1、三维曲面加工，主要是指加工曲面或实体表面等复杂型面。它与二维加工最大的不同在于Z向不是一种间歇式的运动，而是与XY方向一起运动即三轴联动，从而形成三维的刀具路径。曲面目前通过三种方法来加工:三轴加工、四轴加工、五轴加工。本章主要介绍三轴加工即三维曲面刀具路径的粗加工方法。Mastercam X5系统提供了8种三维曲面粗加工方法。本章重点掌握曲面加工共用参数的设置掌握各种曲面粗加工刀具路径形成方法掌握各种曲面粗加工加工参数设置方法9.1 9.1 曲面粗加工方法曲面粗加工方法9.2 9.2 实训操作实训操作9.3 9.3 多轴加工简介多轴加工简介曲面粗加工的目的是最大限度地切除工件上的多余材料，为
2、后续的曲面精加工做准备，因此曲面粗加工往往采用大直径刀具、大的进给速度及大的加工误差。选择主菜单“刀具路径”/“曲面粗加工”命令，就可启动曲面粗加工功能，Mastercam X5系统为用户提供了8种粗加工方法9.1.1 9.1.1 曲面粗加工的共同特点曲面粗加工的共同特点9.1.2 9.1.2 曲面粗加工平行铣削曲面粗加工平行铣削9.1.3 9.1.3 粗加工放射状加工粗加工放射状加工9.1.4 9.1.4 粗加工投影加工粗加工投影加工9.1.5 9.1.5 流线粗加工流线粗加工9.1.6 9.1.6 粗加工等高外形加工粗加工等高外形加工9.1.7 9.1.7 粗加工残料加工粗加工残料加工9.
3、1.8 9.1.8 粗加工挖槽加工粗加工挖槽加工9.1.9 9.1.9 粗加工钻削式加工粗加工钻削式加工Mastercam X5系统提供的8种粗加工方法1.1.曲面粗加工的加工思路曲面粗加工的加工思路1）根据给定的零件图分析其形状组成特点；2）选择相应的加工机床和粗加工铣削方法；3）启动相应的粗加工铣削方法；4）设置刀具参数和加工参数；5）生成刀具路径并进行刀具路径模拟；6）执行后处理文件输出NC代码。有许多共同特点。2.2.曲面粗加工的加工操作步骤曲面粗加工的加工操作步骤1）选择主菜单“机床类型”“铣削”“默认”命令，进入铣削系统；2）选择主菜单“刀具路径”“曲面粗加工”命令，启动相应的粗加
4、工方法；3）选择加工曲面，进入相应的粗加工环境；4）根据弹出的参数对话框进行刀具、曲面加工参数两种公共参数的设置和每种粗加工特有的加工参数的设置；5）设置完后单击对话框中确定按钮 结束参数设置，生成刀具路径；6）选择加工操作管理器中的工件设置命令“材料设置”，进行工件毛坯形状和尺寸的设置；7）选择加工操作管理器中的实体加工模拟 按钮，进行实体路径模拟；8）选择加工操作管理器中的后处理操作 按钮，输出NC代码。3.3.曲面、干涉曲面、加工区域设置曲面、干涉曲面、加工区域设置当用户进入铣削系统启动某种粗加工铣削方法后，系统提示选择加工曲面，选择后系统弹出如图所示的“刀具路径的曲面选取”对话框，用户
5、可以修改加工曲面，可以设置干涉面及加工边界。刀具路径的曲面选取刀具路径的曲面选取加工曲面是指需要加工的曲面。干涉曲面是指在加工过程中受到保护，刀具不能加工的曲面。加工边界是指在加工曲面上给出某个区域进行加工，形成的刀具路径完全在区域内，不会超出区域边界外，目的是针对某个结构进行加工，减少空走刀提高加工效率。注意选择的区域边界必须是封闭的，它可以和曲面不在同一高度上。4.4.曲面粗加工的公共参数的设置曲面粗加工的公共参数的设置无论采用什么样的曲面粗加工方法，当用户进入加工参数设置对话框时都会看到两个公共按钮“刀具路径参数”和“曲面加工参数”，具体包括刀具参数设置、加工高度设置、进退刀向量、刀具补
