MasterCAM软件在数控车削加工中的应用

本文通过MasterCAM软件在数控车削加工中的一个应用实例，介绍了MasterCAM软件车床模块强大的CAD绘图、刀具路径设置、零件的刀具路径模拟和实体切削验证、生成数控程序等功能及其应用方法。

1 引言

    MasterCAM软件因其强大的CAD/CAM功能而享誉全球，包括美国在内的各工业大国，均一致采用本系统为设计、加工制造的标准。因此，无论在制造业，还是在学校的教学科研中，MasterCAM软件都拥有广泛的用户群，成为最流行的CAD/CAM软件之一。运用MasterCAM软件可轻松绘制工件的二维图形，进行三维曲面设计以及实体造型，创建精确的刀具路径，通过后处理生成数控加工程序，并能够进行仿真模拟加工。运用CAD/CAM技术进行数控加工，是先进制造技术的重要组成部分，它可以使企业提高设计质量，缩短生产周期，降低产品成本，提高经济效益。因此，MasterCAM软件在国内的数控加工领域有着广阔的前景。

2 MasterCAM软件的功能介绍

    MasterCAM 9.2由Lathe（车削）、Mill（铣削）、Wire（线切割）和Design（造型）4个模块组成。其中Lathe、Mill和Wire 3大模块都具有完整的三维造型功能，它们既可以和Design模块配合使用，也可单独使用。MasterCAM的主要功能有：

    （1）CAD绘图功能。MasterCAM可设计、编辑复杂的二维、三维空间曲线，还能生成方程曲线。并具有强大的曲面造型功能和实体造型功能，可用于零件表面局部形状的详细设计，实现精确建模。

    （2）模拟加工功能。MasterCAM软件实现车削、铣削和线切割的仿真加工，并可随时修改零件几何模型及加工参数。同时提供相关的加工情况报告，检测加工过程中可能出现的碰撞、干涉、过切等问题，避免实际加工时错误的走刀轨迹给零件加工带来的损失。

    （3）数控编程功能。采用MasterCAM软件的后处理程序可自动生成NCI刀具路径文件或NC数控代码。MasterCAM系统本身提供了一百多种后处理PST程序，对于不同的数控设备，可根据相应的数控系统选用对应的后处理程序，后置处理生成的NC数控代码经适当修改后，使其符合所用数控设备的要求，就可以输出到数控设备，进行数控加工使用。

    （4）与数控设备实现直接通信。MasterCAM软件生成的NC数控代码，利用计算机的通信接口直接输出到数控设备中，可以节省大量编写和输入程序的时间，提高工作效率。

    （5）文件管理和数据交换功能。MasterCAM软件设置了许多数据转换器，如ASCII、SAT、IGES 等，还有针对AutoCAD、Pro/E 等软件的数据转换器。用户可以将多种类型的文件与MasterCAM软件数据库进行转换。MasterCAM软件还带有刀具库和材料库等，使实际加工变得非常方便。

3 MasterCAM软件在数控车床加工中的实际应用

    下面以固定座为例说明MasterCAM软件在数控车床加工的应用。

    3.1 加工零件图与加工工艺分析

    图1为“固定座”零件图的剖视图。其加工工艺为：车端面-车外圆-切槽-钻孔-镗孔-内螺纹加工-切断。

图1 “固定座”零件图

    3.2 零件的几何建模

    建立零件的几何模型是数控加工的基础。在MasterCAM车床加工中，工件一般都是回转体，所以只需进行二维图形的绘制，并且绘制零件的一半轮廓即可，即只需绘制回转体的母线即可。需要说明的是，由于在MasterCAM9.2中，凹槽的形状及尺寸可以由“切槽的型式参数”选项卡的内容来定义，螺纹的形状及参数可以由“螺纹型式的参数”选项卡的内容来定义，因此绘图时无需构造凹槽和螺纹的几何形状，只需绘出凹槽的特征点以及螺纹的起点和终点即可。内螺纹处的轮廓是螺纹的最小直径φ27.6mm。最终绘出的零件几何模型如图2所示。

