多轴加工技术（技术培训）

多轴加工技术多轴加工基本概念二可变轴轮廓铣及五轴等高加工四3三前言3一曲面流线加工六可变轴曲面加工的刀轴矢量控制投影的概念及原理3五主要内容一、前言

航空发动机作为飞机的心脏，与飞机上其他零部件有着截然不同的结构特点，其零部件种类可分为轴类、盘类、叶片类、机匣类和壳体类等。轴类和盘类零件基本属于回转体类零件，它们的机械加工主要通过车削加工成形；叶片类、机匣类和壳体类零件主要通过铣削进行机械加工成形。高性能——广泛应用新型难加工材料1轻量化——大量采用整体薄壁结构2精密化——加工精度不断提高3高效化——加工速度与效率4可靠性和经济性——工艺、加工质量和成本5航空发动机零部件生产制造的特点

新一代装备数控加工必须直面这些挑战，在数控工艺中有正确的思路，抓住重点，突破关键工艺技术，才能保证产品的加工质量和效率。高速数控机床与高速切削技术成为主流1多轴联动与复合化数控加工需求增多1·2加工仿真从数值仿真向动力学仿真发展3数控装备与加工工艺及切削数据库结合4数控加工技术应用的主要趋势

UG软件作为当今先进的CAD/CAM软件，无论是建模还是编程都具备强大的功能，广泛应用在航空发动机的设计和制造过程中。可以完成平面铣、固定轴、多轴铣、车加工等多种类型的数控程序的编制。目前该软件的编程方法已经在众复杂零件研制过程中得到应用，对于完成零件的研制任务发挥了积极作用。二、多轴加工基本概念可变轴加工是相对于固定轴加工而言，指在加工过程中，刀轴的轴线方向可变，即可随着加工表面的法线方向不同而相应改变，从而改善加工过程中刀具的受力情况，放宽对加工表面复杂性的限制，使得原来用固定轴加工时为陡峭的表面变成非陡峭表面而一次加工完成。固定轴加工指刀轴或工件的方位是固定的且不会在加工操作过程中发生变化多轴加工意味着至少一条旋转轴参与切削动运,但使用多轴机床并不一定意味着旋转轴一定与其它轴联动在许多情况下,旋转轴的作用是对刀具或工件进行定位,然后进行固定轴加工,例如：大部分机械零件、发动机壳体,齿轮箱、模具加工多轴加工的优点减少了零件装夹次数，减少定位误差，缩短了辅助时间。可以加工三轴加工无法加工的区域。可以用更短的刀具实现零件的加工。可以用堆度刀代替圆柱刀进行零件的加工。改善切削条件，提高加工效率。多轴加工机床的种类和配置C型(CFrame)龙门铣(Gantry)双转台(DualRotaryTable)双摆头(DualSwivelingHeads)转台+摆头(TableHead)非正交型(Non-Orthogonal)车铣复合(Turn–Mill)1、C型转台–摆头式配置工作台只绕C轴转动适合轻型及中等重量工件工件移动范围最小化各轴累加的负面效果最小化主轴头当主轴绕Y轴摆动时,工作台需要额外的X方向移动刀具越长,需要的额外X向移动距离越大存在刀长问题XZ2、双转台式工作台可绕两旋转轴旋转适合轻型工件存在工作台累加及精度问题削减机床刚性当发生转动时,需要额外的X,Y及Z轴的线性移动工件设定需要考虑的因素线性轴行程的极限位置移动部件间的碰撞刀轴方向始终与线性轴(Z轴)平行适合刀轴需要频繁来回移动的切削场合,例如钻孔及攻丝BCXZ非正交,B轴在YZ平面内并成45度夹角3、双摆头式工作台可绕两旋转轴旋转适合大型工件工件设定容易需考虑刀长因素4、龙门式双摆头,三主轴适合巨型工件,重型作业可同时加工三个工件需考虑刀长因素5、非正交结构机床两旋转轴成45度夹角。非正交双旋转工作台结构机床。非正交单旋转工作台、单旋转主轴头结构机床。加装工作台好的零活性旋转轴累加于线性工作台上必须确保安装及设定的精确需考虑为安装移动控制单元预留额外的空间旋转工作台制造商可能与机床制造商不同.因此需要理解线性轴与旋转轴如何实现同步6、车铣复合消除了在车床及铣床上分别加工所需要的多步设定操作适用于以车削为主的加工铣削操作可能没有铣床更加高效根据加工工件的特性选择合适的机床多轴加工机床的使用方式多轴定位加工在进行零件的加工时，旋转轴先转到一固定方位，然后进行实际切削，此时旋转轴不运动。切削完成后，旋转轴再转到另一固定方位，进行另一方位的实际切削。多轴联动加工在零件的实际切削过程中，至少有一个旋转轴同时参与了X、Y、Z轴的运动。包括轮廓加工和顺序铣加工方法。三、可变轴轮廓铣及五轴等高加工

