安阳市高级技工学校
四轴加工实例教程讲义
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讲授教师：
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2011年 月 日
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一、 加工任务概述
利用图1-1 所示的“福”字图片，通过Mastercam 的四轴加工功能得到笔筒造型。具体步骤如下： 1） 把图片中的“福”字转化成Mastercam 可读入的Autodesk 格式，或利用Mastercam9.1 自带的功能，直接可以把图片格式转换成线条。
2） 经过编辑后，得到我们加工笔筒所需要的线条图形，再把图形缠绕在直径为95mm 的圆筒上 3） 通过Mastercam 的四轴加工功能得到笔筒造型。
图1-1 未编辑前的福字为图片格式
经过图片转换，再加上修饰花边，加工后即为如图1-2 效果。
图1-2 经过图片转换经过图片转换、、修饰后的加工效果
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二、 工艺方案
笔筒的加工工艺方案如表所示。 1)工艺设计
笔筒的加工工艺方案
笔筒毛坯如图1-3 所示，材质为铝镁合金5050。在实际加工中， 毛坯已没有夹持余量，不可能再用三爪夹持笔筒外圆的方法加工，但可设计一阶梯芯轴，用三爪夹持心轴，找正后，把笔筒套入芯轴，并用顶尖顶牢，由于实际加工过程中，切削力很小，笔筒内孔与芯轴之间为精密配合，顶尖顶牢后，预紧力完全满足加工切削力的要求。装夹方案设计如图1-4 所示。
图1-3 笔筒毛坯半剖视图 图1-4 笔筒加工示意图
2）芯轴设计
+0.015
经测量，笔筒的内孔直径为φ80.01mm，故芯轴直径选用φ80h5 （0），最小间隙为0.01mm，最
大间隙为0.025mm，可以满足装配加工要求。芯轴设计方案如图1-5 所示。
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图1-5 芯轴设计图形
三、 加工模型准备
1）图片转换 Mastercam9.1 版本能针对图片加工，且开发了图片直接转换成线 条的程序，具体操作方法如下：
步骤 1 选择需要的图片：单击“MAIN MENE” →“File” →
“Converters” →“Next menu” →“Rast2vec”，选择要选的图片“福 字”，如图1-6 所示。
图1-6 利用Mastercam9.1 图片加工功能选择图片
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步骤 2 把原图形转换为黑白图形：单击“Linear Black/White conversion” →拖动调节按钮，改变图形颜色→单击“OK”按钮， 如图1-7 所示。（因为原图本身就是黑白颜色，所以左右两图区别并不是十分明显）
图1-7 将原图形转换为黑白线条
步骤3 创建草图轮廓：单击“Create outlints（创建草图轮廓）”按钮， 其它参数选择如图1-8 所示→单击“OK”按钮。
图1-8 生成草图图像
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完成上述步骤后，在Mastercam 绘图区出现如图1-9 所示图形。
图1-9 生成的草图轮廓图像
步骤 4 结束图片至线条的转换：单击 Mastercam 左侧的主菜单栏 “Create geo.” →“Done”完成转换过程。
2）编辑转换后的线条图形
编辑图形：利用Mastercam 的图像移动、复制、比例缩放等编辑功能，将图1-9 原“福”字转换为如图1-10 所示格式，此时应注意转换后的图形长、宽应等于笔筒毛坯的周长和高度值。
图1-10 编辑后的笔筒福字展开图（一）
为了使加工出来的笔筒增加古典、庄重的效果，给福字增加了上下花边，如图1-11 所示。
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图1-11 编辑后的笔筒福字展开图（二）
四、 刀具、材料设计
1）刀具的设定 步骤1 进入“Job setup (工件设置) ”对话框：单击“MAIN MENU” →“Toolpaths” →“Job setup”命令，显示“Job setup (工件设置) ” 对话框，如图1-12 所示。 步骤2 进入“Tools Manager”(刀具管理器)对话框：单击“Tools„” 按钮，显示“Tools Manager”(刀具管理器)对话框，如图1-13 所示。
步骤 3 设定新刀具：在空白处单击鼠标右键→单击“Create new tool„”按钮→创建一把新刀具，显示“Define Tool（定义刀具）”对话框，按工艺方案设置刀具→单击“OK”按钮关闭对话框。
图1-12 工作设置对话框
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图1-13 刀具管理对话框