    3.3 确定装夹方法和毛坯尺寸

    MasterCAM车削加工系统可以生成多种车削加工路径，包括快捷车削、车端面、粗车、精车、切槽、钻孔、车螺纹、切断、C轴加工等加工路径。在车削加工系统的各模组生成刀具路径之前，需要进行工作设定，即设置毛坯尺寸大小及卡盘的装夹位置。

    依次单击【回主功能表】→【刀具路径】→【工作设定】选项，系统弹出【车床的工作设定】对话框。其中【一般的设定】选项卡只要按默认值设置即可。在【边界的设定】选项卡中，选择Stock【毛坯】选项组中的“Left spindle【左主轴】”选项，设置工件的主轴方向，如图3所示。

图3 “边界设定”对话框nextpage

    单击Stock【毛坯】选项组中的Parameters【参数】按钮，在弹出的“Bar Stock（棒料毛坯）”对话框中设置毛坯棒料尺寸分别为：毛坯外圆直径为110mm、长度为160mm、右端面起点为原点。在Bar Stock【棒料毛坯】对话框中，还可以勾选Use Margins【使用边缘】选项，以显示出工件的边缘，同时可以在右边的输入框中修改直径、左边和右边的边缘。如图4所示。另外，还可单击Preview【预览】按钮观察毛坯的外形设置情况，如果不合理，可以修改或重新设定。需要说明的是，由于软件只是演示加工的效果，没有考虑车削作用力，夹持工件的长度可以随意确定；但在实际加工工件时，由于切削力很大，卡盘夹持工件的长度（毛坯的长度）必须足够长，否则可能会将工件撞飞，发生安全事故。

图4 显示毛坯的边缘部分

    设置完工件的毛坯尺寸后，下一步任务是设置工件夹头。方法为：在【车床的工作设定】对话框下的【边界的设定】选项卡中，选择Chuck【夹头】选项组中的“Left spindle【左主轴】”选项，设置工件的主轴方向。然后单击Chuck【夹头】选项组中的Parameters【参数】按钮，在弹出的Chuck Jaw【卡爪】对话框设置卡爪的形状和位置。卡爪的形状可通过修改卡爪的宽度和高度来完成，如图5所示。与毛坯的设定一样，工件夹头的设置也可单击Preview【预览】按钮观察工件夹头的位置是否正确，如果不正确也可以修改或重新设定。工件夹头的位置可通过直接输入夹头坐标来确定，也可在图5的“User defined【用户自定义】”选项处修改X和Z的数值来确定。注意此处的X值必须是恰好是毛坯的半径值。

    为了使仿真效果更加形象直观，还可通过勾选“Shade boundaries【边界加阴影】”复选框对毛坯和卡盘加上阴影效果。加上阴影后的工件毛坯和卡盘外形如图6所示。

图6 夹头和毛坯加上阴影后的效果nextpage

    3.4 规划刀具路径

    （1）端面加工设置。端面加工设置主要包括端面加工刀具的选择、刀具参数（主要是进给速率和主轴转速）的选择、端面车削参数的设置（主要有粗车、精车的进给量，Z轴加工终点等）。其它的参数如车削的形式、刀片的参数、刀把的参数、导入/导出方向等，一般可按默认进行设置。设置完毕后单击“车床- 车端面”对话框中的【确定】按钮，系统即快速生成仿真加工的刀具路径。

