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第8章曲面的三轴加工刀具路径

曲面加工是任何CAD/CAM软件主要解决的问题，也是研究领域的一个主要课题。

曲面目前主要通过三种方法加工，第一种是三轴加工，是比较成熟的一种技术，也是目前CAD/CAM软件的主要内容，MasterCAM提供了多种三轴加工方法，包括粗加工、精加工和清角加工，这些内容也是本章介绍的内容；第二种是四轴加工；第三种是五轴加工。

后两种加工方法目前面临着许多研究课题，正处于研究应用阶段。

因此，曲面的四轴和五轴加工，相对三轴加工而言，方法要少得多。

8.1粗加工方法的应用

粗加工的目的是最大限度地切除工件上的多余材料。

如何发挥刀具的能力和提高生产率是粗加工的目标，粗加工中，一般采用平底端铣刀。

MasterCAM提供了多种粗加工方法，如平行、放射、投影、流线、轮廓、挖槽和插削加工方法，其中有四种方法，即平行、流线、轮廓和放射加工方法，与相应精加工方法基本相同，唯一的区别是粗加工中有Z向切削深度改变的功能。

由于流线粗加工在《MasterCAM实用教程》（苟琪等编著，机械工业出版社，2001年5月）一书中有详细的介绍，本节只介绍其他粗加工方法的特点及应用场合，并给出其应用的典型事例，结合事例说明如何选择粗加工方法及其参数设置要点、刀具路径修正应用的场合及应用方法，并介绍根据加工需要设计图形的方法以及实体设计的方法。

有关各种粗加工方法的详细操作步骤可参阅《MasterCAM实用教程》（苟琪等编著，机械工业出版社，2001年5月）。

8.1.1平行加工方法（Parallel）

平行加工方法是一个简单、用效和常用的粗加工方法，加工刀具路径平行于某一给定方向，用于工件形状中凸出物和沟槽较少的情况。

图8-1

步骤一读入文件

选择主菜单（MainMenu）-文件（File）-读取（Read）

文件名为：

Ch8_1_1_1.MC8

该文件存储的零件图形将显示于绘图区，如图8-1所示，图中的虚线表示毛坯的线框轴测图，实线部分表示用于加工的曲面。

步骤二平行粗加工刀具路径的生成

1．选择主菜单（MainMenu）-刀具路径（Toolpaths）-曲面（Surface）-粗加工（Rough）-平行加工（Parallel）-凸出型（Boss）-所有（All）-曲面（Surfaces）-完成（Done）

2．进入“平行粗加工刀具参数设置”对话框，选择直径为20mm的端铣刀；

3．用鼠标单击图8-2上部的“曲面参数（Surfaceparameters）”选项卡，进入“平行粗加工曲面参数”对话框，设置完毕后，如图8-2所示；

图8-2

4．用鼠标单击图8-2中的“方向（Direction…）”按钮，进入“进刀/提刀方向（Plunge/Retract）设置”对话框，设置完毕后，如图8-3所示，单击图8-3中的“OK”按钮；

图8-3

5．用鼠标单击图8-2上部的“平行粗加工参数（Roughparallelparameters）”选项卡，进入“平行粗加工参数设置”对话框，设置完毕后，如图8-4所示；

图8-4

6．用鼠标单击图8-4中的“切削深度（Cutdepths…）”按钮，进入“切削深度设置”对话框，设置完毕后，如图8-5所示，单击图8-5中的“OK”按钮，回到图8-4；

图8-5

7.用鼠标单击图8-4中的“确定”按钮，则得到平行粗加工刀具路径，图8-6为加工过程仿真后的结果。

图8-6

步骤三存储文件

选择主菜单（MainMenu）-文件（File）-存储（Save）

文件名为：

Ch8_1_1_2.MC8

8.1.2放射加工方法（Radial）

放射加工方法适用于具有回转特征的零件形状。

由于CAD/CAM软件中，设计与加工（生成刀具路径）是两个不同的概念，如果只是为了生成某个零件的加工刀具路径，可以根据加工的需要进行设计和造型，这样可以简化设计，节省时间。