(VariableContour&5AxisZ-Level)可变轴轮廓铣ContourProfile操作可以通过设定Floor和Wall来产生一个直纹面侧壁的加工操作，使用刀具侧刃作为切削刃。在选择Floor后，NX可自动推断出Wall。也可以不选择自动推断出的Wall面，而手工指定需要加工的Wall。刀具轴稳定持续变化可保证加工刀路平稳。可变轴轮廓铣自动壁识别(AutomaticWall)侧倾角(Tiltangle)底部轮廓跟踪(FollowBottomWall)轴向向下偏置(Offset)自动辅助底面(AutomaticAuxiliaryFloor)(Perpendiculartotheaccessvector)及参考自动辅助底面进行径向及轴向多刀切削指定辅助底面及参考指定的辅助底面进行径向及轴向多刀切削自动辅助底面与指定辅助底面组合使用轴向偏置与辅助底面的组合使用轴向偏置与自动辅助底面的组合使用00五轴等高加工(FiveAxisZlevel)刀轴自动倾角(C)的计算基于:最大壁高(A)及最小间隙(B)最大壁高设为

10最大壁高设为50最大壁高设为1最大壁高设为

2最大壁高设为3自动刀轴摆角的计算五轴等高铣的刀轴矢量控制方式从工件离开从点离开朝向点从曲线离开朝向曲线拐角控制方式刀位点在XY平面上距驱动曲线最近的2D距离决定刀轴方向.侧倾角选项控制刀轴相对于加工座标系Z轴的角度NX刀轨投影示意图四、投影的概念及原理物理世界中存在的投影方法物理世界中常见到三类光源，即点光源（如日光灯泡），线光源（日光灯管）和平行光源（如太阳照射地球情况下，太阳光源）。相应的在NX软件中，我们也将按照上述的概念来讲解这三类光源的投影方法以及较特殊的一类环绕光源类。点光源类：Awayfrompoint，Towardspoint线光源类：Awayfromline，Towardsline平行光源类：SpecifyVector，Toolaxis（很难定义属于那一类，暂时按定轴考虑将它归类在平行光源类）环绕光源类：Normaltodrive,Towardsdrive（较特殊）投影原理