2）工件材料的设定 步骤1 进入“Job setup (工件设置) ”对话框：单击“MAIN MENU” →“Toolpaths” →“Job setup”命令，显示“Job setup (工件设置) ” 对话框，如图1-12 所示。 步骤2 进入“Material List(材料列表)”对话框：在“Material（材料）” 选项下单击 按钮（如图1-12 所示）→选择材料ALUMINUM mm-5050→依次单击“OK”按钮，完成工件材料的设定操作。
图1-14选择工件材料
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五、 创建刀位轨迹
根据数控转盘所在位置及装夹工艺，首先把福字曲线调整为如图1-15 所示。
图1-15 调整曲线方向
1）创建小福字及花边刀位轨迹
在 Mastercam9.1 中创建铣福字图案工序10 的刀位轨迹。具体操 作步骤如下：
步骤 1 选择小福字及花边线条：单击“MAIN MENU” → “Toolpaths” →“Contour” →“Window” →“Rectangle”命令， 在图形区域依次选择除大福字以外的所有线条，如图1-16 所示。
图1-16 外形铣削曲线选择
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步骤 2 进入“Contour（2D）（外形铣削）”窗口：单击“Done”命 令，显示“Contour（2D）（外形铣削）”对话框，如图1-17 所示。
步骤3 设置“Contour（2D）（外形铣削）”参数：在“Tool parameters （刀具参数）”对话框中，选择φ1 中心钻，并勾选“Rotary axis（旋转轴）”复选框，并设置主轴转速、进给速度等选项，如图1-17 所示的。
步骤4 设置旋转轴参数：单击“Rotary axis”按钮，显示“Rotary axis （旋转轴）”对话框，选中“Axis substitution”（轴的取代）、“Substitute Y axis（取代Y 轴）”和“CW（顺时针）”单选按钮，并在“Rotary diameter （旋转直径）”文本框中输入95（在φ95mm 的圆柱上包裹），如图1-18 所示，单击“OK”按钮，关闭“Rotary axis（旋转轴）”对话框。
图1-17 刀具参数对话框
图1-18 旋转轴对话框
步骤5 设置外形铣削参数：单击“Contour parameters”标签，显示 “Contour parameters（外形铣削参数）”对话框，如图1-19 所示设定相关选项，单击“确定”按钮，关闭“Contour parameters（外形铣削参数）”对话框，即生成如图1-20 所示的刀位轨迹。
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图1-19 外形铣削参数对话框
图1-20 外形铣削刀位轨迹
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2）创建大福字挖槽刀位轨迹
步骤1 选择大福字线条：单击“MAIN MENU” →“Toolpaths” → “Pocket” →“Window” →“Rectangle”命令，在图形区域窗选大福字所有线条，如图1-21 所示。
图1-21 大福字选择
步骤2 进入“Pocket（Standard）（一般挖槽）”对话框：单击“Done” 命令，显示“Pocket（Standard）（一般挖槽）”对话框，如图1-22 所示。
步骤3 设置“Pocke（t Standard）（一般挖槽）”参数：在“Tool parameters （刀具参数）”对话框中，选择如图1-22 所示的φ1 中心钻，并勾选“Rotary axis（旋转轴）”复选框，并设置主轴转速、进给速度等选项。
图1-22 刀具参数对话框
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步骤1 设置旋转轴参数：单击“Rotary axis”按钮，显示“Rotary axis （旋转轴）”对话框，选中“Axis substitution（轴的取代）”、“Substitute Y axis（取代Y 轴）”和“CW（顺时针）”单选按钮，并在“Rotary diameter （旋转直径）”文本框中输入95（在φ95mm 的圆柱上包裹）如图1-23 所示。
图1-23 旋转轴对话框
步骤5 设定“Pocketing parameter（s 挖槽参数）”参数：单击“Pocketing parameters”标签，显示“Pocketing parameters（挖槽参数）”对话框， 如图1-24 所示设定相关选项。 步骤6 设定“Roughing/Finishing parameters（粗切/精修 参数）”参 数： 单击
“ Roughing/Finishing parameters ” 标签， 显示“Roughing/Finishing parameters（粗切/精修参数）”对话框，如图1-25 所示，设定相关选项，单击“确定”按钮，关闭“Pocket（Standard） （一般挖槽）”对话框，即生成如图1-26 所示的刀位轨迹。
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图1-24 挖槽参数对话框
图1-25 粗切/精修 参数对话框