6、偿位置、加工曲面干涉面加工区域设置、预留量设置及刀具补偿范围设置等。（1）刀具参数设置由于曲面的每一点的法线方向是变化的，为了简化刀具运动的复杂性一般选择不同直径的圆鼻铣刀或球刀加工。（2）高度参数的设置曲面加工的高度设置与二维加工的高度设置基本相同也包括“安全高度”、“参考高度”、“下刀位置”及“工件表面”，只是少了最后“切削深度”选项，因为曲面加工的最后切削深度由曲面外形自动决定，不需要设置。（3）进/退刀方向（4）刀具补偿位置单击曲面加工参数设置对话框中的“校刀位置”选项右边的下拉箭头可以看到，两种刀具补偿位置分别为刀尖补偿“刀尖”或球心补偿“中心”，选择“刀尖”补偿时产生的刀具路径显示
7、为刀尖所走的轨迹，选择“中心”补偿时产生的刀具路径显示为球心所走的轨迹。（a）刀尖补偿）刀尖补偿 （b）球心补偿）球心补偿（5）预留量设置预留量设置包括加工曲面的预留量“预留量（1）”及加工刀具避开干涉面的距离“预留量（1）”。在进行粗加工时一般需要设置加工曲面的预留量“预留量（1）”，此值一般为0.30.5，目的是为了便于后续的精加工。设置加工刀具避开干涉面的距离“预留量（1）”，可以防止刀具碰撞干涉面。（6）刀具补偿范围系统提供了3种刀具补偿范围方式。“内”：刀具在加工区域内侧切削，刀具中心偏离封闭曲线一个刀具半径值。“中心”：刀具中心走加工区域的边界，即切削范围比选择的加工区域多一个刀具
8、半径。“外”：刀具在加工区域外侧切削，刀具中心偏离封闭曲线一个刀具半径值。（7）记录文件(再生)按钮可以对已存记录文件进行再生。每一个曲面刀具路径计算出来后，Mastercam会自动产生一曲面再生文件（扩展名为RGN）。再生文件的主要目的是当改变曲面刀具路径参数（如进给率、间隙设定等）后，可以让重新计算刀具路径的时间减少，因为系统会使用存放在再生文件的数据，减少重复运算。再生文件存放于REGEN文件夹中。1 1功能功能“粗加工平行铣削加工”能产生平行的切削刀具路径，主要用于对单一凸起或凹状的简单造型工件的粗加工。2 2操作步骤操作步骤粗加工平行铣削加工的操作过程如下：（1）进入铣削系统选择菜单
9、栏中的“机床类型”“铣削”“默认”命令，进入到铣削加工模块。（2）启动平行粗加工铣削功能选择主菜单“刀具路径”“曲面粗加工”“粗加工平行铣削加工”命令，系统弹出曲面类型选择对话框。（3）设置刀具参数一般选择圆鼻刀，然后根据实际加工环境设置切削参数。（4）设置曲面加工参数单击“曲面粗加工平行铣削”参数设置对话框中的“曲面加工参数”按钮，系统弹出曲面加工参数设置对话框。（5）设置曲面平行铣削特有的粗加工参数单击“曲面粗加工平行铣削”参数设置对话框中的“粗加工平行铣削参数”按钮，系统弹出如图所示粗加工平行铣削专用参数设置对话框。设定刀具路径与曲面之间的误差,包括过滤公差和切削公差两项总和。Maste
10、rcam 9版本以后已经将这两个误差整合在一起，用户只要设定“整体误差”，系统会自动设定“过滤误差”和“切削方向误差”来产生刀具路径。系统弹出“最大步进量”对话框可以进行最大步进量和残料高度的设置。最大步进量指在XY平面内，相邻刀具路径的最大距离，如图9-13所示。此值设置越小刀具路径越精确，但数控程序也越长，一般设定为刀具直径的50%75%。“切削方式”选项用于选择切削方式，有“双向”切削，“单向”切削。“加工角度”选项用来设置加工角度。加工角度是指生成刀具路径与当前构图平面的X轴的夹角。角度以逆时针方向为正。“最大Z轴进给”栏用于输入z方向的下刀量，一般为0.52.0，z方向下刀量大，产生