如在下面的例子中的图8-7所示，由于具有三个相同的凸台，而且凸台造型时，需要编辑曲面，比较浪费时间。

因此，本例采用只设计出一个凸台，产生其放射粗加工和精加工刀具路径，再用编辑生成刀具路径的方法，生成其余另两个凸台的刀具路径。

此思路和方法是一个普遍方法，读者可以悉心体会。

图8-7

步骤一读入文件

文件名为：

Ch8_1_2_1.MC8

该文件存储的零件图形如图8-8所示；

图8-8

步骤二放射粗加工刀具路径的生成

1．选择主菜单（MainMenu）-刀具路径（Toolpaths）-曲面（Surface）-粗加工（Rough）-放射加工（Radial）-不指定（Unspecified）-所有（All）-曲面（Surfaces）-完成（Done）

2．进入“放射粗加工刀具参数设置”对话框，选择直径为15mm的端铣刀；

3．用鼠标单击图8-9上部的“曲面参数（Surfaceparameters）”选项卡，进入“粗加工曲面参数设置”对话框，设置完毕后，如图8-9所示；

4．用鼠标单击图8-9上部的“放射粗加工参数（Roughradialparameters）”选项卡，进入“放射粗加工参数设置”对话框，设置完毕后，如图8-10所示；

5．用鼠标单击图8-10中的“确定”按钮，单击主菜单区的“原点（Origin）”，得到放射粗加工刀具路径。

图8-9

图8-10

步骤三放射粗加工刀具路径的旋转复制

用4.2节的方法旋转复制放射粗加工刀具路径，可以得到图8-7所示零件的放射粗加工刀具路径。

步骤四放射精加工刀具路径的生成

1．选择主菜单（MainMenu）-刀具路径（Toolpaths）-曲面（Surface）-精加工（Finish）-放射加工（Radial）-所有（All）-曲面（Surfaces）-完成（Done）

2．进入“放射精加工刀具参数设置”对话框，选择直径为6mm的球铣刀；

3．“放射精加工曲面参数（Surfaceparameters）”对话框的设置内容与图8-9的内容基本相同，不同点为：

加工余量（Stocktoleaveondrive）：

0.0

4．用鼠标单击图8-11上部的“放射精加工参数（Finishradialparameters）”选项卡，进入“放射精加工参数设置”对话框，设置完毕后，如图8-11所示；

5．用鼠标单击图8-11中的“确定”按钮，再单击主菜单区的“原点（Origin）”，得到放射精加工刀具路径。

步骤五放射精加工刀具路径的旋转复制

用4.2节的方法旋转复制放射精加工刀具路径，可以得到图8-7所示零件的放射精加工刀具路径。

图8-11

步骤六仿真加工

按照2.5节的方法进行仿真操作，加工过程仿真后的结果如图8-12所示。

图8-12

步骤七存储文件

文件名为：

Ch8_1_2_5.MC8

8.1.3投影加工方法（Radial）

投影加工方法是将已生成的NCI文件或图素（曲线或点阵）投影到被加工曲面上。

投影加工方法可以加工任意的零件形状，对于雕刻加工，一般采用投影加工方法。

投影粗加工和精加工基本一样，本例中给出了投影粗加工和精加工方法的应用，投影粗加工是将挖槽加工生成的NCI文件投影到被加工曲面上，投影精加工是将一组曲线（如字母QDDX，在图形中，QDDX被视为曲线，QDDX为青岛大学的缩写）投影到被加工曲面上。

