一种基于MasterCAM X5和数控加工中心的零件表面雕刻技术∗

随着经济的发展，制造业信息化已经显示出巨大的生产潜力，并在实际生产中得到了广泛的应用[1]，材料(木制品、模具)表面刻字、刻花需求量与日俱增，传统雕刻方式已不能满足现代工业精度和生产率的要求，而专用雕刻机由于价格昂贵，一些中小型加工企业难以承受，因此寻找一种价格低廉的雕刻方法显得非常必要。

根据设计单位要求，分别计算3种工况下地下车库的局部抗浮能力、局部整体抗浮能力和整体抗浮能力，得出各工况下临界抗浮水头取值，如表2所示.

基于上述现状，笔者结合几年来的教学实践经验，从雕刻图案CAD建模设计、刀具轨迹设计、机床加工试验三个方面介绍了一种基于MasterCAM X5和数控加工中心的材料表面雕刻技术。

要想从根本上提高衡阳市水稻生产水平，不仅要建立完整的种植管理监督机制，也要结合衡阳市实际情况，优化水稻种植技术。当地政府要组织相关部门对农户进行水稻种植技术的培训和指导，确保农户能真正体会到新技术类型产生的经济效益，从而推动水稻种植管理发展进程，实现经济效益和环保效益的共赢。

1 雕刻图案CAD几何建模设计

1.1 字体建模设计[2]

字体建模可采用MasterCAM软件的“文字”工具写入，MasterCAM软件可以写入的字体格式有单线数字和字母，如图1所示；双线数字和字母，如图2所示；双线汉字，如图3所示。

花纹建模可以在MasterCAM软件中直接用直线、圆、样条曲线等绘图工具勾勒出图形；或者利用CAXA等软件制作出图形另存为“iges”格式，然后导入到MasterCAM软件中；或者利用PhotoShop制作效果图如图5a所示，然后把效果图导入CorelDRAW转为可以被MasterCAM系统识别的矢量图，如图5b所示。

  

图1 单线数字和字母Fig.1 Single-line numbers and letters

  

图2 双线数字和字母Fig.2 Double-line numbers and letters

  

图3 双线汉字Fig.3 Double characters

  

图4 单线汉字Fig.4 Single characters

1.2 花纹建模设计[3]

MasterCAM软件无法直接写入单线汉字，可以采用CAXA等软件写入单线汉字另存为“iges”格式，然后导入到MasterCAM软件中，如图4所示。

  

图5 花纹建模Fig.5 The pattern modeling

2 刀具轨迹设计

刀具轨迹设计关键是确定刀位信息点位，刀位信息点位坐标及其法矢和刀具参数如图6所示。

  

图6 刀位信息计算Fig.6 Tool position information calculate

点位P(px ,py,pz)，其法矢为N(nx ,ny,nz)，则刀位点Q(qx ,qy,qz)可由式(1)求得[4]：

 

式(1)既适用于圆角刀，亦可用于球头刀及平底刀。

刀具数控插补进给一般采用逐点比较法,如图7所示,假设在直线OE附近有一个动点N(xi,yi)，则该点相对于轮廓OE的位置偏差，可以用轮廓终点E的位矢和动点N的位矢与X轴的夹角正切差来表示，式（2）所示，即：

  

图7 逐点比较法Fig.7 Point by point comparison method

 

使用一个正数xe xi乘以该式，最后得：

 

偏差值Fi式（3）的符号反映了动点N相对于直线OE的位置偏离情况,如图8所示。

1）Fi=0时，动点N在直线上，既可以+X方向也可以+Y方向进给一步，在此约定取+X方向；

除了设置进给速率、下刀速率、退刀速率、主轴转速等加工工艺参数外，还需设置安全高度、退刀高度、进给高度、加工深度等相关参数，安全高度100 mm（勾选只在起点和终点使用安全高度），退刀高度50 mm，进给高度10 mm，刻字深度-0.2 mm（根据字深设置），具体参数设置如表3、图12所示。

