基于MasterCAM的曲面雕刻数控加工

本文结合曲面雕刻加工实例探讨了在FANUC数控系统的加工中心机床上应用MasterCAM软件进行曲面雕刻的方法，包括建立曲面文字的雕刻模型，根据加工工艺要求选择加工方法和设置加工参数，将软件生成的刀具轨迹G代码传输至FANUC数控加工中心，实现了曲面文字雕刻的实际加工。此方法突破了手工编程的局限性，避免了繁琐的节点计算和程序面板输入，提高了曲面雕刻加工的质量和效率。

一、引言

随着制造业的飞速发展，自动编程技术已经成为数控加工的先进技术代表和发展方向，一些先进的三维设计与仿真软件也不断被应用至数控自动编程加工中。MasterCAM是目前数控制造业领域中使用较为广泛的CAD/CAM一体化软件，它集二维曲线构造、三维曲面和实体建模、刀具轨迹模拟仿真以及后置处理G代码生成等功能于一身。MasterCAM软件功能丰富、灵活性强及性价比高的优点被越来越多的中小型民营企业所接纳，在数控自动编程加工领域中发挥着无可比拟的优势。

本文应用MasterCAM软件详细阐述了曲面零件及曲面浅表文字的建模方法、曲面文字雕刻的工艺流程及加工参数设置，重点分析了曲面浅表文字建模和雕刻仿真加工的工艺难点，提出了解决该难点的关键技术，并将后置程序G代码输入至FANUC四轴数控加工中心，实现了曲面文字雕刻的实际加工。

二、曲面及文字的CAD建模

1.曲面文字建模的难点分析

要实现在曲面上进行文字的自动编程数控加工，首先需要在零件曲面上完成文字雕刻的建模工作。而鉴于数控CAM仿真加工刀轨路径中单向走刀的特殊性，要求曲面上的文字模型符合刀轨路径的以下两点特定要求。

（1）曲面上投影生成的文字模型应为单线体字，然而目前很多CAD/CAM软件还未具备直接创建单线体字的功能，需要运用二维转三维的方法来实现文字的单线体字转变。这就对两类文字图形转换软件的兼容特性提出了较高的要求，同时增加了曲面文字建模的工序流程，使得整个工艺过程更为冗长，降低了企业的生产效益。

（2）投影生成的单线字体在数控仿真加工时一般采用球头立铣刀加工，这就需要在文字曲线的转接过渡处进行倒圆角处理，否则易出现过切现象，影响文字雕刻的加工精度。

2.曲面文字建模的解决措施

针对上述曲面文字建模的两个难点，在进行曲面文字图形的建模时采用当前较为先进的CAD/CAM建模软件――MasterCAM软件。MasterCAM软件中强大的空间曲线建模功能，可以方便地创建符合刀轨要求的单线体字型。具体的CAD建模流程是：首先将构图视角设置为等轴测图显示，构图面为俯视图，Z轴深度为O，以保证构造曲面的球心和坐标原点重合，运用MasterCAM软件中的曲面旋转指令构造空间的半球体曲面，然后利用“Main Menu”“Create”“surface”“offset”曲面偏移命令使半球体曲面往球心方向偏移，输入偏移距离为2mm，形成同心半球体等距面，此时2mm的偏移距离即为曲面上刻字的深度；接着改变俯视图Z向的工作深度，设置为100（大于球体半径），依次选择“Main Menu”“Create” “Letters”，在弹出的“Create Letters”对话框中输入要雕刻的文字“曲面文字雕刻”，将输入的文字属性设为单线体字型，在文字的转接处进行圆角过渡处理，完成的俯视图平面字体如图1所示，将文字投影到等距球体曲面上之后的文字模型如图2所示。

三、曲面文字雕刻的CAM自动编程仿真加工及实现

1.MasterCAM软件的自动编程加工流程

图3为MasterCAM软件的自动编程数控加工流程图，从图中分析可得，MasterCAM软件数控加工的关键在于零件的工艺分析和加工方案设计，该实例中包括曲面半球体及文字雕刻加工方法的选择、切削刀具的确定和切削参数的设置。依据数控加工工艺原则中先粗后精的加工顺序，对半球体曲面采用流线型粗加工和流线型精加工相结合的加工方法，曲面上的文字雕刻采用导线式铣槽粗加工和4轴曲线加工的方式。

2.曲面文字的工艺分析及参数设置

在制定完总体加工方案之后，需要对相应的CAM加工方法进行切削参数设置，工艺参数制定的正确与否是决定曲面雕刻加工精度高低的关键。

（1）工艺分析。①半球形曲面及雕刻文字的结构简单清晰，且半球体底面为光滑平面，毛坯材料设为45钢，尺寸为150mm×150mm×150mm的平整立方体。②在曲面流线型粗加工时，由于毛坯上需要去除的余量较多，应适当地增大粗加工的层高和行距，尽可能提高生成刀轨路径的速度，保证零件的加工效率。另外，由于45钢材料的强硬度和塑韧性都较高，因此在曲面流线型精工时应适当减小切深ap及进给量f的数值。③在文字雕刻的4轴曲线精加工参数设置时，由于雕刻的刀轨路径较密，因此选择的刻刀半径尺寸不宜过大，选用尖头单刃立铣刀较为合理。