    （2）外圆加工设置。外圆加工设置包括外圆粗车和外圆精车两个方面。其中外圆粗车设置主要包括外圆粗车刀具的选择、刀具参数（主要是进给速率和主轴转速）的选择、外圆粗车参数的设置（主要有粗车进给量、精车余量、刀具的导入/导出方向，以及是否加工凹槽）等。具体方法如下：

    a.在“主功能表”下单击【刀具路径】→【粗车】→【串连】→【部分串连】。

    b.分别选择部分串连的第一个图素和最后图素，如图7所示。需要注意的是，在选择第一个图素时应尽量靠近串连图素的起点，选择最后一个串连图素时应尽量靠近串连图素的终点，否则图素不会正确串连并弹出相应的警告。而当正确串连时，所形成的串连线段会变成黄色，且单击主功能表的“执行”命令后在起点和终点处会分别出现一个箭头，如图8所示。

    c.在弹出的“车床-粗车”对话框的【刀具参数】选项卡中选用粗车刀具，并设置合理的刀具参数（切削速度和主轴转速）。粗车时由于切削力较大，一般选择中等切削速度和较低的主轴转速（一般为450-600转/min）

    d.单击【粗车的参数】选项卡，按图9所示设置粗车加工参数。刀具参数及加工参数是控制粗车加工质量和效率的主要因素，因此要注意合理选择。不同刀具的切削用量是不相同的。一般来说，粗加工时，切削深度大，切削力也大，选择刀具时要选用直径大一点的刀具。另外，粗车时还必须设置好合理的“预留量”即精加工余量，以便下一步的精加工。

图9 设置“粗车”加工参数nextpage

    e.单击【粗车的参数】选项卡中的Lead in/out【导入/导出】按钮，可分别设置进刀和退刀的方向和距离。如图10和11所示。导入和导出的设置对于加工带有凹槽的外表面和内孔是非常必要的，如果没有设置的话，则可能不能正常加工或产生干涉或碰撞等现象。

图10 设置导入角度和距离

图11 设置导出角度和距离

    f.设置是否加工凹槽及凹槽切入方向。单击Lead in/out【导入/导出】按钮下方的Plunge Parameters【切入参数】，弹出图12所示的Plunge Parameters【切入参数】对话框。该对话框的默认参数是不加工凹槽部分，即图中的第一项。可以根据工件外形设置是否加工凹槽及凹槽切入方向。如果凹槽在端面方向，可选择第四项；如果凹槽在外圆方向，可选择第三项；如果端面方向和外圆方向都有凹槽，则选择第二项。当外圆方向有凹槽时，还需设置刀宽补偿，即刀具切入的合适角度，这样才能确保挖槽时不会产生干涉。

图12 凹槽加工及“切入参数”对话框设置nextpage

    g.所有参数设置完毕后，单击“车床-粗车”对话框中的【确定】按钮，系统自动演示刀具的加工过程并生成相应的刀具轨迹图（如图13所示）。

图13 粗车外圆的仿真加工刀具路径

    外圆精车的设置方法与外圆粗车的设置方法相同，【精车的参数】选项卡中各参数与【粗车的参数】选项卡中的参数也基本相同，如图14所示。不同的是【精车的参数】选项卡中增加的“Number of finish”输入框用来设置精加工的次数。精加工的次数应设置为粗车加工完成后的精加工预留量除以“Finish stepover”输入框中设定的精车加工进刀量。

图14 精加工参数设置界面

    （3）切槽加工设置。在【车床的刀具路径相关设定】主菜单中，单击【切槽】选项，弹出如图15所示的槽的定义方式对话框。按默认值单击“OK【确定】”按钮，选取事先绘制的特征点P2后按 键，系统弹出如图16所示的“车床- 径向粗车”对话框。这里需要设置的内容主要有切槽刀的选择、刀具参数及切削用量的设定、槽的几何形状及尺寸的定义、槽的粗加工参数及精加工参数（安全高度、下刀位置、加工方向、切削方式、导入/导出路径等）的设定。设置后，退出对话框，即可得到切槽刀具的加工路径。