步骤一读入文件

图8-13

文件名为：

Ch8_1_3_1.MC8

该文件存储的零件图形显示于绘图区，如图8-13所示。

步骤二生成用于投影粗加工的挖槽加工刀具路径

1．选择主菜单（MainMenu）-刀具路径（Toolpaths）-挖槽（Pocket）

2．在绘图区串接挖槽图形轮廓，如图8-14所示，用鼠标单击主菜单区的“Done”，结束串接操作；

图8-14

3．进入“挖槽加工刀具参数设置”对话框，选择直径为15mm的端铣刀；

4．用鼠标单击图8-15上部的“挖槽参数（Pocketparameters）”选项卡，进入“挖槽加工参数设置（Pocketingparameters）”对话框，设置完毕后，如图8-15所示；

图8-15

5．用鼠标单击图8-15中左下部的“表面（Facing…）”按钮，进入“表面设置”对话框，设置完毕后，如图8-16所示，单击图8-16中的“OK”按钮，回到图8-15；

6．用鼠标单击图8-15上部的“粗/精加工参数（Roughing/Finishingparameters）”选项卡，进入“粗/精加工参数设置”对话框，设置完毕后，如图8-17所示；

7．用鼠标单击图8-17中的“确定”按钮，得到挖槽加工刀具路径，如图8-18所示。

图8-16

图8-17

图8-18

步骤三生成曲面的投影粗加工刀具路径

1．选择主菜单（MainMenu）-刀具路径（Toolpaths）-曲面（Surface）-粗加工（Rough）-投影加工（Project）–不指定（Unspecified）-曲面（Surfaces）-完成（Done）

（注：

此时选择原曲面，即层2上的孔斯曲面，已将移位曲面屏蔽）

2．进入“投影粗加工刀具参数设置”对话框，选择直径为15mm的球铣刀；

3．用鼠标单击图8-19上部的“曲面参数（Surfaceparameters）”选项卡，进入“投影粗加工曲面参数设置（Surfaceparameters）”对话框，设置完毕后，如图8-19所示；

图8-19

4．用鼠标单击图8-19上部的“投影粗加工参数（Roughprojectparameters）”选项卡，进入“投影粗加工参数设置”对话框，设置完毕后，如图8-20所示；

图8-20

5．用鼠标单击图8-20中的“确定”按钮，得到投影粗加工刀具路径，如图8-21所示。

图8-21

步骤四生成字母QDDX的投影精加工刀具路径

1．选择主菜单（MainMenu）-刀具路径（Toolpaths）-曲面（Surface）-精加工（Finish）-投影加工（Project）–所有（All）-曲面（Surfaces）-完成（Done）

（注：

此时选择移位曲面，即选择层4上的移位曲面，已将原曲面屏蔽）

2．进入“投影精加工刀具参数设置”对话框，选择直径为2.5mm的端铣刀；

3．用鼠标单击图8-22上部的“曲面参数（Surfaceparameters）”选项卡，进入“投影精加工曲面参数设置”对话框，设置内容与图8-19相同；

4．用鼠标单击图8-22上部的“投影精加工参数（Finishprojectparameters）”选项卡，进入“投影精加工参数设置”对话框，设置完毕后，如图8-22所示；

图8-22

5．用鼠标单击图8-22中的“确定”按钮，采用视窗方法，在绘图区串接被投影的曲线，并用鼠标拾取投影加工的起始点，即图8-23中的P1点，用鼠标单击主菜单区的“Done”，得到投影精加工刀具路径，如图8-23所示，图8-24为加工过程仿真后的结果。

图8-23图8-24

步骤五修正字母QDDX的投影精加工刀具路径

设置

打开层4，关闭其他层

视图面（Gview）：

俯视图（T）

观察字母QDDX投影精加工刀具路径，如图8-24和图8-25所示，可以看出，加工字母Q的刀具路径多出一段P1～P2路径，需要用刀具路径编辑的方法，将其变为提刀快进刀具路径，操作方法如下。

图8-25

1.同时按键盘上的Alt键和字母O键（Alt+O），进入“操作管理”对话框，如图8-26所示；

图8-26

2.将鼠标光标移至第3刀具路径（曲面投影精加工SurfaceFinishProject）第4项（NCI文件）处，单击鼠标右键，进入刀具路径编辑对话框，如图8-27所示；