（2）工艺制定。在分析完成各项加工方法工艺设定的关键点之后，具体加工方案的工序划分及参数设定如表所示。

3.曲面及其文字雕刻的CAM数控加工

（1）加工环境设置。

零件加工的加工环境设置主要包括数控系统的选择和毛坯的加载。操作过程如下：选择初始环境设置命令“Toolpath”“Job setup”，单击“bounding box”按钮，输入毛坯在X向、Y向和Z向的尺寸，将毛坯材料定位45号钢；返回上层菜单后，单击“Part Operation”标签，在弹出的“Part Operation”对话框中单击“machine”按钮，系统弹出“Machine Editor”对话框，按加工要求选择FANUC系统的4轴联动机床“4-axis Machine”。

（2）半球曲面的流线型粗精加工。

选择曲面加工命令“Toolpath”“Finishing”“Flowline”，选择半球曲面为加工对象，在曲面流线型粗加工设定时，主轴转速为1 000r/min，下刀和退刀速度为500r/min，曲面加工余量为0.2mm，选择单向循环走刀方式，切削方向为环形，确定步进方向为自上而下；在曲面流线型精加工设定时，只需修改部分切削参数，如主轴转速为1 500r/min，进给速度为1 200r/min，驱动面加工余量为0，刀具为R5，选择螺旋进刀的走刀方式即可。

（3）曲面文字的数控雕刻加工。

由于半球曲面上投影文字须雕刻加工成凹形文字，因此只需要把单线体文字外轮廓的内部材料铣削除料即可。根据之前的工艺设定采用MasterCAM软件中的导线铣槽和四维曲线加工方式，首先利用半球体曲面将投影文字转化为驱动曲线（“Create”“curve”“Flow line”“surface”），并将提取线条数设为3，再选择4轴曲线加工命令“Toolpath”“Multiaxis”“Curve4ax”，将中间曲线设定为走刀路径的驱动曲线，选择偏移等距半球曲面为加工对象，刀尖位置始终处于投影曲线上，刀具选用单刃立铣刀，切削速度为700r/min，进退刀速度为200r/min，驱动曲面的加工余量设为0，加工的最大步长为0.2mm。

（4）刀具路径模拟仿真及G代码生成。

为了验证由MasterCAM软件后置处理所生成的G代码的正确性，必须对整个加工过程的刀轨路径进行模拟仿真校对，以检查走刀过程中是否存在欠切、过切或加工干涉等现象。MasterCAM软件的实体切削仿真功能能够对实际加工环境进行100%的模拟演示，实体切削过程运用特殊的循环算法和“Analyze”分析功能，在对零件加工全过程进行连续的碰撞干涉检查的同时，能分析加工后的零件是否存在过切和欠切现象。图4和图5分别是半球曲面和文字雕刻仿真加工的走刀轨迹，通过整个加工过程的模拟仿真，能够减少不必要的损失。

在生成的刀具路径符合要求后，关闭模拟功能，选择MasterCAM软件的“Post”后置处理功能，自动生成加工曲面及文字雕刻所需要的G代码。图6为半球曲面及文字雕刻加工的部分后置程序G代码。

（5）仿真加工在FANCU加工中心上的实现。

虽然MasterCAM软件为数控加工中心系统提供了Post后置处理文件，但仍不能完全保证与G代码传输机床的操作系统相兼容，应有针对性地对后置处理G代码（Pst文件）预设定的基本模块进行参数修改，尤其是需要对由ASCII代码编写而成的机床数据文件进行相应的参数设置，以FANUC系统的加工中心而言，需要将程序地址码“%”改成“O”或者“P”格式，同时屏蔽MPFAN.PST程序中的注释行及换刀指令，并将工作坐标指令G54改成G92。

浙江经贸职业技术学院数控教研室选用两组尺寸分别为100mm×100mm×100mm及200mm×200mm×200mm的45号钢材料，将普通的圆柱立铣刀磨制成符合刻字要求的单刃立铣刀，并将校对并修改过的后置G代码通过USB接口输入至型号为KVC650E（fanuc 0i mate系统）数控加工中心上，在实验室基地实现了曲面文字雕刻的实际加工。从实际加工结果来看，与普通雕刻机相比，曲面的光洁度及文字雕刻精度都有明显改善。

四、分析与结论

（1）MasterCAM软件是一款性价比较高的自动编程软件，与目前制造业中使用较多的同类软件相比，该软件的价格相对较低，并能与不同系统的数控加工中心机床结合使用，兼具了雕刻机的部分功能，实现加工中心的“一机多用”，因此较为适合机床设备较少的中小型民营制造企业所使用。另外，MasterCAM软件的自动编程代码可以通过USB接口直接输入至数控系统，可以避免繁琐的面板手动输入操作，大大提高了零件的加工效率。

（2）本文利用MasterCAM软件对在半球体曲面零件上刻字的方法进行了初步探讨，所述加工流程可推广至在任意不规则曲面上进行刻字或刻图的模具制造业，但如果是要求在曲率较大的曲面零件上进行图像雕刻，此方法采用的4轴雕刻加工会影响产品的精度，因此需要在精度更高的5轴数控加工中心上实现。另外，如何对软件自动编程产生的G代码指令进行进一步的程序优化，节省雕刻加工时间，也有待于进一步开展研究工作。