复杂曲面数控加工技术与多轴编程实例教程

本书以曲面数控加工理论为基础，配合典型的2.5轴、三轴、多轴数控案例。曲面加工理论与应用内容包含复杂形状零件的数控加工工艺、自由曲线与自由曲面的基本原理、2.5轴、3轴、多轴数控铣削加工编程技术，数控加工仿真等内容，案例选取典型，包含工艺分析、刀路策略选择、仿真加工等内容，保证数控加工的正确性、安全性、可靠性。理论联系实际，工程应用价值高。

多轴加工技术，对我国航空航天、军事、精密器械、高精医疗设备等行业的发展有着重要的影响，促进了我国制造业向着高端转变，产品加工质量及生产效率得到提升。当前，世界之变、时代之变、历史之变正以前所未有的方式展开，党的二十大提出，坚持把发展经济的着力点放在实体经济上，推进新型工业化进程，加快建设制造强国、质量强国。党的二十大为制造业高质量发展指明了前进方向。多轴加工技术更广泛、高效的应用，是进一步提升我国制造业水平的有效方式之一。
多轴加工技术从加工的角度看，其技术重点——复杂形状零件的加工，一直是数控加工和CAD/CAM技术的主要研究与应用对象。为此，笔者结合多年从事数控加工技术研究与实践的经验编写了这本书，介绍了复杂形状零件多轴数控加工的有关理论、方法，hyperMILL软件的工法和综合使用，力图从实用的角度结合hyperMILL应用对多轴数控加工技术进行系统介绍，以促进我国多轴数控加工技术的应用与教学水平提升。
本书内容涉及复杂曲面形状零件的几何建模，数控编程和加工工艺，自由曲线与自由曲面的基本原理，二维、三坐标、多轴、叶轮、叶片铣削加工编程技术。各章按照基本理论、hyperMILL工法、综合案例应用的顺序编写。同时，本书配套了hyperMILL工法使用和综合案例编程的讲解视频，并提供全部模型、刀路文档等，以便读者更容易学习和掌握多轴加工技术和应用。
本书第1、3、4、5章由陕西科技大学李体仁编写，第2章由陕西科技大学杨立军编写，第6章由大唐西北电力试验研究院郭文翰与陕西科技大学杨培基编写，全书由李体仁、杨立军、李夏霜、孙建功统稿并整理。杨立军、孙建功、李夏霜、王雅雯、王启、赵耕伯、高磊、张超、张辛完成了视频录制。在本书的编写过程中，陕西科技大学贺行、王启、赵耕伯、高磊、张超、王昊玮、雷卓、钱正阳等完成了部分绘图与文字整理工作。 
本书可供从事CAD/CAM技术、机床数控技术和数控加工技术研究、教学与生产等的专业人员，以及高等工科院校本科生、研究生学习参考。
多轴数控加工技术中仍有很多理论与技术问题有待进一步研究与完善，此外，由于笔者水平有限，书中难免出现疏漏，恳请广大读者批评指正。

编著者

李体仁，男，陕西科技大学副教授，硕士生导师。长期从事高速切削技术与数控多轴加工技术研究。曾在上海、陕西省大中型企业工作十二年，并从事数控加工，数控车间技术管理工作。有两次到德国学习经历，其中2009-2010在德国马格德堡大学作为期一年的访问学者，与多家省内、国内大企业有良好的合作关系，能为做学术、专业、工程硕士提供良好的企业实践环境。以一作（执笔人）发表论文20篇以上，主编或参与编写教材、著作12部。授权实用新型专利十余项。2017年完成横向项目两项，截止10月份到位经费24万元。

本书是笔者结合多年的数控编程、数控加工工艺教学及多轴数控编程、加工的经验所编写的。内容涵盖了自由曲线与自由曲面的基本原理，复杂曲面形状零件的数控加工工艺，二维、三坐标、多轴、叶轮、叶片铣削加工编程等方面的理论、技术知识、数控编程方法和典型案例综合应用。从实用的角度出发，配套提供了书中所包含的hyperMILL软件工法的基本操作和综合案例编程的全部讲解视频，方便使用hyperMILL软件进行数控编程的读者自学。
本书适用于从事CAD/CAM技术、机床数控技术和数控加工技术研究、教学与生产等方面的专业人员，以及高等工科院校高年级本科生、研究生。

第1章复杂曲面形状零件的数控编程和加工工艺001
1.1数控编程001
1.1.1CAM001
1.1.2CAD/CAM系统数控编程的基本步骤002
1.1.3产品数据交换标准003
1.1.4数控编程技术的发展004
1.1.5CAM软件发展方向004
1.1.6编程技术在国内的发展006
1.2数控加工中的坐标系006
1.2.1数控机床坐标系006
1.2.2工件坐标系007
1.2.3局部坐标系008
1.2.4用户（加工）坐标系008
1.3机床与刀具008
1.3.1三坐标轴数控铣床009
1.3.2四坐标轴数控铣床009
1.3.3五坐标轴数控机床009
1.3.4刀具类型及其工艺特点012
1.3.5顺铣和逆铣014
1.3.6刀具加工中的变形015
1.3.7刀具的夹紧方式016
1.3.8刀具的选择017
1.4工件的装夹018
1.4.1柔性夹具018
1.4.2零点快换定位基准系统020
1.4.3工件装夹方式的确定023
1.5在线测量024
1.5.1数控机床在线测量系统的原理和组成024
1.5.2机床在线测量过程024
1.5.3测量加工一体化的应用025
1.6数控加工中的其他问题026
1.7hyperMILL介绍028
1.7.1hyperMILL与CAD028
1.7.2hyperMILL界面029
1.7.3hyperMILL基本设定029
1.7.4hyperMILL浏览器031
1.7.5从模型到 NC 程序032
1.8实例036
1.8.1零件工艺分析和工艺规程制订036
1.8.2夹具、零件CAD模型准备037
1.8.3hyperMILL的基本设置039
1.8.4刀具轨迹生成043
1.8.5模拟加工053
1.8.6后置处理生成NC程序058