11、的粗加工层数少、加工效率高，但加工粗糙，同时要求刀具直径大、刚性好；反之下刀量小，产生的粗加工层数多，但加工的曲面更平滑。“下刀的控制”：用于控制刀具在z方向的下刀提刀方式，有3种方式供选择。切削起点及沿曲面上升下降设置：有3种方式供选择，若选择“定义下刀点”复选框，系统以接近于选择的点作为刀具路径的起点。若选择“允许沿面下降切削（-z）”复选框，允许刀具沿曲面下降，使切削结果更光滑，否则切削结果为一层一层的阶梯状。若选择“允许沿面上升切削（+z）”复选框，允许刀具沿曲面上升，使切削结果更光滑。切削深度参数设置：用以控制深度方向切削范围、调整首次切削深度值及平面区域加工预留量。可以用“绝对座标
12、”和“增量座标”，默认是增量座标系设定。刀具路径间隙设置：用以设置刀具路径间隙参数。间隙即曲面间不连续相接的空白区域，它有大于容许间隙和小于容许间隙的情况，如图9-14所示。高级设置：可以进行高级参数设置。目的是调整在曲面或实体面的边沿处是否走圆角，从而控制切削边界时刀具运动平稳过渡。6）生成刀具路径参数设置完后单击对话框中的 按钮生成刀具路径。7）加工工件设置选择加工操作管理器中的工件设置命令“材料设置”，系统将弹出工件参数设置对话框，进行视角、毛坯形状、毛坯尺寸、工件原点等参数的设置。8）刀具路径模拟为了验证刀具路径是否正确，选用刀具路径模拟功能来对已生成的刀具路径进行校验。有二维路径模拟
13、和三维路径模拟。9）执行后处理生成NC代码通过模拟验证确定刀具路径正确后，单击加工操作管理器中的 按钮就可利用系统提供的后处理模块形成数控加工NC代码。1 1功能功能“粗加工放射状加工”是以指定点为中心，产生圆周形放射状切削刀具路径，离中心越近的表面其切削效果越佳。主要用于圆球形曲面的粗加工。2 2操作步骤操作步骤放射状粗加工操作过程与粗加工平行铣削一样也分为9步。单击放射状粗加工参数设置对话框中的“放射状粗加工参数”按钮。1 1功能功能“粗加工投影加工”能将存在的刀具路径或几何图形投影到曲面上产生粗切削刀具路径。主要用于在曲面上雕刻一些文字、图案或标记等。2 2操作步骤操作步骤投影粗加工操作
14、过程与平行粗加工一样也分为9步，其特有的“投影粗加工参数”对话框中的主要功能如图所示。1 1功能功能“粗加工流线加工”是沿着曲面流线方向生成刀具路径进行加工的方法，它能精确控制残留高度，得到较光滑的加工表面。2 2操作步骤操作步骤流线粗加工操作过程与平行粗加工一样也分为9步，其特有的粗加工参数”曲面流线粗加工参数”设置对话框如图所示。大部分参数与平行粗加工相同。1 1功能功能粗加工等高外形加工能围绕曲面外形逐层切削材料，切完一层后刀具下降一个高度继续切削其余材料。即其路径在z轴方向是恒定的，一般对有许多陡斜面的工件进行切削。2 2操作步骤操作步骤曲面等高外形粗加工操作过程与平行粗加工一样也分为
15、9步，在此略，现将其特有的粗加工参数的设置在这说明一下。选择等高外形粗加工参数设置对话框中的“等高外形粗加工参数”按钮，可以设置等高外形粗加工特有的参数，如图所示。选择3D方式时，切削间距为刀具路径在二维平面的投影。用于在平面上加上额外的二维刀具路径。1 1功能功能“粗加工残料加工”用来清除等高外形粗加工（或挖槽粗加工）留下的残料的加工方法。2 2操作步骤操作步骤残料粗加工操作过程与平行粗加工一样也分为9步，在此略。现将其特有的粗加工参数的设置在这说明一下。残料粗加工特有的粗加工参数设置有两个，分别为“残料加工参数”和“剩余材料参数”。其中“残料加工参数”选项卡的参数设置与等高外形粗加工参数设