图8-27

3.用鼠标单击图8-27中的“选择（Select）”按钮，并用鼠标在绘图区拾取刀具路径被编辑点，如图8-25中的P2，此时，图8-27中的“点（Point）”输入框中的数字变为2，绘图区中的路径P1P2改变颜色；

4.用鼠标单击图8-27中的“编辑（Edit）”按钮，并用鼠标单击主菜单区中的“编辑点（EditPoint）”，进入“编辑点参数（Point）”对话框，设置完毕后，如图8-28所示，单击图8-28中的“OK”按钮，回到图8-27；

5.用鼠标单击图8-27中的“OK”按钮，完成刀具路径的编辑，回到图8-29；

图8-28

图8-29

6.用鼠标单击图8-29中的“刀具路径仿真（Backplot）”按钮，进入刀具路径仿真状态，仿真结果如图8-30所示。

经过编辑修正后的刀具路径加工过程仿真后的结果，如图8-31所示，比较图8-30和图8-25以及图8-31和图8-24可以看出，图8-30和图8-31中字母Q的刀具路径已产生变化。

图8-30图8-31

步骤六NC代码的生成

生成NC代码时，需要有后处理程序，有关如何编写后处理程序比较复杂，本书没有涉及，这里假定已有了后处理程序。

生成NC代码时，并不是所有“操作管理”对话框中的刀具路径都要生成NC代码，因为有些刀具路径是作为中间刀具路径，不需要最终输出，如本例中，图8-29中的的刀具路径1（挖槽刀具路径Pocket）。

因此，用后处理程序产生NC代码前，需要将不需要输出的刀具路径屏蔽，操作方法如下：

1.选中图8-29中的刀具路径1（挖槽刀具路径Pocket）；

2.单击鼠标右键，出现弹出式菜单，依次选择“选项（Options）”和“后处理（Posting）”，得到如图8-32所示的三级弹出式菜单；

图8-32

3.用鼠标单击图8-32中的“关闭（Off）”，则刀具路径1（挖槽Pocket）第4项前的图标及文字均发生变化，如图8-33所示；

图8-33

4.用鼠标单击图8-29中的“后处理（Post）”按钮，进入后处理操作，产生的NC代码中将没有刀具路径1的代码。

步骤七存储文件

文件名为：

Ch8_1_3_3.MC8

8.1.4插削加工方法（Plunge）

插削加工方法是一种效率非常高的加工方法，加工的运动方式类似于钻削加工，适用于具有陡峭壁的凹曲面型腔和凸曲面零件的加工。

步骤一读入文件

文件名为：

Ch8_1_4_1.MC8

该文件存储的零件图形如图8-34所示。

图8-34

步骤二生成插削粗加工刀具路径

1．选择主菜单（MainMenu）-刀具路径（Toolpaths）-曲面（Surface）-粗加工（Rough）-插削加工（Plunge）–所有（All）-曲面（Surfaces）-完成（Done）

2．进入“插削粗加工刀具参数设置”对话框，选择直径为15mm的端铣刀；

3．用鼠标单击图8-35上部的“曲面参数（Surfaceparameters）”选项卡，进入“插削粗加工曲面参数设置”对话框，设置内容与图8-19基本相同，不同点为：

进给平面（Feedplane…）：

2.0

加工余量（Stocktoleaveondrive）：

0.5

4．用鼠标单击图8-35上部的“插削粗加工参数（Roughplungeparameters）”选项卡，进入“插削粗加工参数设置”对话框，设置完毕后，如图8-35所示；