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图1-26 挖槽铣削刀位轨迹
六、加工仿真
利用Mastercam9.1 软件的加工仿真功能，可以在NC 后置处理生成NC 代码之前进行刀位轨迹进行效验，具体操作步骤如下： 步骤1 进入“Operations Manage（r 操作管理器）”对话框：单击“MAIN MENU” →“Toolpaths” →“Operations”命令，显示“Operations Manager（操作管理器）”对话框，如图1-27 所示。
图1-27 操作管理器窗口
步骤2 进入加工仿真窗口：在“Operations Manager（操作管理器）” 对话框中，选择所要加工仿真的操作后，单击“Verify”按钮，进入加工仿真窗口，其控制对话框如图1-28 所示。
图1-28 加工仿真窗口
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步骤 3 加工仿真设置：单击“Verify”控制对话框中的 按钮，显 示“Verify configuration（加工仿真设置）”对话框，选中“Cylinder”按钮，分别设置毛坯参数，见图1-29 所示。
图1-29 毛坯形状设定窗口
步骤 4 调整毛坯位置、形状：单击“OK”按钮，把毛坯调整到合 适的视角，或单击工具栏中的按钮，切换到等轴视图，如图1-30 所示。
步骤5 加工仿真：单击 按钮，进行加工仿真，模拟切削结果如图 1-31 所示。若发现问题，及时修改外形铣削及挖槽铣削参数，予以修正。
图1-30 毛坯位置、形状 图1-31 模拟切削后的结果 步骤6 结束仿真：单击“BAUKCUP”命令，或者单击“Verify”控制对话框中的按钮，显示“Operations Manager（操作管理器）”对话框，单击“OK”按钮，退出操作管理器画面，完成切削效验过程。
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七、 NC后置处理
生成刀具路径，并检验刀具路径无误后，便可以执行刀具路径后处理来将刀具路径文件编译成数控加工程序。下面通过选择适当的后置处理文件，进行后置处理，生成笔筒的数控加工程序，以便该程序在小巨人机床VTC—200B 加工中心上加工该零件。具体操作步骤如下： 步骤 1 进入“Operations Manager（操作管理器）”对话框：单击 “MAIN MENU” →“Toolpaths” →“Operations”命令，显示“Operations Manager（操作管理器）”对话框，如图1-27 所示。 步骤2 设置“Post processing（后置处理）”对话框：在“Operations Manager（操作管理器）”对话框中选择所有刀具路径（也可单选某一刀具路径），单击“Post”按钮，系统显示“Post processing（后置处理）”对话框，如图1-32 所示，根据机床类型选择对应的后置处理文件，小巨人机床VTC—200B 机床的数控系统为Mazak610M 数控系统，该系统有两种编程格式，即Mazak 人机对话格式和ISO 代码格式，FANUC 与ISO 代码格式兼容，故选用Mastercam9.1 软件进行后处理时的默认后置处理文件MPFAN.PST，并且设定其它相关选项， 如图1-32 所示。
图1-32 后处理对话框
步骤 2 是否选择全部刀具路径对话框：单击“OK”按钮，此时在 “Operations Manager（操作管理器）”中如果没有选择全部刀具路径， 会出现一信息提示，如图1-33 所示，提示是否选择全部刀具路径进行后处理，点击“是”，所有程序将出现在一个程序里，点击“否”， 可对选中的刀具路径单独进行后处理。
图1-33 提示是否对所有刀具路径进行后处理
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步骤 3 保存程序：选择保存程序目录及程序名（为了便于在 DOS 下使用传输软件，一般建议保存为英文名），单击“保存”按钮，生成G 代码程序。
图1-31 定义NC文件名及路径对话框
G 代码程序如下： % O8888
(PROGRAM NAME - FUZIJIAGONG)
(DATE=DD-MM-YY - 18-08-10 TIME=HH:MM - 02:27) N100G21
N102G0G17G10G19G80G90
(TOOL - 1 DIA. OFF. - 1 LEN. - 1 DIA. - .6) N101T1M6
N106G0G90G51X-28.11Y0.A-12.116S5000M3 N108G13H1Z57.5 N110Z52.5
N112G1Z17.1F1000.
N111X-28.337A-11.987F2000. N116X-28.202A-11.951 N118X-28.107A-12.107 N120X-28.011A-12.777 N122X-27.869A-13.061 N121X-27.608A-13.2 „„. „„. „„.
N2562X-18.887A-325.39 N2561X-18.931A-325.125 N2566X-18.981A-325.165 N2568Z52.5F1000.