16、置基本相同，下面只介绍“剩余材料参数”选项卡的参数。单击曲面残料粗加工参数设置对话框中的“剩余材料参数”按钮，系统弹出如图所示的剩余材料参数设置对话框。（1）“剩余材料计算是来自”Mastercam X5提供5种选项以作为残料的来源。“所有先前的操作”：以前面所有的加工操作进行残料计算。系统由此计算出那些没有被加工的区域。“另一个操作”：用户可以选择右侧加工操作栏中的某个加工操作进行残料计算。“使用记录文件”：会以在右边操作显示区中被选择操作的记录文件作为残料的来源。系统会因此而计算出那些无法容纳粗铣刀具的区域，并将无法容纳刀具的区域作为残料区。该参数如没有选中，则由被选择操作的刀具路径中计算
17、出残料区域。建议该参数不要选中。“自设的粗加工刀具路径”：用户可以在“直径”栏输入刀具直径、在“刀角半径”栏输入刀具圆角半径，系统将针对符合上述刀具参数的加工操作进行残料计算。“STL文件”：系统对STL文件进行残料计算。“材料的解析度”：此选项控制残料的计算误差，此栏输入小的数值能产生好的残料加工质量，大的数值能加快残料加工速度但质量不好。（2）“剩余材料的调整”“剩余材料的调整”选项，用来设定曲面表面阶梯式残料是否要加工。“直接使用剩余材料的范围”：残料的去除以系统计算的为准，不做调整。“减少剩余材料的范围”：将忽略符合在“调整的距离”栏输入距离的阶梯残料，加快刀具路径处理速度。“增加剩余
18、材料的范围”：加大残料的范围，铣削符合在“调整的距离”栏输入距离的阶梯残料。残料剩余材料的调整剩余材料的调整1 1功能功能“粗加工挖槽加工”是依曲面形状（凸形或凹形）自动产生不同刀具路径去除材料，主要用于凹形槽曲面的粗加工，也可以加工凸形曲面，不过在加工凸形曲面时需创建一个切削边界。2 2操作步骤操作步骤曲面挖槽粗加工操作过程与平行粗加工一样也分为9步。（1）“进刀选项”：选择此复选框并单击此按钮可以启动螺旋式下刀方式。“指定进刀点”：选择此复选框，所有加工参数输入完后系统会要求为刀具路径输入一指定下刀点，各层切削都会从这点下刀。“由切削范围外下刀”：系统从挖槽边界外下刀。“下刀位置针对起始孔
19、排序”：系统会将每一层的下刀位置尽量安排在同位置或区域内，以供用户后续以“全圆路径”的“钻起始孔”功能对下刀位置作钻孔，“钻起始孔”会搜寻挖槽路径的下刀点和深度。该参数可使钻孔次数少一点。（2）平面铣削挖槽参数设置对话框挖槽参数设置对话框1 1功能功能“粗加工钻削式加工”用于产生垂直于工作台方向的类似于钻孔的粗加工刀具轨迹。这种切削方式材料去除效率高，但是对刀具及机床的强度、刚度要求比较高。2 2操作步骤操作步骤钻削式粗加工加工操作过程与平行粗加工一样也分为9步，在此略，其特有的加工参数“钻削式粗加工参数”设置对话框，如图所示。（1）“下刀路径”用来设置下刀的路径，有两个选项：“NCI”和“双
20、向”。“NCI”（NCI文件）：选择此项，在“原始操作”一栏中会显示曲面已有的刀具路径，用户可选择已有的NCI文件获得钻削式粗加工的刀具路径轨迹。“双向”：选择此项，单击对话框中的确定按钮后系统会要求选择两点位置来决定钻削的范围，则刀具顺着加工区域的形状来回往复地运动，刀具在水平方向进给距离由用户在“最大距离步进量”文本框中输入。（2）“允许最小步进量”该选项只有在下刀路径选择为NCI方式时才有效。选择此选项系统可以产生更小的步进量，在切削方向上有尖角变化时可以产生好的切削效果。1 1实训要求实训要求如图所示三维曲面视图，试形成此零件的数控加工程序。2 2工艺分析工艺分析分析该零件的结构特点，