图8-35

5.用鼠标单击图8-35中的“确定”按钮；

6.用鼠标在绘图区分别拾取插削范围的两点，如图8-34所示的P1和P2点，则得到插削加工刀具路径。

步骤三插削粗加工过程仿真

按照2.5节的方法进行仿真操作，仿真结果如图8-36所示。

图8-36

步骤四刀具路径的修正

观察插削加工过程可以发现，在工件的上表面有一层刀具路径没有切削到工件材料，这部分刀具路径是无用的，是由系统自动生成的，需要进行删除。

MasterCAM在生成曲面加工刀具路径时，经常会产生无用的刀具路径，此时就要根据具体情况加以修正。

1.进入“刀具路径编辑器”对话框，如图8-27所示（具体操作步骤参阅；

2.用鼠标单击图8-27中的“编辑（Edit）”按钮，再单击主菜单区“删除区段（DelSection）”，再单击主菜单区“选择（Select）”；

3.用鼠标在绘图区拾取上表面刀具路径末端的刀具路径，如图8-34上P3点处，再单击主菜单区的“Done”，回到图8-27；

4.用鼠标单击图8-27中的“OK”按钮，回到操作管理对话框，结束刀具路径的修正。

步骤五修正后的刀具路径仿真

按照2.5节的方法进行仿真操作，仿真结果与图8-36相同，观察修正后刀具路径的仿真过程，可以看出，修正后的刀具路径已删除了无用的刀具路径，节省了加工时间。

步骤六存储文件

文件名为：

Ch8_1_4_3.MC8

8.1.5曲面挖槽加工方法（Pocket）

曲面挖槽粗加工方法也是一个效率高的曲面加工方法，与二维挖槽加工类似，刀具切入的起始点可以人为控制，这样可以选择切入起始点在工件之外，再逐渐切入，使得切入过程平稳，保证加工质量。

图8-37为被加工零件的轴测图。

图8-37

步骤一读入文件

文件名为：

Ch8_1_5_1.MC8

该文件存储的零件图形如图8-38所示。

图8-38

步骤二生成挖槽粗加工刀具路径

1．选择主菜单（MainMenu）-刀具路径（Toolpaths）-曲面（Surface）-粗加工（Rough）-挖槽加工（Pocket）–所有（All）-曲面（Surfaces）-完成（Done）

2．进入“挖槽粗加工刀具参数设置”对话框，选择直径为20mm的端铣刀；

3．用鼠标单击图8-39上部的“曲面参数（Surfaceparameters）”选项卡，进入“挖槽粗加工曲面参数设置”对话框，设置内容与图8-19基本相同，不同点为工件表面高度设置有效，设定值为：

工件表面高度（Topofstock…）：

38.0（绝对量）

4．用鼠标单击图8-39上部的“挖槽粗加工参数（Roughpocketparameters）”选项卡，进入“挖槽粗加工参数设置”对话框，设置完毕后，如图8-39所示；

图8-39

5.用鼠标单击图8-39中的“切削深度（Cutdepths…）”按钮，进入“切削深度（Cutdepths…）设置”对话框，设置完毕后，如图8-40所示，单击图8-40中的“OK”按钮，回到图8-39；

图8-40

6.用鼠标单击图8-39中的“确定”按钮，再用鼠标在绘图区串接挖槽边界，如图8-41所示，再单击主菜单区的“Done”，生成曲面挖槽刀具路径。

图8-41图8-42

步骤三挖槽粗加工过程仿真

按照2.5节的方法进行仿真操作，仿真结果如图8-42所示。

步骤四存储文件

文件名为：

Ch8_1_5_2.MC8

8.1.6曲面高速挖槽加工方法（HighSpeedPocket）

图8-43

图8-44

曲面高速挖槽加工方法是曲面挖槽加工方法中的一种特殊方法，用曲面高速挖槽加工方法生成的刀具路径非常平滑，因此，适用于进给速度很高的条件。

图8-43为被加工零件的轴测图。

步骤一读入文件

文件名为：

Ch8_1_6_1.MC8

该文件存储的零件图形如图8-44所示。

步骤二生成高速挖槽粗加工刀具路径

1．选择主菜单（MainMenu）-刀具路径（Toolpaths）-曲面（Surface）-粗加工（Rough）-挖槽加工（Pocket）-所有（All）-曲面（Surfaces）-完成（Done）