MasterCAM X5系统选择图案方法有多种：单选、串选、窗选。单选为一个个图素选择，效率较低，适用于简单图形；串选为首尾相连的图形，只需选择首尾两个图素则所有图形都选中，效率较高，但只适用于首尾相连的图形；窗选为单击鼠标左键拉出一个矩形窗口，位于窗口里面的所有图形都选中，效率高，适用于所有图形。由于文字、图案线条比较复杂，为了提高选择效率，采用“窗选”方式。

3）Fi＜0时，动点N在直线的下方区域，应+Y 方向进给一步[5]。

  

图8 插补刀具进给方向Fig.8 Interpolation tool feed direction

刀具轨迹后处理即把刀具轨迹转化为数控机床能够识别的数控代码（G代码）。通过“G1”工具如图17进入MasterCAM X5系统后处理界面，选择相应的数控系统（Fanuc、Siemens或广数），最后确定输出程序。输出的程序包含文字说明(如日期、刀具名称、工件坐标)等信息，如图18所示，但数控加工中心一般无法识别这些信息，因此需要手动删除辅助文字说明信息，然后以“记事本”格式保存后处理文件得到最终数控程序如图19所示。

  

图9 腔体零件图Fig.9 Cavity parts drawing

2.1 雕刻方式选择

MasterCAM X5系统工具菜单“刀具路径”自带“雕刻加工”工具，该方案操作繁琐，效率低。经过数控机床加工试验，“外形铣削”方法是一种较好的加工方式。

2.2 雕刻图案选择

2）Fi＞0时，动点N在直线的上方区域，应+X 方向进给一步；

2014年公司将继续响应十八大提出的建设生态文明的号召，做有社会责任感和历史使命感的企业，实施科技创新战略、知识人才战略、企业品牌战略，大力发展生态修复事业，努力打造水生态修复行业第一品牌，为建设美丽中国作出贡献。

2.3 刀具选择及参数设置

模具加工工业采用专门的“刻字刀”来雕刻文字或者“图案”，但“刻字刀”强度低，容易折断，需换刀和重新对刀，给加工带来时间浪费。经过机床实际加工试验，采用中心钻磨尖（图10）来替代刻字刀是一种较好的选择，该种刀具具有较高的硬度和强度，可以在砂轮上磨削，方便快捷。

大学较之中学存在阶段性的差别，主要表现在学习和人际交往上。新生中主要的问题之一是学习问题，不少新生来访者主诉“学习内容比较枯燥，没意思”，“不知道学这些东西有什么用，对现在的学习很迷茫”，“担心未来的发展，不知道将来自己要做什么，能做什么”。大学新生学习上的迷茫感主要表现三个方面。

刀具相关参数设置如表1、图10所示。

2011-2015年台湾对大陆水产品贸易主要是鱼类及其制品，其贸易总值虽逐步下降，但其在对大陆水产品贸易总值中所占的比重远大于其他水产品；软体类及其制品的贸易总值排名第二；而甲壳类及其制品和饲料用鱼粉等其他产品贸易总值均较少，且连续五年基本不变(见图3)。

 

表1 刀具参数设置Tab.1 Tool parameter setting

  

刀肩角/（°）刀具长度/mm刀刃长度/mm刀具直径/mm刀尖角度/（°）

  

图10 刀具参数设置Fig.10 Tool parameter setting

2.4 加工工艺参数设置

加工工艺参数的设置是数控自动编程非常重要的一个环节，工艺参数设置合理与否直接关系到加工质量与加工效率的高低。工艺参数必须根据加工所用材料进行合理设置，本次加工材料为“铝6061”，属于较软材料，因此进给速率（Feed rate）可以设置得相对高些为300 mm/min，主轴转速（Spindle speed）为1 000 r/min，下刀速率（Plunge rate）100 mm/min，抬刀速率(Rapid Retract)为快速退刀（G00速率）,具体加工工艺参数设置如表2、图11 所示[6-7]。

 

表2 加工工艺参数设置1Tab.2 Process parameter setting1

  

进给速率/（mm·min-1）主轴转速/(r·min-1)下刀速率/(mm·min-1)抬刀速率/(mm·min-1)