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N2570G0Z57.5 N2572M5
N2571G91G28Z0. N2576G28X0.Y0.A0. N2578M30 %
八、 实际加工
在利用Mastercam9.1 软件对刀具路径进行后处理，生成加工G 代码程序后，就可以进行实际加工了，在进行实际加工前，要做如下准备工作： 1）毛坯找正
将加工好的芯轴与笔筒毛坯装配在一起，并利用数控转盘与尾座顶尖，形成“一夹一顶”的装夹方式，如图1-35 所示。
图1-35 毛坯找正
装夹完毕后，对毛坯进行找正处理。沿X 轴方向，笔筒毛坯素线直线度公差为0.015mm，沿A 轴旋转方向，笔筒毛坯圆跳动公差为0.02mm，如图1-35 所示。 2）对刀操作
四轴机床的对刀与普通三轴机床的对刀略有不同，一般情况下工件的Z 轴零点都设在数控转盘（分度头）的中心位置，Y 轴的零点为沿X轴方向，笔筒毛 坯素线直线度公差 为0.015mm 沿 A 轴旋转方向，笔筒 毛 坯 圆 跳 动 公 差 为 0.02mm 数控转盘Y 方向的中心位置，因此，Z、Y 方向的零点基本不变，但经一段时间后要进行复核零点。X 的零点设置与普通三轴机床相同， 根据具体情况具体分析，设定零点。
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图1-36 Z轴对刀
下面以Z 轴为例，图解说明一下Z 轴对刀过程。
图 1-36 所示，下方为一对刀量块，高度为10.005mm，对于普通加工来说，量块精度已经足够加工精度要求。
步骤1 量块对刀：用脉冲手轮调整刀具刀尖到机床工作台的距离， 10mm 量块去测量刀具刀尖到工作台面的位置，直到感觉刀具刀尖轻轻滑过，此时停止旋转脉冲手轮。（在旋转脉冲手轮的过程中，注意各倍率的选择）
步骤2 确定刀具长度：打开小巨人机床VTC-200B机床刀具数据对 话框，如图1-37 所示。单击操作面板上的“编辑”软键设置刀具类型，与当前主轴上的实际刀具类型相同（包括刀具形式、直径等参数）， 用操作面板上的切换键，编辑刀具的具体参数（包括刀具长度、转速极限、材质、补偿等参数），其中在输入刀具长度参数时，应先量块高度10.005mm选择操作面板下方的“长度记忆”软键→“刀尖记忆”软键→在数据输入空白处填写“10”（量块高度）→按“INPUT”键→刀具长度113.998 自动显示在刀具“长度”参数内，如图1-37 所示。
图1-37 VTC-200B机床刀具数据对话框
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步骤2 在机床刀具偏置对话框中自动计算刀具长度：单击刀具数据 对话框下方的“刀具偏置”软键（如图1-37 所示）→出现如图1-38 刀具偏置对话框→单击“刀尖记忆”软键→在“刀具偏置数据？”参数栏内输入“10”（量块高度）→按机床操作面板上的“INPUT”键→刀具长度113.998 自动显示在偏置号为1 的参数栏内。
图1-38 VTC-200B机床刀具偏置对话框 3）程序输入
笔筒程序是利用Mastercam9.1 软件自动编程而成，占用空间较大（约为800KB），因此需用RS232 接口或机床自带的存储接口传输程序，因VTC-200B 机床配有数据存储接口，本例采用CF 卡存储介质传输程序，如图1-39 所示。并将CF 卡插入机床面板上的卡槽中， 如图1-40 所示。
图1-39 CF卡 图1-10 插入CF卡
程序传输操作步骤如下：
步骤1 打开数据传输界面：单击“数据I/O”按钮，如图1-41 所示。
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图1-41 机床主操作界面
步骤2 选择传输介质：单击“IC卡”按钮，如图1-12所示。
图1-42 选择传输介质
步骤3 选择目录：单击“目录选择”按钮，如图1-43所示。
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图1-43 目录选择
步骤 1 程序传输：选择 “载入 NC<— IC 卡”按钮，按“启动” 键，则“PROGRAM”目录下的程序“8888”、“9999”，传输至NC，如图1-44 所示。
图1-44 程序传输
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九、 加工零件
在做好上述准备工作后，就可以实际加工零件了，操作步骤如下： 选择机床面板上的“MEMORY（自动加工状态）”软键，单击操作面板“工件号”按钮，选择程序“8888”，如图1-15 所示。至此，零件选择步骤操作完成，按机床操作面板上的“CYCLE START（程序循环启动）”按钮执行程序。
图1-45 选择加工程序
图1-46 加工过程中 图1-47 加工完成后
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