高速切削与五轴联动加工技术

前言

第一章 概述

第一节 数控技术的现状及发展趋势

一、数控技术的基本概念和特点

二、数控技术的发展

三、数控设备的发展

四、数控技术的现状

五、数控技术的发展趋势

第二节 高速加工技术的现状及发展趋势

一、高速加工的基本概念

二、高速加工技术的发展过程

三、高速加工技术的研究现状

四、高速加工技术的发展趋势

第三节 五轴数控加工技术的现状及发展趋势

一、多轴加工的基本概念和过程

二、四轴联动加工的特点

三、五轴联动加工的特点

四、五轴加工技术的应用现状

五、五轴加工技术的发展与未来

第二章 高速加工技术及应用

第一节 高速加工数控系统

一、高速加工数控系统的组成

二、高速加工对数控系统的要求

三、高速数控系统介绍

第二节 高速加工数控机床

一、高速加工数控机床的特点

二、高速车铣床

三、高速加工中心

四、典型高速机床厂家介绍

第三节 高速加工数控机床的关键技术

一、概述

二、电主轴技术

三、高速加工系统的控制技术

四、高速进给控制技术

第四节 高速加工工艺

一、高速加工的工艺特点

二、各种材料的高速切削工艺

三、高速加工数控编程的工艺特点

第五节 高速加工刀具

一、高速加工对刀具的要求

二、高速加工刀具的分类及选择

三、高速刀具的装夹

四、著名高速刀具厂家介绍

第六节 高速加工技术的应用

一、高速加工技术的应用特点

二、高速加工技术在汽车制造中的应用

三、高速加工技术在航空航天工业中的应用

四、高速加工技术在模具制造业的应用

第三章 五轴联动加工技术与应用

第一节 五轴联动数控机床在装备制造业中的重要地位

第二节 五轴联动数控机床的结构特点

一、概述

二、五轴机床旋转轴结构

第三节 五轴联动数控系统的特点

第四节 五轴联动加工技术的应用

一、五轴联动机床与CAM软件的结合

二、五轴联动加工技术在航空航天领域的应用

三、五轴联动加工技术在模具制造业的应用

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

一、高速加工编程与普通加工编程的区别

二、高速加工切削参数的合理设置

第二节 多轴数控加工的工艺

一、多轴数控加工工艺特点

二、常用刀具选择及工艺安排

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

二、五轴机床的工件坐标系的建立

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

二、二维刀具长度补偿与三维刀具长度补偿

三、在CAM软件中的刀具补偿

四、在四轴、五轴数控系统中的刀具补偿

第五章 高速及多轴数控编程软件

第一节 高速及多轴编程软件简介

第二节 UG在五轴联动加工中的应用

一、UG界面简介

二、UG多轴刀具轴线的控制方法

第三节 Power MILL在高速及五轴联动加工中的应用

一、Power MILL软件使用简介

二、Power MILL高速加工选项

三、Power MILL多轴刀具轴线控制

第六章 多轴数控编程软件的后置

处理

第一节 刀具路径与NC程序

一、刀具路径和刀轨文件

二、：NC程序

三、后置处理

第二节 后置处理器的设置

一、UG后置处理器的设置

二、Power MILL后置处理器的设置

第三节 后置处理过程

一、UG后处理过程

二、Power MILL后处理过程

第七章 高速切削加工实例

第一节 螺旋薄壁零件加工实例

一、螺旋薄壁零件加工工艺分析

二、利用：Power MILL软件生成加工程序

第二节 深槽大去除余量零件的加工实例

一、深槽大去除余量零件的加工工艺分析

二、利用Power MILL软件生成加工程序