21、其外形为两个曲面的交叉，因此选择挖槽粗加工方法比较好。采用16的圆鼻铣刀进行加工。毛坯尺寸选为220 mm X220 mm X36mm，X和Y方向留余量10mm，Z方向留余量3mm。3 3操作指导操作指导1）进入铣削系统。选择菜单栏中的“机床类型”“铣削”“默认”命令，进入到铣削加工模块。2）选择主菜单“刀具路径”“曲面粗加工”“粗加工挖槽加工”命令，启动挖槽铣削功能。3）设置刀具参数。从刀库中选择10的圆鼻铣刀，设置刀具参数如图所示。4）设置曲面加工参数。单击对话框中的“曲面加工参数”按钮，系统弹出曲面加工参数设置对话框。如图所示。5）设置挖槽粗加工参数。单击对话框中的“粗加工参数”按钮，系
22、统弹出曲面粗加工参数设置对话框。设置如图所示。6）设置螺旋下刀方式。单击对话框中的 按钮，系统弹出下刀方式设置对话框。设置如图所示。7）设置挖槽参数。单击对话框中的“挖槽参数”按钮，系统弹出挖槽参数设置对话框。设置如图所示。8）产生刀具路径。单击参数设置对话框中的 按钮，产生刀具路径。如图所示。9）设置工件参数。选择加工操作管理器中的“材料设置”命令，系统弹出机器群组属性“机器群组属性”对话框。设置如图所示。10）参数设置完后对话框中 按钮，完成工件参数设置。结果如图所示。11）进行刀具路径模拟。单击加工操作管理器中的二维刀具路径模拟按钮，进行二维刀具模拟。12）单击加工操作管理器中的 按钮，
23、进行实体加工模拟，单击模拟对话框中确定按钮，结束模拟。如图所示。13）单击加工操作管理器中的后处理按钮 按钮，形成数控加工程序。14）选择菜单栏中的“文件”“另存文件”命令，保存文件。1 1实训要求实训要求试形成此零件的数控加工程序。2 2工艺分析工艺分析分析该零件的结构特点，其外形比较陡峭，因此，选择等高外形粗加工方法比较好。采用12的圆鼻刀。文字采用粗加工投影加工方法，采用经修改后的0.3的倒角刀。毛坯尺寸选为40 mm X33mm 的圆柱体，直径留余量为6mm，Z方向留余量4mm，顶面和底面各留2mm。3 3操作指导操作指导1）进入铣削系统。选择菜单栏中的“机床类型”“铣削”“默认”命令
24、，进入到铣削加工模块。2）选择主菜单“刀具路径”“曲面粗加工”“粗加工等高外形加工”命令，启动等高外形铣削功能。3）设置刀具参数。从刀库中选择12的圆鼻铣刀，设置刀具参数如图所示。4）设置曲面加工参数。单击对话框中的“曲面加工参数”按钮，系统弹出曲面加工参数设置对话框。5）设置等高外形粗加工参数。单击对话框中的“等高外形粗加工参数”按钮，系统弹出等高外形粗加工参数设置对话框。6）设置平面加工参数。选择并单击对话框中的 按钮，系统弹出浅平面加工参数设置对话框。7）设置平面区域参数。选择并单击对话框中的 按钮，系统弹出平面区域加工参数设置对话框。8）产生刀具路径。单击对话框中的 按钮，产生刀具路径
25、。9）选择主菜单“刀具路径”“曲面粗加工”“粗加工投影加工”命令，启动投影铣削功能。系统弹出曲面粗加工投影对话框10）设置刀具参数。在对话框的刀具选择的空白处单击右键，从弹出的选项中选择“创建新刀具”选项，系统弹出定义刀具类型对话框，选择倒角刀，设置刀具尺寸参数如图所示。设置刀具加工参数如图所示。11）设置曲面加工参数。单击对话框中的“曲面加工参数”按钮，系统弹出曲面加工参数设置对话框。如图所示。12）设置投影粗加工参数。单击对话框中的投影粗加工参数“投影粗加工参数”按钮，系统弹出投影粗加工参数设置对话框。13）设置切削深度参数。单击对话框中的 按钮，系统弹出切削深度参数设置对话框。14）选择
