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五轴加工是在三轴的基础上加上两个回转轴进行的加工，对于目前的许多五轴加工中心，主轴可以为立式的，也可以调整为卧式的。因此，从原理上讲，五轴加工可以加工五面体和任意形状的曲面。但是，五轴加工中心用于倾斜的转动轴的转动角度，由于机床结构的限制，总有一个极限值，对于加工陡斜的曲面，读者要考虑机床结构极限的限制。CNC机床中的第四轴和第五轴是可以绕X、Y或Z轴旋转的任意一个轴，通常是用A、B或C表示，具体是哪根轴，则根据机床的配置来定。 五轴加工相对三轴加工而言，有很多优越性，如扩大了加工范围、提高了加工效率、提高了加工精度等，因此，目前有许多学者从事这方面的研究。五轴加工相对三轴加工要复杂得多，目前开发出的生成五轴加工刀具路径方法远比三轴加工的方法少得多，正处于研究与应用共存的阶段。 MasterCAM提供了四种产生五轴加工刀具路径的方法，即曲线五轴加工、钻削五轴加工、倾斜面五轴加工和曲面五轴流线加工方法，对于曲面加工而言，只有后两种方法可以应用。MasterCAM提供的五轴曲面加工方法，没有过切检查功能，只能针对特定情况。MasterCAM相对其他CAD/CAM软件在五轴加工上，功能基本一样，但是在MasterCAM第九版中，增加了曲面五轴流线加工多曲面片的方法，这一点要领先于其他CAD/CAM软件，且有很大的实用价值。 MasterCAM生成CNC机床加工代码时，要用到后处理程序，对于不同的控制器，如法那克（Fanuc）、西门子（Siemens）等，要用不同的后处理程序。对于五轴加工而言，目前MasterCAM软件还没有商品化的五轴加工后处理程序，需要单独开发，本书作者已掌握开发五轴加工后处理程序的方法，并在MAHO加工中心上得到验证且已实用化，本章的例子是其中的一个应用。由于后处理程序的设计比较复杂，本书没有涉及，如果读者有这方面的需求，可与本书作者联系。 本章以一个实例介绍五轴加工零件的设计方法，产生五轴粗加工和精加工刀具路径的方法和操作步骤，此实例产品为美国一家公司产品的改型件，其特点是应用了环形铣刀全五轴加工，设计的工艺极大地提高了加工效率与加工精度，减小了加工表面粗糙度。 10.1 五轴加工零件的设计 MasterCAM是用于加工的CAD/CAM软件，对于许多被加工零件而言，不需要完整造出此零件的外形，而是根据加工需要造型，因此设计造型的工作量可以大大减少，通过本例的学习，读者可以掌握根据加工需要设计造型的方法。 图10-1为被加工零件的加工仿真图，用于加工这个零件的毛坯为圆柱棒料，尺寸为f78′100，加工这个零件的造型设计步骤如下。 图 10-1 步骤一 基本设置 层(Level)：1 颜色(Color)：绿色(10) 线型(Style)：实线(Solid) 线宽(Witdth)：2 绘图面(Cplane)：前视图（F） 视图面(Gview)：前视图（F） Z向深度控制：0 按功能键F9，在屏幕上建立工件设计坐标系。 图 10-2 步骤二 绘制一圆 选择 主菜单(Main Menu)-绘图(Create)-圆弧(Arc)-圆心加直径圆(Circ pt+dia) 通过键盘 输入圆直径：100 回车 输入圆心坐标：0，-36 回车 按下Esc键，结束绘制圆操作，得到图10-2。 步骤三 绘制两条水平线 选择 主菜单(Main Menu)-绘图(Create)-直线(Line)-水平线(Horizontal) 用鼠标在绘图区任意拾取两点，如图10-3中的P1和P2，通过键盘输入Y坐标值：0，回车，得到直线P1P2，如图10-3所示。 