第三节 兔子凸模加工实例

一、兔子凸模的加工工艺分析

二、利用Power MILL软件生成加工程序

第八章 四轴联动加工实例

第一节 空间凸轮加工实例

一、空间凸轮加工工艺分析

二、利用UG软件生成加工程序

三、空间凸轮实际加工过程

第二节 柱面图案加工实例

一、柱面图案加工工艺分析

二、利用UG软件生成加工程序

三、柱面图案实际加工过程

第九章 五轴联动加工实例

第一节 多面体加工实例

一、多面体零件加工工艺分析

二、利用UG软件生成加工程序

三、多面体零件实际加工过程

第二节 球面刻字加工实例

一、球面刻字加工工艺分析

二、利用UG软件生成加工程序

三、球面刻字实际加工过程

第三节 叶轮加工实例

一、叶轮各部分曲面分层放置

二、叶轮粗加工

三、叶轮精加工

四、叶轮的实际加工过程

第十章 综合加工实例

第一节 维纳斯雕像加工实例

一、维纳斯雕像加工工艺分析

二、利用CAM软件生成加工程序

三、实际加工过程

第二节 老爷车模型加工实例

一、老爷车模型加工工艺分析

二、利用CAM软件生成加工程序

三、实际加工过程

参考文献2100433B

《高速切削与五轴联动加工技术》从高速与五轴联动加工技术应用的角度全面系统地介绍了与先进的高速与五轴联动加工技术相关的理论基础、关键技术、数控系统、数控机床、CAM编程技术，主要内容包括高速加工技术及应用、五轴联动加工技术与应用、高速切削与五轴联动加工编程软件及编程基础、多轴数控编程软件的后置处理、高速切削加工实例、四轴联动加工实例、五轴联动加工实例以及综合加工实例。《高速切削与五轴联动加工技术》内容安排上先理论，后实例，先简单、后复杂，尤其是从第七章 开始的实例讲解，循序渐进，过程完整，读者按照书中的步骤就能轻松完成实例的编程和操作，轻松掌握高速加工与五轴联动加工技术。

《高速切削与五轴联动加工技术》可作为各类大学和高职高专院校机械类专业学生的教材和教师的参考书，也可以作为企业工程技术人员的参考书。

超高速切削技术是切削加工的发展方向，也是时代发展的产物。高速切削技术是切削加工技术的主要发展方向之一，它随着CNC技术、微电子技术、新材料和新结构等基础技术的发展而迈上更高的台阶。然而，高速切削技术自身也存在着一些急待解决的问题，如高硬度材料的切削机理、刀具在载荷变化过程中的破损、建立高速切削数据库、开发适用于高速切削加工状态的监控技术和绿色制造技术等。高速切削所用的CNC机床、刀具和CAD/CAM软件等，技术含量高，价格昂贵，使得高速切削投资很大，这在一定程度上制约了高速切削技术的推广应用。高速切削的高效应用要求机床系统中的部件都必须先进，主要表现在以下几个方面：

(1)机床结构的刚性

要求提供高速进给的驱动器(快进速度约40m/min,3D轮廓加工速度为10m/min),能够提供0.4m/s2到10m/s2的加速度和减速度。

(2)主轴和刀柄的刚性

要求满足10000r/min到50000r/min的转速，通过主轴压缩空气或冷却系统控制刀柄和主轴间的轴向间隙不大于0.0002英寸。

(3)控制单元

要求32或64位并行处理器，具有高的数据传输率，能够自动加减速。

(4)可靠性与加工工艺

能够提高机床的利用率（6000h/y）和无人操作的可靠性，工艺模型有助于对切削条件和刀具寿命之间关系的理解。

常见国内外高速加工中心的代表如表1所示。与传统普通数控机床相比，其机床结构、加工速度和性能表现更加优秀，如德国的DMC85高速加工中心，采用直线电机和电主轴，其主轴转速达到30000r/min，进给速度达到120m/min，加速度超过1g（重力加速度）。高速机床要求高性能的主轴单元和冷却系统、高刚性的机床结构、安全装置和监控系统以及优良的静动力特性等，具有技术含量高、机床制造难度大等特点。国内的高速机床，其性能与国外相比还存在一定的差距 。