26、投影文字。单击参数设置对话框中的 按钮，系统弹出连选对话框，框选投影文字如图所示。15）产生刀具路径。单击连选对话框中的 按钮，产生刀具路径。16）设置工件参数。选择加工操作管理器中的“材料设置”命令，系统弹出“机器群组属性”对话框。17）参数设置完后单击对话框中 按钮，完成工件参数设置。18）单击加工操作管理器中的 按钮，进行实体加工模拟，单击模拟对话框中 按钮，结束模拟。19）单击加工操作管理器中的后处理按钮 ，形成数控加工程序。20）选择菜单栏中的“文件”“另存文件”命令，保存文件。前面介绍的加工方法属于3轴加工的范围，即刀具同时做x、y、z方向的移动，且z轴的移动总是保持与xy平面垂直
27、。Mastercam X5系统除了提供3轴加工方法外，更提供4轴、5轴加工，以适应工业产品中自由曲面大量使用的形势。4轴加工一股都是在机床工作台上再附加一旋转轴，该旋转轴可以是沿X轴旋转或沿Y轴旋转，可以用于铣削类似凸轮等旋转加工件。5轴加工可以同时五轴连续独立运动，通常刀具轴心是位于加工工件表面的法线方向，所以对于曲面加工可以提升曲面的加工精度。当所要加工的曲面无法用传统的三轴CNC机床加工时或对于曲面的表面精度要求甚高时，便可以利用多轴加工。1.1.多轴加工的方法多轴加工的方法Mastercam X5系统的多轴加工方法包括“曲线5轴”、“沿边5轴”、“流”、“MSurf”、“管道5轴”、“
28、旋转5轴”，如图所示。与三曲面加工一样，Mastercam X5系统的多轴加工除了包括共同参数“刀具”外，还包括“切削的样板”和“刀具的控制”、“碰撞控制”、“链接”、“粗加工”，如图所示。2.2.多轴加工的操作步骤多轴加工的操作步骤1）选择主菜单“机床类型”“铣削”“默认”命令，进入铣削系统；2）选择主菜单“刀具路径”“多轴”命令，启动相应的多轴加工方法；3）系统弹出多轴刀具路径对话框，根据工件形状选择相应的多轴加工方法；4）系统弹出相应的多轴加工参数设置对话框，进行刀具、切削的样板、刀具的控制等参数的设置；5）设置完后单击对话框中 按钮结束参数设置，生成刀具路径；6）选择加工操作管理器中的
29、工件设置命令“材料设置”，进行工件毛坯形状和尺寸的设置；7）选择加工操作管理器中的实体加工模拟 按钮，进行实体路径模拟；8）选择加工操作管理器中的后处理操作 按钮，输出NC代码多轴（可插补）数控机床尤其是五轴插补的数控机床代表了目前世界先进的加工手段。主要应用于航天、航空、造船和高速雕铣等领域。比如它拥有高精、高效的优势，对于某些形状特殊且精度要求极高的零件，多轴数控机床具有不可替代的优势。但是多轴（可插补）数控机床，由于其造价高，所以限制了其在国内加工领域的应用。因此对于某些形状不复杂的零件，大多数加工企业采用了三轴数控机床配合特制的工装夹具的手段，完成加工要求。虽然这样做会大大降低效率，但相对于多轴（可插补）的数控机床高昂的价格而言，还是具有相当大的吸引力。一.思考题1、三维曲面粗加工的方法有哪几种？其操作的基本步骤是什么？2、简述每种三维曲面粗加工方法适合的场合？3、试述加工曲面、干涉曲面和加工范围的概念？二.操作题1、对鼠标曲面进行数控粗加工。2、对洗菜盆曲面进行数控粗加工。
