面的加工通常安排在主

要表面最终精加工之前，避免影响关键精度。 图示包含箱体与板类零件，其加工过程严格遵循上述原则以保证形位公差。工序顺序四大安排原则粗加工：高效去除余量采用平底或圆鼻铣刀

，

以大进给、大背吃刀量快速去除毛坯余量。核心在于分层加工均衡内应力

，

防止零件变形

，

并为后续工序留足余量。半精加工：均化加工余量修正粗加工后的轮廓误差

，使精加工余量小而均匀。重点保证精加工时零件具有足够刚性

，避免因余量不均导致的让刀或过切。精加工：确保表面质量遵循“由浅入深、分区域”原则（如叶面→

叶背→轮毂）

。使用球头刀进行小步距行切，确保最终尺寸精度与光洁度。五轴粗精加工工艺要点五轴联动加工中的分层逻辑与刀具路径规划图例：叶轮零件3D模型与加工特征典型五轴加工复杂曲面零件生产类型与工艺差异单件生产常采用圆棒料预车后进行五轴加工；

批量生产则多用精密铸造毛坯，仅需半精加工与精加工，显著简化工艺流程并提升效率。工序卡编制核心要点需精确规划工步顺序

，从流道开粗、

叶片半精加工到清根与精加工

，合理安排走刀路径，确保刀路连续顺接，减少抬刀次数。工艺参数设计方法依据叶轮曲面特征选用锥度球头刀

，通过计算有效切削直径设定转速与进给，控制侧吃刀量与残留高度，保证表面质量。五轴加工工艺文件案例 高速切削定义高速切削并非单纯指高切削速度

，

而是指在高转速和高进给下的高效铣削加工工艺。切削速度公式T

·D

,nV=

'

:线速度,De:有效切削直径,:

转速进给速度公式F=n·

z·fzF

:进给速度,:齿数,:每齿进给量

理论依据：小切深实现高效率小切深/行距

有效直径减小QP↓

De$高速加工概念与理论基础图示：球刀切削时的有效切削直径(注

：在保持切削线速度进给速度提高转速升高Fn

核心优势

(Pros)

高效率与高质量单位金属去除率提升30-40%，切削力降低30%，热

变形极小。

工艺适应性强适合薄壁零件加工，可直接对淬硬材料进行精加工。 绿色制造利于实现干切削，延长刀具寿命，减少切削液使用。

局限与风险

(Cons) 机床磨损加剧频繁的急剧加减速易造成导轨、丝杠和轴承的早期磨

损。 技术门槛高工艺调试费时，对CAM刀路策略及操作者技能要求极

高。 安全隐患大断刀飞溅风险高，需配备高强度安全防护及防碎片

盖。高速切削过程中的切屑形态与飞溅刀具系统HSK/高动平衡加工技巧针对性切削策略CAM系统专用刀轨生成高速通信1GB+数据传输控制技术高速插补运算机床设计电主轴/直线电机高速加工优缺点与必备要素

高速加工六大必备要素隙），显著提升连接刚性与重复定位精度。先进夹紧技术：热装与液压热装刀柄利用热膨胀差实现高同轴度强力夹持；液压刀柄通过油腔膨胀夹紧

，具备优异的吸振性能

，可有效改善切削受力状况并延长刀具寿命。HSK-E32

规格与选型标准专为高速加工设计

，不带键槽以保证绝对动平衡。选型需严格匹配主轴接口尺寸

，并根据转速范围（如>20,000

r/min）

及切削负荷选择筒夹或热缩系列。接口技术革新：

HSK

vs

7:24传统7:24刀柄高速下主轴孔膨胀导致间隙

，

刚性下降。

HSK刀柄采用1:10空心短锥结构

，利用离心力实现端面与锥面双重定位（零间高速加工专用刀具系统机床结构掌握多轴机床联动轴关系

及其命名规则加工优势理解一次装夹、短刀具及侧刃切削的核心价值工艺设计熟悉工艺规程设计方法与工序安排原则

理论指导实践

，

工艺创造价值

，持续提升多轴加工技能多轴数控加工工艺分析

|智能决策课程组高速加工运用高速加工切削理论与专用刀具系统课

程总结多轴加工工艺分析

教

师：

[教师姓名]日

期：202X年X月01

工件自由度与六点定位原则02

不完全定位、

欠定位和过定位03

工件常见定位方式04

五轴机床夹具选用指南C

O

NT

E

N

T

S课程目录位置自由度工件可沿x、y、z轴自由移动，分别用、、表示，决定了工件在空间中的位置。角度自由度工件可绕x、y、z轴自由旋转，分别用、、表示，决定了工件在空间中的姿态。自由度组合工件的六个自由度Y 六点定位原则核心定义工件在空间直角坐标系中具有六个自由度：沿X,Y,Z轴的移动自由度(X,Y,Z)和绕X,Y,Z轴的转动自由度(X,Y,Z)。