第2章自由曲线与自由曲面的基本原理0061
2.1曲线和曲面的表达061
2.1.1一阶Bezier曲线的生成原理062
2.1.2二阶Bezier样条曲线的生成方式063
2.1.3自由曲面的生成064
2.1.4利用CAD软件生成自由曲线、曲面065
2.2曲面连接质量的评价066
2.2.1曲线、曲面的连续性分析066
2.2.2曲率梳067
2.2.3斑马线067
2.3hyperCAD-S069
2.3.1hyperCAD-S基本操作069
2.3.2曲线、曲面的制作和编辑071
2.3.3综合实例078

第3章二维数控铣削加工编程技术0082
3.1二维外形轮廓铣削数控加工刀具轨迹生成082
3.1.1二维外形轮廓（profile）加工082
3.1.2轮廓铣削刀具轨迹生成086
3.2二维型腔数控加工刀具轨迹生成086
3.2.1二维型腔加工086
3.2.2二维型腔加工的刀路生成过程087
3.2.3型腔垂直方向的层切法加工091
3.3孔加工091
3.4平面铣削刀具轨迹生成092
3.5二维数控加工编程参数094
3.6hyperMILL工法的基本操作095
3.6.1工具栏的开启和主要工具按钮的作用095
3.6.2hyperMILL浏览器中工法的主要操作096
3.6.3加工工法的建立和编辑098
3.72D工法100
3.7.1型腔加工100
3.7.2轮廓铣削102
3.7.33D轮廓铣104
3.7.4面铣105
3.7.5孔加工106
3.8基于“特征”的NC编程107
3.8.1特征识别108
3.8.2使用特征进行NC编程108
3.8.3平面特征编程110
3.8.4型腔特征编程110
3.8.5单一孔特征编程111
3.8.6孔包覆特征编程112
3.92D工法113
3.10综合案例115

第4章三坐标数控铣削加工编程技术119
4.1刀具路径基础119
4.1.1刀具路径规划中的关键术语119
4.1.2刀位点的计算和刀路的评价122
4.1.3刀具轨迹生成策略124
4.1.4传统的刀具路径规划方法125
4.2三轴数控铣削加工刀具轨迹生成方法126
4.2.1粗加工刀具路径生成的主要方法126
4.2.2精加工刀具路径生成127
4.3补加工刀具路径生成137
4.4刀具干涉和检查139
4.4.1面内干涉139
4.4.2运动干涉139
4.4.3面间干涉139
4.5hyperMILL 3D工法140
4.5.13D加工工法的组成和作用141
4.5.23D铣削工法148
4.6模具加工综合案例152
4.6.1模具各组成件的结构和加工方法153
4.6.2加工的基本过程155

第5章多轴数控铣削加工编程技术167
5.1五轴数控机床加工特点167
5.2五轴数控机床铣削方式168
5.3多轴加工分类170
5.3.1五轴联动加工170
5.3.2定向加工170
5.3.3多轴加工171
5.3.4固定轴加工171
5.4刀轴矢量171
5.4.1刀轴矢量在局部坐标系的表示172
5.4.2刀轴矢量的定义方法173
5.4.3刀轴矢量控制174
5.5RTCP功能和作用176
5.5.1RTCP的基本功能176
5.5.2RTCP在编程中的作用178
5.6专用的五轴机床后置处理178
5.6.1五轴联动机床控制点、刀具中心点的运动关系179
5.6.2五轴联动机床坐标变换179
5.6.3不同五轴机床结构的坐标变换180
5.6.4轨迹运动产生非线性误差183
5.7hyperMILL五轴编程184
5.7.1型腔循环184
5.7.2五轴型腔铣削刀轴的运动行为184
5.7.3型腔循环的工法187
5.8曲面循环189
5.8.1曲面循环五轴参数191
5.8.2曲面循环中的5X单曲线侧刃加工192
5.8.3曲面循环中的5X形状偏置粗加工193
5.9综合案例193
5.9.1定子螺旋曲面数控编程、加工193
5.9.2内球、轨道曲面的数控编程、加工196
5.9.3变半径球面螺旋轨道数控编程、加工201
5.9.4石油钻头体的数控编程、加工204
5.9.5组合式六角亭的数控编程、加工210

第6章叶轮、叶片铣削加工编程技术217
6.1叶轮铣削加工编程技术217
6.1.1叶轮的组成217
6.1.2叶轮的加工流程和工法217
6.1.3整体叶轮加工219
6.2叶片加工223
6.2.1叶片加工特点和特征加工策略223
6.2.2整体叶片加工224
6.2.3叶片特征加工225

参考文献228