高速切削之所以得到工业界越来越广泛地应用，是因为它相对传统加工具有显著的优越性，具体说来有以下特点：

（一）生产效率有效提高。

高速切削加工允许使用较大的进给率，比常规切削加工提高5～10倍，单位时间材料切除率可提高3～6倍。当加工需要大量切除金属的零件时，可使加工时间大大减少。

（二）至少降低30%的切削力。

由于高速切削采用极浅的切削深度和窄的切削宽度，因此切削力较小，与常规切削相比，切削力至少可降低30%，这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形，使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能。

（三）加工质量得到提高。

因为高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的固有频率，不会造成工艺系统的受迫振动，保证了较好的加工状态。由于切削深度、切削宽度和切削力都很小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的精确性，也使得切削破坏层变薄，残余应力小，实现了高精度、低粗糙度加工。

从动力学角度分析频率的形成可知，切削力的降低将减小由于切削力产生的振动（即强迫振动）的振幅；转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的固有频率，避免共振的发生；因此高速切削可大大降低加工表面粗糙度，提高加工质量。

（四）降低加工能耗，节省制造资源。

由于单位功率的金属切除率高、能耗低以及工件的在制时间短，从而提高了能源和设备的利用率，降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例，符合可持续发展的要求。

（五）简化了加工工艺流程。

常规切削加工不能加工淬火后的材料，淬火变形必须进行人工修整或通过放电加工解决。高速切削则可以直接加工淬火后的材料，在很多情况下可完全省去放电加工工序，消除了放电加工所带来的表面硬化问题，减少或免除了人工光整加工 。

高速切削加工技术是21世纪的一种先进制造技术，有着强大的生命力和广阔的应用前景。通过高速切削加工技术,可以解决在汽车模具常规切削加工中备受困扰的一系列问题。在美国、德国、日本等工业发达国家高速切削加工技术在大部分的模具公司都得到了广泛应用，85%左右的模具电火花成形加工工序已被高速加工所替代。高速加工技术集高效、优质、低耗于一身，已成为国际模具制造工艺中的主流。

通过国内外汽车模具制造行业的高速切削加工技术实践应用，高速切削加工技术具有如下优势：

一、高速切削加工提高了加工速度

高速切削加工以高于常规切削10倍左右的切削速度对汽车模具进行高速切削加工。由于高速机床主轴激振频率远远超过“机床—刀具—工件”系统的固有频率范围，汽车模具加工过程平稳且无冲击。

二、高速切削加工生产效率高

用高速加工中心或高速铣床加工模具，可以在工件一次装夹中完成型面的粗、精加工和汽车模具其他部位的机械加工，即所谓“一次过”技术(One Pass Machining)。高速切削加工技术的应用大大提高了汽车模具的开发速度。

三、高速切削加工可获得高质量的加工表面

由于采取了极小的步距和切深，高速切削加工可获得很高的表面质量，甚至可以省去钳工修光的工序。

四、简化加工工序

常规铣削加工只能在淬火之前进行，淬火造成的变形必须要经手工修整或采用电加工最终成形。则可以通过高速切削加工来完成，而且不会出现电加工所导致的表面硬化。另外，由于切削量减少，高速加工可使用更小直径的刀具对更小的圆角半径及模具细节进行加工，节省了部分机械加工或手工修整工序，从而缩短了生产周期。

五、高速切削加工使汽车模具修复过程变得更加方便

汽车模具在使用过程中往往需要多次修复以延长使用寿命，如果采用高速切削加工就可以更快地完成该工作，取得以铣代磨的加工效果，而且可使用原NC程序，无需重新编程，且能做到精确无误。

六、高速切削加工可加工形状复杂的硬质汽车模具

由高速切削机理可知：高速切削时，切削力大为减少，切削过程变得比较轻松，高速切削加工在切削高强度和高硬度材料方面具有较大优势，可以加工具有复杂型面、硬度比较高的汽车模具。