六点定位原则是指在生产应用中

，

由合理分布的六个支承点

，分别限制工件的这六个自由度

，使工件相对于刀具和机床占据正确位置的法则。 定位元件实际夹具中，定位元件（如支承钉、支承板）具体实现

了理论上的

“点

”。活动钳口主要起夹紧作用，不计入六

点定位。 平口钳装夹固定钳口相当于侧面2个支承点；平行垫铁提供底面3

个支承点；

挡料钉作为第6个点限制移动自由度。 定位原理展示三维坐标系下工件的六个自由度。底面3点限制Z,X,Y,侧面2点限制六点定位原则及应用实例 定位逻辑：铣槽案例

完全定位若加工不通槽，需限制槽深、槽宽及槽长方向位置，工件的六个自由度必须全部被限制。

按需限制若加工通槽，沿槽长方向的移动自由度无需限制，此时为合理的不完全定位。 典型应用：车削通孔

不完全定位定义工件被限制的自由度少于六个，但完全满足本工序加工技术要求的定位方式。

自由度分析三爪卡盘装夹长棒料车削通孔时，仅限制了移动X,Y和转动

飞r

飞r完全定位与不完全定位"

过定位

(Over-positioning)定义：工件的同一自由度被两个以上不同的定位元件重复限制的定位。危害：通常不允许。易引起干涉冲突，导致定位不稳定或变形。如内孔与端面同时定位时，垂直度误差会导致接触不良。

欠定位

(Under-positioning)定义：根据工件加工技术要求，应该限制的自由度而没有被限制的定位状态。危害：绝对不允许。无法保证加工精度。例如钻孔时若在×方向未设置定位挡销，孔到端面的距离就无法保证。欠定位与过定位的禁忌说明常规禁忌与风险通常情况下

，过定位会导致定位元件与工件发生干涉

，造成定位不稳定或工件变形。例如内孔与端面同时定位时

，若垂直度误差大

，将导致接触不良。合理应用的条件当工件定位面与夹具元件（如芯轴与凸台）

的垂直度精度很高

，

或两者在一次装夹中加工完成时

，微小的垂直度误差可由配合间隙补偿

，此时允许过定位。应用优势分析在满足垂直度要求的前提下

，采用芯轴配合端面定位（形式上的过定位）

，能显著提高定位刚度与稳定性，改善夹具受力状态，提升加工精度。过定位的特殊合理应用球头支承钉适用于未加工的粗糙平面。头部设计为球面，与工件表面呈点接触，能适应毛坯表面不平整的情况，保证接触

稳定。平头支承钉适用于已加工的平整表面。头部为平面，与工件呈面接触，接触面积大，单位压力小，耐磨性好，定位精度高。

自位支承适用于毛坯表面粗糙、

阶梯面或需增加刚度的场合。特点：支承点随工件表面自动浮动调

整，两点或多点接触仅限制一个自由

度。 可调支承适用于毛坯尺寸变化较大或需分批调整的粗基准。特点：高度可调节，调整到位后通过螺母锁紧，作用等同于固定支承。工件以平面定位的元件选择粗基准精基准圆柱销通常限制工件2个自由度。

圆锥销可限制3个自

由度

，

具有自锁性且定心精度高

，

常用于精定位基

面。为防止工件倾斜

，

圆锥销常与平面或其它元件组

合使用。锥度部分确保工件准确定心

，

圆柱部分有效减少工件

倾斜。这种组合定位方式综合了两者优势

，

限制了工

件五个自由度，显著提高了装夹刚度与定位稳定性。03

间隙配合芯轴定位部分直径按h6、

z6或f7制造。优点是装卸工件

方便快捷；缺点是定心精度受配合间隙影响较大。通

常需配合端面定位以保证垂直度

，适用于精度要求一般的场合。工作部分按r6制造

，包含导向部分以便于装入。结构

简单且定心精度极高

，消除了配合间隙误差。但装卸

工件较为困难

，

常用于对同轴度要求较高的精加工工

序。工件以内孔定位的销与芯轴02

圆锥与圆柱组合芯轴01

圆柱销与圆锥销04

过盈配合芯轴定位套(Locating

Sleeves)属于定心定位元件，

包括短定位套

、

长定位套和锥套。短定位套限制2个自由度

，长定位套限制4个自由度，常用于精基准定位。定心夹紧元件如三爪自定心卡盘、弹簧夹头等

，在限制自由度的同时兼具夹紧作用。开口套环与软爪结构能使夹紧力均匀分布，适合薄壁件。V形块

(V-blocks)具有优良的对中性

，定位基准轴线始终在V形块对称面上。短V形块限制2个自由度

，长V形块限制4个自由度，适用于完整或局部圆柱面。