  

图11 加工工艺参数设置1Fig.11 Process parameter setting1

1.5 统计学方法 通过SPSS 18.0对数据进行分析，计量资料用±s)表示，两组间比较采用独立样本t检验，多组间比较采用单因素方差分析， P<0.05表示差异有统计学意义。

1991年冬，临淄区永流乡张家庄村，这个默默无名的小村庄在萧瑟之中热闹了起来，山东省文物考古研究所在村东发掘了一座战国时期的大型墓葬，虽然墓葬椁室被盗，但位于墓室内的陪葬坑保存完好，出土了一批设计精巧、制作精致的青铜礼器、生活用具，其中最为精美、且完整成套的是一组战国铜餐具。

 

表3 加工工艺参数设置2Tab.3 Process parameter setting2 /mm

  

  

图12 加工工艺参数设置2Fig.12 Process parameter setting2

切削深度分层设置，由于刻字加工深度较浅，一般的字深度在0.2～0.5 mm左右，因此可以一次切出，无需深度分层设置，故取消勾选“Depth cuts”，如图13所示。

  

图13 切削深度分层设置Fig.13 Cutting depth layering settings

刀具补偿设置，刀具补偿类型设置为“off”（关闭状态），刀尖补偿为Tip（刀尖点），如图14所示，此时产生的刀具轨迹与图形重合，如图15所示。如果刀具补偿类型设置为“左补偿”或者“右补偿”则刀具实际轨迹将向图形左边或右边偏离一个刀具半径值，那么刻出来的字体或花纹将会失真，如图16所示[8-9]。

  

图14 刀具补偿设置Fig.14 Tool compensation settings

  

图15 刀具轨迹与图形重合Fig.15 The tool track overlaps with the graph

  

图16 刀具轨迹偏离图形Fig.16 The tool track deviates from the graph

2.5 刀具轨迹后处理

刀具轨迹设计就是确定刀具在加工零件上的实际走刀轨迹。现以一腔体零件（图9）为例（材料为铝6061），在其表面雕刻MasterCAM X5阐述刀具轨迹设计过程。

以专题项目为载体，模块化重组教学内容，将教学线与实践线各阶段对应的知识点以子项目的方式向学生呈现，将学生要完成的任务根据实际数据库的设计和开发过程划分为8个子项目，如表1所示。

  

图17 “G1”图标Fig.17 “G1” icon

  

图18 带辅助说明信息的数控程序Fig.18 Numerical control procedures with supplementary information

  

图19 数控程序Fig.19 NC program

3 机床加工试验

3.1 数控程序传输至数控加工中心

用串口数据线连接电脑端和加工中心，用CIMCO Edit5数据传输软件传输数控程序，MasterCAM从X1版开始就自带有传输功能，在传输软件中设置好端口相关参数（如端口，波特率等），然后加工中心机床给个接受的讯号，再在传输软件中点击发送即可，如图20所示。

  

图20 数控程序传输参数设置Fig.20 Numerical control program transmission parameter setting

3.2 工件XY方向对刀

对刀前进行机床回零操作使机床返回机床机械原点以保证对刀参数的准确性，X/Y方向采用机械式寻边器进行对刀，Z方向以雕刻刀刀尖位置为Z方向基准零点进行对刀，对刀完成后手动输入程序检验对刀操作的准确性。

3.3 工件加工试切

设置机床相关操作参数进行实际雕刻加工，在雕刻加工中可以根据实际情况调整机床参数，如进给率、主轴转速等参数，加工效果如图21所示，从加工结果可以看出雕刻加工字体均匀、清晰、美观。

  

图21 实际雕刻加工效果Fig.21 Actual engraving effect

4 结语

笔者从雕刻图案CAD建模设计、刀具轨迹设计、机床加工试验三个方面介绍了一种基于MasterCAM X5和数控加工中心的材料表面雕刻加工技术，试验结果表明该方法具有操作简单、编程快捷、加工高效的优点，可以应用在实际的雕刻加工中。

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