图 10-3 用鼠标在绘图区任意拾取任意两点，如图10-3中的P3和P4，通过键盘输入Y坐标值：-4， 回车，得到直线P3P4，如图10-3所示。 按下Esc键，结束绘制水平线操作。 步骤四 打断圆 1．选择 主菜单(Main Menu)-修整(Modify)-打断(Break)-打断圆(Breakcir*) 2．通过键盘 输入打断后个数：4 回车 则图10-4所示圆弧被断为四个部分，断点分别为P1、P2、P3和P4。 图 10-4 3．用鼠标单击主菜单区中的“2段（2 pieces）”，拾取图10-4中的圆弧P1P2段； 4．用鼠标单击主菜单区中的“相交点（Intersec）”，分别拾取图10-4中的直线L1和圆弧P1P2段，则得到断点P5，如图10-4所示。 步骤五 删除圆弧 用鼠标单击工具条中的删除项，拾取图10-4中的P2P3、P3P4和P4P1圆弧段，则得到删除后的图形，如图10-5所示。 图 10-5 步骤六 绘制垂直线 设置 关闭坐标显示 选择 主菜单(Main Menu)-绘图(Create)-直线(Line)-垂直线(Vertical) 用鼠标在绘图区任意拾取任意两点，如图10-6中的P1和P2，通过键盘输入X坐标值：0， 回车，得到直线L1，如图10-6所示。 图 10-6 步骤七 绘制水平线和垂直线 选择 主菜单(Main Menu)-绘图(Create)-直线(Line)-水平线(Horizontal) 用鼠标拾取图10-7中圆弧一端点P1，再任意拾取一点，如图10-7中的P2，确认系统缺省的Y坐标值14，按下键盘上的回车键，得到水平线L1，如图10-7所示。 图 10-7 选择 主菜单(Main Menu)-绘图(Create)-直线(Line)-垂直线(Vertical) 用鼠标在绘图区任意拾取任意两点，如图10-7中的P3和P4，通过键盘输入X坐标值：-39 ，回车，得到垂直线L2，如图10-7所示。 按下Esc键，结束绘制垂直线操作。 步骤八 圆弧移位 1．选择 主菜单(Main Menu)-转换(Xform)-移位(Offset) 2．进入“移位”对话框，设置完毕后，如图10-8所示，单击图10-8中的“OK”按钮； 图 10-8 3．用鼠标在绘图区拾取图10-9中的圆弧C1，并拾取圆弧C1左上方任意一点P1，则得到图10-9； 图 10-9 4．用鼠标拾取图10-10中的圆弧C2，并拾取圆弧C2左上方任意一点P2，则得到图10-10；
图 10-10 5．按下Esc键，结束移位操作。 步骤九 被移位圆弧的修剪 1．选择 主菜单(Main Menu)-修整(Modify)-修剪(Trim)-1图素(1 entity) 2．用鼠标拾取图10-11中圆弧C1上的P1点，再拾取直线L1，则得到如图10-11所示的图形；
图 10-11 3．用鼠标拾取图10-12中圆弧C1上的P2点，再拾取直线L2，则得到如图10-12所示的图形，图10-12b为图10-12a的局部放大图；
图 10-12 用同样方法可以修剪图10-12中的圆弧C2，这里省去其操作步骤。 修剪图10-12中的圆弧C3和C4时，值得注意的是，直线L1和L2之间的圆弧是由两段组成，所以拾取圆弧时，要注意选择点位置，下面给出修剪圆弧C3的操作步骤： 1．用鼠标拾取图10-13中圆弧C3上的P3点，再拾取直线L1，则得到图10-13；
图 10-13 2．用鼠标拾取图10-13中圆弧C3上的P4点，再拾取直线L2，则得到图10-14。用同样方法可以修剪图10-13中的圆弧C4，这里省去其操作步骤；
图 10-14 3．按下键盘上的Esc键，结束修剪操作。 被移位圆弧修剪后的结果如图10-15所示。