2．进入“挖槽粗加工刀具参数设置”对话框，选择直径为20mm的端铣刀；

3．用鼠标单击图8-45上部的“曲面参数（Surfaceparameters）”选项卡，进入“挖槽粗加工曲面参数设置（Surfaceparameters）”对话框，设置内容与图8-19基本相同，不同点为工件表面高度设置有效，设定值为：

工件表面高度（Topofstock…）：

0.0（绝对量）

加工余量（Stocktoleaveondrive）：

1.0

图8-45

4．用鼠标单击图8-45上部的“挖槽粗加工参数（Roughpocketparameters）”选项卡，进入“挖槽粗加工参数设置”对话框，设置完毕后，如图8-45所示；

5.用鼠标单击图8-45中的“切入-螺旋线（Entry-helix）”按钮，进入“切入-螺旋线设置”对话框，设置完毕后，如图8-46所示，单击图8-46中的“确定”按钮，回到图8-45；

图8-46

6.用鼠标单击图8-45中的“确定”按钮，再用鼠标在绘图区串接挖槽边界，如图8-47所示，再单击主菜单区的“Done”，则得到高速挖槽刀具路径。

图8-47

步骤三高速挖槽粗加工过程仿真

按照2.5节的方法进行仿真操作，仿真结果如图8-48所示。

图8-48

步骤四存储文件

文件名为：

Ch8_1_6_2.MC8

8.1.7残料粗加工方法（RestMill）

残料粗加工方法是一种非常实用的粗加工方法，用于清除掉前一个加工方法剩余的材料。

这种方法的突出优点是可以用较大直径的刀具进行加工，以发挥大直径刀具切除效率高、不易损伤的特点，再用小直径刀具清除余料，由于残料粗加工方法只加工剩余材料部分，没有空行程，效率很高。

与曲面残料精加工方法不同的是，残料粗加工不是直接进入曲面的最低层切削，最此，不易损伤刀具，安全性好。

本节的被加工零件依然是，目标是清除

步骤一读入文件

文件名为：

Ch8_1_6_2.MC8

步骤二生成残料粗加工刀具路径

1．选择主菜单（MainMenu）-刀具路径（Toolpaths）-曲面（Surface）-粗加工（Rough）-轮廓加工（Contour）–所有（All）-曲面（Surfaces）-完成（Done）

2．进入“轮廓粗加工刀具参数设置”对话框，选择直径为10mm的端铣刀；

3．用鼠标单击图8-49上部的“曲面参数（Surfaceparameters）”选项卡，进入“轮廓粗加工曲面参数设置”对话框，设置内容与图8-19基本相同，不同点为：

加工余量（Stocktoleaveondrive）：

1.0

4．用鼠标单击图8-49上部的“轮廓粗加工参数（Roughcontourparameters）”选项卡，进入“轮廓粗加工参数设置”对话框，设置完毕后，如图8-49所示；

图8-49

5．用鼠标单击图8-49中“残料铣削（Restmill…）”按钮，进入“残料铣削设置”对话框，设置完毕后，如图8-50所示，单击图8-50中的“OK”按钮，回到图8-49；

6．用鼠标单击图8-49中的“确定”按钮，再用鼠标在绘图区串接与图8-47相同的挖槽边界，单击主菜单区的“Done”，得到残料粗加工刀具路径。

图8-50

步骤三残料粗加工过程仿真

按照2.5节的方法进行仿真操作，仿真结果如图8-51所示。

图8-51

步骤四存储文件

文件名为：

Ch8_1_7_1.MC8

8.2精加工方法的应用

精加工的目的是切除粗加工后剩余的材料，以达到零件的形状和尺寸精度的要求。

精加工中，首先要考虑的是保证零件的形状和尺寸精度，精加工中一般采用球铣刀。

MasterCAM提供了多种精加工方法，如平行（Parallel）、陡斜面（Par.Steep）、放射（Radial）、投影（Projection）、流线（Flowline）、轮廓（Contour）、浅平面（Shallow）和环绕