图15 槽的定义方式

图16 切槽的参数设置nextpage

     （4）钻孔加工设置。钻孔加工设置主要包括钻头的选择、刀具参数的设定和加工参数（安全距离、下刀位切削深度等）的设定。而“Custom Drill parameters【典型钻孔循环】”对话框中按默认值设置即可。设置完毕后，单击“车床-钻孔”对话框中的【确定】按钮，则在退出对话框的同时显示钻孔时刀具的加工路径。

    （5）镗孔加工设置。加工M30mm×2mm的内螺纹，一般先用钻头钻出直径为φ25mm的孔，再镗孔至直径φ27.6mm。在MasterCAM中，镗孔加工的设置方法与外圆车削加工时的设置方法是一样的，但是由于镗孔加工的是内孔，比较容易出现干涉现象，因此在选择刀具时首先要选择镗孔刀，其次，一方面要考虑刀杆直径及刀尖与刀杆中心线之间的距离与孔的尺寸的关系，另一方面要合理设置好刀具的导入/导出角度和距离，尽量避免碰撞和干涉现象的发生。在设置加工参数方面，系统是按标准刀具的尺寸和形状来判断是否碰撞的，并不能完全反映实际加工的情况；因为在实际应用中，可以通过修磨刀尖和刀杆的形状等方法来避免碰撞和干涉现象的发生。因此，仿真时可选用刀杆稍微小一点的镗刀，实际使用时则可选用刀杆比仿真时稍微大一点的镗刀；而且在生成刀具路径的程中，当出现图17所示的提示时，忽略碰撞提示，选择“Yes【是】”选项，让系统生成刀具路径，最终生成的镗孔粗、精加工的刀具轨迹图如图18所示。

图17 刀具碰撞提示

图18 镗孔加工的刀具轨迹图

    （6）螺纹加工设置。MasterCAM车床模块拥有完整的螺纹加工功能，包括多头螺纹加工功能、螺纹查表功能以及螺纹直径自动计算功能等。螺纹加工设置主要包括螺纹刀的选择、刀具参数及切削用量的设定、螺纹型式参数的定义、螺纹切削参数（螺纹加工指令、切削深度、走刀次数、安全距离、导入角度、引入长度和超越长度等）的设定。

    在“【螺纹型式的参数】”对话框中可以定义螺纹参数（如图19所示）。“Lead”输入框用来设置螺纹的螺距，有两种表示方法，当选择“牙/mm”选项时，输入框中的输入值表示为每毫米长度上螺纹的个数；当选择“mm/牙”选项时，输入框中的输入值表示为螺纹的螺距。“Major Diameter”输入框用于设置螺纹大径，“Minor Diameter”输入框用于设置螺纹小径，“Thread depth”输入框用于设置牙形高度；这3 个参数只要输入其中两个，第3个参数就会自动计算出来。也可进入“公式计算”对话框，输入基本大径和螺距后，系统自动计算出螺纹小径和牙形高度。另外，当螺纹的螺距确定之后，主轴转速和进给速度之间，也只需输入其中一个参数，另外一个参数就自动计算出来。设置完成后，单击“车床-车螺纹”对话框中的【确定】按钮，则在退出对话框的同时自动生成螺纹加工的刀具路径。

图19 设置螺纹形状参数对话框nextpage

    （7）切断加工设置。当选择“切断”命令时，系统会首先提示“切断：请选择边界位置”，此时可输入切断点的坐标，也可选取一个已经存在的点来定义车削的起始位置。选择完毕后，系统弹出“车床-切断”的设置对话框。在这里，系统会默认使用径向车削的切槽刀，但由于切槽刀的长度较小，因此必须重新选择切断刀。切断加工设置和切槽加工设置基本一样，主要包括切断刀的选择、刀具参数（刀片尺寸参数和刀把尺寸参数的设定）及切削用量的设定、切断加工参数（安全高度、退刀半径、加工终点X 向位置、对刀点位置、每次进刀距离、导入/导出路径等）的设定。设置完毕后，退出对话框，即可得到切断刀具的加工路径。但有两点必须注意：