图 10-15 步骤十 删除圆弧 用鼠标单击工具条中的删除项，拾取图10-15中的圆弧C1和C2，则被拾取的圆弧被删除，得到图10-16。 步骤十一 连接圆弧 图10-16中直线L1和L2之间的圆弧，其中有两个是由两段组成，如C3圆弧是由P1P2段和P2P3段组成，C4圆弧是由P4P5段和P5P6段组成，本操作是将P1P2段与P2P3段连接为一整体圆弧，P4P5段和P5P6段连接为一整体圆弧。
图 10-16 1．选择 主菜单(Main Menu)-修整(Modify)-连接(Join) 2．用鼠标分别拾取图10-16中的P1P2段上任意一点和P2P3段上任意一点，则这两段圆弧被连接为一个整体； 3．用鼠标分别拾取图10-16中的P4P5段上任意一点和P5P6段上任意一点，则这两段圆弧被连接为一个整体； 4．按下Esc键，结束连接操作。 步骤十二 绘制点 1．选择 主菜单(Main Menu)-绘图(Create)-点(Point)-位置(Position)-中点(Midpoint) 2．用鼠标分别拾取图10-17中的圆弧C1、C2和C3，则在圆弧C1、C2和C3上分别得到三个中点，如图10-17所示；
图 10-17 3．用鼠标单击辅助菜单区的BACKUP菜单项，再单击主菜单区的“沿图素（Along ent）”； 4．用鼠标拾取图10-17中的圆弧C4，通过键盘输入在图素上创建点的个数为4，按下回车键，则在圆弧C4上得到所绘制的四个点，如图10-17所示； 5．按下Esc键，结束绘制点操作。 步骤十三 绘制直线 1．选择 主菜单(Main Menu)-绘图(Create)-直线(Line)-极坐标(Polar)-相交点(Intersec) 2．用鼠标分别拾取图10-18中的直线L1和圆弧C1，则得到极坐标中心点P1，如图10-18所示；
图 10-18 3．通过键盘 输入角度值：280 回车 输入直线长度值：10 回车 则得到绘制的直线L2，如图10-18所示； 4．用鼠标拾取图10-18中的直线L2的端点P2； 5．通过键盘 输入角度值：190 回车 输入直线长度值：15 回车 则得到绘制的直线L3，如图10-18所示；; 6．按下Esc键，结束绘制直线操作。 步骤十四 绘制两点 1．选择 主菜单(Main Menu)-绘图(Create)-点(Point)-定长(Length) 2．用鼠标拾取图10-18中的直线L3； 3．通过键盘 输入长度值：12.5 回车 输入长度值：14 回车 则得到绘制的两点P3和P4，如图10-18所示； 4．按下Esc键，结束绘制点操作。 步骤十五 打断圆弧 图10-18中圆弧C1目前是由两段组成，即P5P7段和P7P6段，现要将图10-18中的圆弧段P5P7，在直线L1和圆弧C1的交点P1处打断，操作如下： 1．选择 主菜单(Main Menu)-修整(Modify)-打断(Break)-两段(2 pieces) 2．用鼠标拾取图10-18中的圆弧段P5P7，再拾取直线L2的端点P1，则圆弧段P5P7在点P1处被打断，至此，图10-18中的圆弧C1是由三段组成，即P5P1段、P1P7段和P7P6段； 3．按下Esc键，结束打断操作。 步骤十六 圆弧移位 1．选择 主菜单(Main Menu)-转换(Xform)-移位(Offset) 2．进入“移位”对话框，设置完毕后，如图10-19所示，单击图10-19中的“OK”按钮；
图 10-19 3．用鼠标拾取图10-20中圆弧C1上的P1点，并拾取圆弧C1右方任意一点P2，则得到图10-20中圆弧C2的P5P6段；
