Mastercam 四轴加工终极指南

本指南将分为以下几个部分：

1. 第一部分：核心概念与准备工作

   • 什么是四轴加工？
   • 四轴机床的两种基本类型
   • Mastercam 中的“旋转轴”设置
   • 四轴加工的优势与局限性

2. 第二部分：Mastercam 四轴设置详解

   • 机床定义

   • 刀具路径设置

     
     （图片来源网络，侵删）

   • 旋转轴的“旋转中心”设置（最关键的一步）

3. 第三部分：四轴刀具路径策略

   • 四轴曲面粗加工

   • 四轴曲面精加工

     
     （图片来源网络，侵删）

   • 四轴钻孔

   • 四轴铣削（侧铣、槽加工）

4. 第四部分：后处理与仿真

   • 选择正确的后处理器

   • 刀路仿真与实体切削验证

   • G 代码检查

5. 第五部分：实战案例 - 加工一个带螺旋槽的圆柱

   步骤分解与操作演示

第一部分：核心概念与准备工作

什么是四轴加工？

四轴加工是在传统的 X、Y、Z 三轴直线运动基础上，增加了一个旋转轴（通常称为 A 轴），通过旋转轴的旋转和三轴的直线插补，可以加工出复杂的回转体表面、螺旋槽、斜孔等特征。

四轴机床的两种基本类型

• 绕 X 轴旋转: 这是最常见的配置，工作台绕着机床的 X 轴旋转，刀具在 Y-Z 平面内移动，适用于加工长轴类、管状零件。
• 绕 Y 轴旋转: 工作台绕着机床的 Y 轴旋转，刀具在 X-Z 平面内移动，适用于加工盘类、短轴类零件。

注意： 在 Mastercam 中设置时，你需要根据你的实际机床选择正确的旋转轴。

Mastercam 中的“旋转轴”设置

Mastercam 的四轴加工核心在于将一个线性轴（如 X 或 Y）的行为“替换”为旋转轴，在设置绕 X 轴旋转的四轴时，你会告诉 Mastercam：“X 轴不再是做直线运动了，而是做旋转运动。”

优势与局限性

• 优势:
  • 加工复杂曲面： 一次装夹即可完成复杂回转面的加工，精度高。
  • 提高效率： 对于某些特征（如螺旋槽），四轴加工远比三轴+分度盘高效。
  • 减少装夹： 减少工件多次装夹带来的定位误差和装夹时间。
• 局限性:
  • 刀具可及性： 刀具可能会在旋转过程中与夹具或工件的其他部分发生干涉。
  • 编程复杂度： 需要理解旋转运动，并正确设置旋转中心。
  • 机床成本： 四轴机床比三轴机床更昂贵。

第二部分：Mastercam 四轴设置详解

这是整个流程中最关键的部分,设置错误会导致整个刀路失败。

机床定义

在进行任何编程之前,你必须告诉 Mastercam 你正在使用哪种机床。

• 操作路径： 机床定义 -> 铣床 -> 铣床-4轴
• 选择类型： 选择 绕X轴旋转 或 绕Y轴旋转，这一步至关重要，它决定了后续所有坐标的计算逻辑。

刀具路径设置

在创建任何刀路（如 2D 外形、3D 曲面加工）时，你需要切换到四轴模式。

• 操作路径： 在刀路操作管理器中，右键点击你的刀路 -> 设置 -> 刀具面/构图面。
• 选择视图： 选择 4轴，你的构图面和刀具面将根据你定义的旋转轴进行相应调整。

旋转轴的“旋转中心”设置（最关键的一步）

旋转中心是工件围绕其旋转的虚拟轴线,加工一个直径 100mm 的圆柱，其旋转中心就是圆柱的中心线。

如何设置旋转中心？

Mastercam 提供了两种主要方法：

• 通过 WCS (World Coordinate System) 设置（最常用）

  1. 在 Mastercam 的左侧 操作管理器 中，找到 刀具路径 -> 属性 -> 文件。
  2. 在 文件属性 对话框中，切换到 设置 标签页。
  3. 找到 旋转轴 或 Rotary Axis 选项。
  4. 在 旋转中心 或 Rotation Center 区域，选择 从 WCS。
  5. 你的 WCS 的 X 轴（如果绕X轴旋转）或 Y 轴（如果绕Y轴旋转）就定义了旋转中心。
  6. 关键操作： 使用 构图 -> WCS -> 设定原点 或 旋转 等命令，将 WCS 的原点移动到你希望的旋转中心位置，加工一个圆柱，你需要将 WCS 的 X 轴移动到圆柱的中心线上。

• 通过点或线直接定义

  1. 在 文件属性 -> 设置 -> 旋转轴 中。
  2. 选择 选择 或 Select。
  3. 然后在图形区选择一个点或一条线来定义旋转中心,选择一条线是定义旋转轴最精确的方法。

对于新手，强烈推荐方法一，因为它直观且易于修改，你只需要调整 WCS 的位置即可。

第三部分：四轴刀具路径策略

设置好机床和旋转中心后,你就可以创建四轴刀路了。

四轴曲面粗加工

• 策略： 刀具路径 -> 曲面粗加工 -> 粗加工-放射状 (Radial) 或 粗加工-投影 (Project) 等。
• 关键设置：
  • 在 切削参数 对话框中，确保 旋转轴 选项被激活。
  • 你可以设置 切削类型 为 绕X轴 或 绕Y轴。
  • 设置 起始角度 和 终止角度 来控制加工范围。
  • 设置 角度增量 来控制刀路之间的密度。