    第一，由于工件的毛坯直径较大，选择切断刀时必须设置刀具具有足够的长度。如图20所示，由于工件的毛坯直径为φ110mm，故C的尺寸设置为60mm；

图20 刀把的参数设置

    第二，在实际加工时，通常是在加工外圆时，将切断位置的外圆面也一并加工，切断时直接从精加工完毕的外圆面处开始加工，这样一方面使切槽刀具切入工件时受力均匀，另一方面也不会使加工外圆时在终点处由于退刀而留下一个毛刺。

    3.5 零件的刀具路径模拟和实体切削仿真

    在进行前面的设置时，MasterCAM将创建一组包含“加工参数信息”、“加工刀具信息”、“图形信息”和“NCI文件信息”等4项内容的信息单元，这样的一个单元就是一个操作。设置好加工刀具路径后，利用MasterCAM系统提供的实体加工模拟功能，可以观察切削加工的过程，检测工艺参数的设置是否合理，零件在数控实际加工中是否存在干涉，验证刀具路径的正确性。图21所示的对话框中，显示了所有的操作，可对列出的每项操作进行编辑修改，直到满意。同时对话框中还提供了“Backplot【刀具路径模拟】”、“Verify【实体验证功能】”以及“Post【后置处理】”等选项，实现特定的操作。当单击“Backplot【刀具路径模拟】”选项时，操作管理器消失，同时在主功能表中出现如图22所示的菜单，在这里可以进行各单元的刀具路径模拟（在进行刀具路径模拟时，只选择想要检查的加工单元即可），也可进行所有单元的刀具路径模拟；可以手动控制，也可以自动控制；可以控制是否显示刀具、是否显示加工路径、是否着色验证；还可以设定路径模拟显示的参数等。单击“Verify【实体验证功能】”时，可以进行实体切削仿真加工，也可以剖切素材后再进行仿真加工，两种效果分别如图23和图24所示。零件的刀具路径模拟和实体切削仿真，在实际生产中省去试切工序的同时还能降低材料的消耗，大大提高了生产效率并降低生产成本。

图21 操作管理器对话框nextpage

图22 “刀具路模拟”菜单

图23 实体切削仿真加工效果图

图24 剖切素材后实体切削仿真加工效果图

    3.6 生成数控指令代码及程序传输

    模拟加工后，各种参数的设置都没有任何问题，就可以利用MasterCAM的后置处理程序生成NCI文件或NC文件，NCI文件为数控加工信息文件，这是生成数控程序文件之前的过渡文件；NC文件则为最终有效的数控程序文件。如果机床系统与MasterCAM默认的系统（一般为FANUC系统）不一致，还要在图25所示的对话框中勾选项“Edit【编辑】”选项，这样生成的程序可以进一步编辑后再输出到数控设备，进行数控加工使用。图26为生成的可编辑程序。

图25 后处理程序对话框

图26 生成的可编辑程序

4 结束语

    通过以上对MasterCAM软件的功能介绍及其在数控车床加工中的实际应用例子，可以看到，MasterCAM软件在车床模块的应用主要有：

    ①绘制零件的轮廓图形；

    ②根据零件工艺流程设置刀具和加工参数，得到刀具路径；

    ③零件的刀具路径模拟和实体切削验证；

    ④进行后置处理，生成有效的数控程序文件。

    使用MasterCAM软件的CAM功能生成数控代码，并传输至数控设备，操作者只需输入刀具参数，就可以按照编制好的程序进行零件加工。不仅大大减少了编程人员的工作量，更缩短了手工编程在车床上的调试时间，提高了工作效率，特别是对于一些形状复杂的零件，用手工编程很难实现，在MasterCAM软件中则可以轻松完成。而且当零件几何模型或加工参数修改后，MasterCAM软件能迅速准确地自动更新相应的刀具路径，无需重新设计和计算刀具路径。这样可以大大提高生产效率、降低生产成本，提高生产的自动化程度。