ProjectionvectorcontactPoint

outputPointPointsoutof:curves

BoundarySurface

Tool

Projectionvector

ToolAxis

DrivePoint

Machiningside

NX通过指定的驱动方法创建内部驱动点.然后再将驱动点沿着指定的投影向量向零件投影直于刀具到达零件表面!进而产生最终刀具位置来输出刀尖座标点!如果没有零件被指定,将不会产生投影投影向量始终指向被加工工件的一侧!刀轴矢量始终与投影方向相反(相对于零件面)刀轴矢量可被单独控制刀尖中心始终位于投影矢量上点光源类远离点朝向点对于本例为了明显的讲解投影方法我们规定刀轴方向为NormaltoPart，此时的刀轴方向就是投影方向的反方向。线光源远离直线朝向直线对于本例为了明显的讲解投影方法我们规定刀轴方向为NltPt此时的刀轴方向就是投影方向的反方向。平行光源指定矢量&刀轴方向对于本例为了使得平行光源投影效果明显，将在一个斜面上距离，行距的变化将反映投影刀轨和实际刀轨之间的因投摄的矢量造成效果。环绕光源垂直于驱动朝向驱动对于上述两种投射方法仅仅在Surfacearea驱动方法中存在，不建议区分NormaltoDrive和TowardsDrive方法，凡是在NormaltoDrive不能生成合理刀轨时，即采用TowardsDrive，因此对于一般客户推荐采用TowardsDrive方法。投影原理的具体应用情形驱动点投影到零件表面驱动路径沿与投影向量相同的方向投影投影向量的方向决定零件的加工侧朝向线投影向量离开线投影向量投影原理的具体应用情形(续)警告:当心:当使用从点发散或从线发散作为投影向量时,从工件表面沿投影向量到焦点或焦线的最短距离必须大于刀具半径,如下图所示.刀具末端必须能够沿着投影向量定位到焦点或沿着焦线的任何地方而不过切零件刀具不会过切零件面当刀具沿着投影向量从焦线向零件表面定位时,刀具过切零件表面投影选项固定投影向量,I,J,K分量的值分别为

0,0,-1固定投影向量,由一已存在直线定义固定投影向量,由两点定义固定投影向量,由相切于曲线定义固定投影向量,由球座标定义由刀轴定义的投影向量投影选项投影选项从点向外发散投影向量聚向点投影向量从线向外发散投影向量朝向线投影向量正交于驱动面投影向量SwarfRuling投影向量正确设定投影矢量的建议驱动样式本身并非刀轨.驱动样式点必须沿投影向量投影至零件表面才能产生刀轨.投影向量的选择对于产生高质量的刀轨是至关重要的.建议如下:在投影向量与目标曲面不会平行时的情况下,使用ToolAxisorSpecifyVector选项当有很多加工面的组合,使用单一向量无法产生足够的角度覆盖所有曲面时,使用AwayfromPoint,TowardPoint,andAwayfromLine,TowardLine选项确保你所选择的点或线的位置满足:当从或向所指定的点或线投影时,刀具能够到达整个加工区域进行切削.当使用离开方式时,确保在刀尖位于指定的点或线时,刀具不会过切工件.当加工型腔时,使用

AwayfromPoint

或

AwayfromLine.当加工型芯时,使用

TowardPoint

或TowardLine.

以上选项不依赖于驱动曲面的法线矢量,在刀具半径大于零件的上某些特征(如拐角半径,角落等)的情况下,适于使用这些选项

当驱动曲面的法线矢量被很好的定义且变化非常光顺时,使用NormaltoDrive

及

TowardDrive选项.使用加工TowardDrive型腔,使用NormaltoDrive加工型芯.在刀具半径大于驱动面的上某些特征(如拐角半径,角落等)的情况下,不适于使用这些选项五、曲面流线加工（Streamline）原理流线加工驱动几何指定Flowcurves和Crosscurves驱动几何线，由上述曲线生成驱动面，产生分布驱动点。曲面流线加工（Streamline）原理（续）1.在选择了CutArea后，Automatic时下，系统会根据所选区域自动推断产生Flow和Crosscurves；在推断产生的Flow和Crosscurves不适合时，可手工指定。手工指定时，每添加一条新的Flow或Crosscurve前，需要单击AddNewSet。2.CutDirection中提供了可供选择的8个切削方向，只需选择相应的箭头，即可确保走刀方向。3.使用百分比的形式设定加工区域。通过指定Flowcurves和Crosscurves来创建一个放样或网格曲面作为驱动曲面去加工待加工的区域。在曲面UV网格不均匀时，其刀轨质量仍然可以保持较好。曲面流线加工用途曲面流线刀轨示例(1)Awayfrompoint (2)Towardpoint(3)Awayfromline (4)Towardline Relativetovector(6)NormaltoPart (7)RelativetoPart (8)4-AxisNormaltoPart(9)4-AxisRelativetoPart