四轴曲面精加工

• 策略： 刀具路径 -> 曲面精加工 -> 精加工-平行式 (Parallel) 或 精加工-等高 (Contour) 等。
• 关键设置：
  • 同样,在切削参数中激活 旋转轴。
  • 对于 平行式精加工，你可以设置 切削方向 为 绕X轴，刀路将沿着圆周方向生成。
  • 对于 等高精加工，刀路将沿着 Z 轴高度分层，A 轴配合旋转，非常适合加工陡峭的侧面。

四轴钻孔

• 策略： 刀具路径 -> 钻孔。
• 关键设置：
  • 选择要钻孔的点。
  • 在 钻孔 参数对话框中，切换到 深孔钻-无啄钻 或其他循环。
  • 最关键的一步： 在 自设循环 或 Custom Cycle 中，你需要选择支持四轴的循环代码（Fanuc 系统中的 G81 模式需要设置为 增量模式 或 使用角度），具体取决于你的后处理器，你需要设置一个 角度增量 参数，告诉机床在每次 Z 轴下刀后，A 轴旋转多少度。

四轴铣削（侧铣、槽加工）

• 策略： 刀具路径 -> 外形铣削 或 挖槽。
• 关键设置：
  • 绘制一个 2D 外形（一个矩形或一条线）。
  • 在 外形铣削参数 中，勾选 旋转轴。
  • 设置 切削类型 为 绕X轴。
  • Mastercam 会将这个 2D 外形“拉伸”成一个 3D 槽或特征，并利用旋转轴进行加工，这是加工螺旋槽或直线槽的常用方法。

第四部分：后处理与仿真

选择正确的后处理器

• 这是致命的一步，如果后处理器不正确，生成的 G 代码机床根本无法识别或执行。
• 操作路径： 刀具路径 -> 选择后处理器。
• 选择与你机床控制系统（如 Fanuc, Siemens, Haas 等）和轴数（4轴）相匹配的后处理器文件（通常是 .pst 文件）。Fanuc_4axis.pst。

刀路仿真与实体切削验证

• 操作路径： 在操作管理器中，选择你的刀路，点击 验证。
• 建议：
  • 先进行路径仿真： 检查刀路轨迹是否正确，有无碰撞。
  • 再进行实体切削验证： 在虚拟的毛坯上模拟切削过程，检查最终加工结果是否符合预期，并检查过切、残留等问题，在四轴验证中，一定要确保能看到旋转轴的运动。

G 代码检查

• 生成 G 代码后，用记事本或文本编辑器打开 .nc 文件。
• 检查代码中是否包含了正确的旋转轴指令（如 A 轴指令）和运动模式（如 G91 增量模式），这能帮助你快速判断后处理是否正确。

第五部分：实战案例 - 加工一个带螺旋槽的圆柱

目标： 加工一个直径 100mm，长度 200mm 的圆柱，在其表面加工一条宽 10mm，深 5mm 的螺旋槽。

步骤：

1. 绘图：

   • 绘制一个直径 100mm 的圆柱体。
   • 在圆柱体的端面上,从中心点绘制一条长度为 50mm 的水平线（作为螺旋槽的起点）。

2. 设置机床和 WCS：

   • 定义机床为 铣床-4轴，选择 绕X轴旋转。
   • 将 WCS 的原点移动到圆柱体的一端中心，如果螺旋槽从一端开始，就设置在那里。

3. 创建四轴外形铣削刀路：

   • 选择 刀具路径 -> 外形铣削。
   • 选择你刚才绘制的那条水平线。
   • 在 外形铣削参数 对话框中：
     • 选择一把合适的平底铣刀。
     • 勾选 旋转轴。
     • 在 旋转轴设置 中，选择 切削类型 为 绕X轴。
     • 设置 起始角度 为 0。
     • 设置 终止角度 为 360 (加工一圈)。
     • 设置 Z 轴下刀增量，1 (每次下刀 1mm)。
     • 设置 角度增量，1 (每加工一圈，A 轴旋转 1mm 对应的角度)。
   • 点击确定,生成刀路。

4. 仿真与后处理：

   • 使用 实体切削验证 查看螺旋槽的加工效果。
   • 选择正确的四轴后处理器,生成 G 代码。

通过这个案例,你可以直观地看到 Mastercam 如何将一个简单的 2D 线条，通过四轴设置，转换成一个复杂的 3D 螺旋加工路径。

学习资源推荐

• 官方教程： Mastercam 官网和 YouTube 频道有大量官方和认证专家发布的视频教程。
• 在线课程平台： Udemy, LinkedIn Learning 等平台有系统性的 Mastercam 四轴课程。
• 中文论坛/社区： 如“Mastercam中国用户社区”等，可以找到很多用户分享的经验和问题解答。

希望这份详细的指南能帮助你顺利入门 Mastercam 四轴加工！祝你学习愉快！