Dual4-AxisonpartInterpolateSwarftoDriveNormaltoDriveRelativetoDrive4-AxisNormaltoDrive4-AxisRelativetoDriveDual4-AxisonDriveOptimizedtoDrive

SameAsDrivePath

UserFunction六、可变轴曲面加工的刀轴矢量控制从焦点向外发散

(AwayfromPoint)刀轴矢量方向为从焦点指向刀柄聚向焦点

(TowardPoint)刀轴矢量方向为从刀尖指向焦点边界驱动刀具:B30R15-220-290深度方向多刀切削焦点以WCS指定安全几何与焦点相同从焦线向外发散

(AwayfromLine)刀轴位于与焦线垂直的平面上,沿焦线方向刀轴相互平行FocalLineFocalline聚向焦线

(TowardLine)刀轴方向起始于刀尖并指向焦线,沿焦线上任一位置的刀轴相互平行相对于向量(RelativeVector)FixedToolAxisDefinedbyEndPointofanExistingLineFixedToolAxisDefinedbyTwoPointsFixedToolAxisDefinedbyTangenttoCurve此选项允许相对于一给定矢量定义刀轴矢量包括导引角及侧倾角侧倾角定义刀具向切削方向一侧倾斜的角度正值

=向右边倾斜负值

=向左边倾斜

导引角定义刀具在切削方向上向前或向后倾斜的角度正值

=向前倾斜负值

=向后倾斜FixedToolAxisUsingI,J,KValues0,0,1FixedToolAxisDefinedbySphericalCoordinatesV1接触点法向矢量接触点沿切削方向的切向矢量V2P1P2侧倾角导引角与刀轴矢量控制相关的角度刀轴矢量控制的几点注意事项控制刀轴光顺变化避免法矢突然变化避免切削方向突然变化若已指定导引角(LeadAngle)对于曲面驱动方法建议使用Zig,orZig-ZagwithLift切削方式建议使用Dual4-axisRelative

刀轴方式用于

Zig-Zag往复切削方式对于边界驱动方法对所有刀轨加倒圆粗加工使用负的导引角将会产生钻削效果,应避免确定理想刀具位置的元素在每一驱动点上,CAM处理器始终维持刀尖位于投影向量上刀具沿投影矢量向下移动,并寻找合适的接触点.在此接触点,刀轴矢量与面的法线矢量所成的角度满足导引角及侧倾角的要求如果发生过切,则尝试其它求解正交于工件(NormaltoPart)在零件上任意位置处的刀轴矢量正交于零件几何.请留意!建议不要使用零件几何作为刀轴控制几何,除非情况必须如此相对于工件(Relativetopart)导引角及侧倾角导引角为20度,侧倾角为0与正交于工件相似,但可以指定导引角及侧倾角四轴正交于工件(4AxisNormaltoPart)必需指定一旋转轴,可以指定旋转角度刀轴矢量始终与指定的旋转轴垂直可指第四轴的旋转角Rotatethetoolaxisclockwise(-)orcounter-clockwise(+)abouttheRotationAxisSimilartoLeadAngle,butwithnoregardtocutdirection–alwaysonthesamesideofprojectednormalvector四轴相对于工件(4-AxisRelativetoPart)与四轴正交于工件相似,但可以指定导引角及侧倾角双四轴于工件(Dual4-AxisonPart)仅适用于Zig-Zag切削模式

与四轴相对于工件相似,但对ZIG及ZAG切削方向的刀轨,可分别单独定义刀轴矢量参数步距间移动时,刀轴矢量从前一条刀轨的结束状态改变为下一条刀轨的开始状态为ZIG及ZAG切削方向的刀轨分别定义正及负的导引角,可以减小刀轴矢量在步距间移动时的变化幅度ZIG及ZAG方向切削条件不一致,将导致:

若不指定旋转轴,则会产生五轴刀轨

若ZIG及ZAG切削方向刀轨的旋转轴不一致,则步距运动将产生不同于四轴ZIG及ZAG往复切削的五轴刀轨四轴刀轴矢量控制方式向量插补(Interpolate)最零活的刀轴控制方法,适用于曲线及曲面驱动允许对位于每一个定义点处的刀轴矢量进行控制

插补方法:线性–各数据点之间的刀轴矢量呈常量变化

三次方曲线–各数据点之间的刀轴矢量呈非线性变化

光顺–刀轴矢量在所有数据点之间光顺变化选择正确的插补选项RelativeVectorVectorVectordisplaygoodforpreview,butresultnotdesirableMorelocationsdefined,resultstillnotdesirablePoorvisualpreview,butgeneratedesirableresult线性及三次方刀轴插补方法图解LinearCubicNoticetheslopeateachdefininglocation正交于驱动面(Normaltodrive)刀轴矢量与驱动面正交.如果没有零件面被选取,则刀轨直接产生在驱动轴面上!注意检查可能发生的碰撞刀轴矢量正交于驱动面刀轴直接产于驱动曲面上SwarfDrive控制刀轴矢量遵循驱动曲面的直纹等参线刀具侧刃切削驱动曲面,刀尖切削零件曲面若刀具是非斜度刀,则刀轴矢量与驱动面直纹线方向平行.否则,刀轴矢量与直纹线成一角度,但与直纹线共面.驱动面导引刀具侧刃,零件面导引刀尖通过指定侧倾角,可以使刀具偏离被选取的驱动面个一角度注意:如果选取了零件面,则刀轨将被投影!这时需要注意选取正确的投影方向SwarfDrive

RulingTypeConicalSurfacethatistrimmedGridofTrimRulingBaseUVRulingTiltingDuetoTriangulardrivesurfaceUncutMaterialDuetoCornerSwarfTiltAngle相对于驱动面(Relativetodrive)四轴正交于驱动(4AxisNormaltoDrive)与四轴正交于工件工作原理相同,但刀轴矢量保持与驱动面正交只适用于曲面驱动方法四轴相对于驱动(4-AxisRelativetoDrive)与四轴相对于工件工作原理相同,但刀轴矢量之导引角及侧倾角参考驱动面法线方向只适用于曲面驱动方法双四轴于驱动(Dual4-AxisonDrive)与双四轴于工件工作原理相同,但刀轴矢量之导引角及侧倾角参考驱动面法线方向只适用于曲面驱动方法刀轨投影(SameAsDrivePath)PlanarMill,ProfileCutSameAsDrivePath用户自定义(UserFunction)优化于驱动(OptimizedtoDriveSurface)优化于驱动(OptimizedtoDrive)刀轴控制方法根据驱动几何的曲率自动匹配刀轴导引角.在外凸区域,NX维持小的导引角以切除更多材料.在内凹区域,NX自动增大前倾角以防止刀具后跟部过切驱动几何.同时也保持前倾角尽量小以防止刀具前端过切驱动几何只适用于曲面驱动方法ToolleadanglematchedtodrivegeometryrequirementsA=cuttertoe,B=cutterheel,C=heelgougingD=foreheadofcuttergouging,E=drivegeometryMin.heelclearanceMaxleadangle优化于驱动(OptimizedtoDriveSurface)选项OptimizedtoDrive

选项描述MinimumHeelClearanceDistance最小跟部安全距离希望刀距后跟部避开驱动几何的最小距离MaximumLeadAngle最大前倾角使用

最大前倾角定义除了由于过切避让的原因之外而需要避让时,允许的最大前倾角度.NX自动执行过切避让(选项)注释:建议此选项缺省为关.以允许NX自动决定优化的方案NominalLeadAngleUseNominalLeadAngletospecifythepreferredleadangletooptimizethecuttingconditionforreasonsotherthanoptimalmaterialremoval.OptimizedtoDriveautomaticallyoptimizesmaterialremoval.(optional)