图 10-20 4．用鼠标拾取图10-20中圆弧C1上的P3点，并拾取圆弧C1右下方任意一点P4，则得到图10-20中圆弧C2的P6P7段； 5．按下Esc键，结束移位操作。 步骤十七 在俯视图平面内绘制圆 设置 层(Level)：2（层名为：Circle） 绘图面(Cplane)：俯视图（T） 视图面(Gview)：轴测图（I） 在图10-17中圆弧C1～C3上的点、C4上中间两点和图10-18中直线L3上的两点的俯视图平面内绘制圆，Z向控制深度分别为各点所在的Z向坐标高度。 共在七个点绘制圆，由于七个点绘制圆的方法相同，这里只给出图10-17中，在圆弧C1上的点绘制圆的详细操作步骤。 1. 用鼠标单击辅助菜单区的Z向深度控制菜单项，并用鼠标拾取图10-21b的点P1，则“Z向深度控制”菜单项后的数值变为13.113，图10-21b为图10-21a的局部放大图；
图 10-21 2. 选择 主菜单(Main Menu)-绘图(Create)-圆弧(Arc)-圆心加圆周上一点(Circ pt+edg) 3. 通过键盘输入 圆心坐标：0，0 回车 4. 用鼠标拾取图10-21b中的点P1，则得到过点P1的圆C2，如图10-21所示； 5. 按下Esc键，结束绘制圆操作。 用绘制过图10-21中P1点圆的方法可以绘制过其他六点的圆，绘制完毕后的图形如图10-22所示。
图 10-22 图10-22中的圆C5～C7，分别为过图10-17中圆C1～C3上的点绘制的圆，圆C8和C9分别为过图10-17中圆C4上中间两点绘制的圆，圆C10和C11分别为过图10-18中直线L3上两点绘制的圆，图10-22中的圆C5～C9用于产生球表面的粗加工刀具路径，圆C10和C11用于产生圆锥表面的加工刀具路径。 步骤十八 连接圆弧 设置 绘图面(Cplane)：轴测图（3D） 关闭层2 图10-20中的圆弧C2是由P5P6和P6P7两段组成，本操作是将P5P6段和P6P7段连接为一整体圆弧。 1．选择 主菜单(Main Menu)-修整(Modify)-连接(Join) 2．用鼠标分别拾取图10-20中的P5P6段上任意一点和P6P7段上任意一点，则这两段圆弧被连接为一个整体； 3．按下Esc键，结束连接操作。 步骤十九 绘制旋转曲面 设置 绘图面(Cplane)：轴测图（3D） 关闭层2 本步骤将图10-23中的圆弧C1～C6和直线L2，绕直线L1旋转形成旋转曲面。
图 10-23 由于圆弧C1～C6和直线L2绕直线L1旋转，形成旋转曲面的操作方法相同，这里只给出圆弧C1绕直线L1旋转，形成旋转曲面的操作步骤。 设置 层(Level)：3（层名为：Surface1） 1. 选择 主菜单(Main Menu)-绘图(Create)-曲面(Surface)-旋转(Revolve)-单体(Single) 2. 用鼠标拾取图10-23中的圆弧C1，再单击主菜单区的“Done”，结束串接； 3. 用鼠标拾取图10-23中的直线L1作为旋转轴； 4. 用鼠标单击主菜单区的“Do it”，得到图10-24中的旋转曲面S1；
图 10-24 5. 按下Esc键，结束绘制曲面操作。 用相同方法绘制图10-23中的圆弧C2～C6和直线L2绕直线L1旋转，形成的旋转曲面，选择的绘图层分别为层4（层名为：Surface2）、层5（层名为：Surface3）、层6（层名为：Surface4）、层7（层名为：Surface5）、层8（层名为：Surface6）、层9（层名为：Surface7）和层10（层名为：Surface8）。 绘制的最终旋转曲面结果如图10-25所示，图10-25为关闭了层1和层2后的效果。
图 10-25 步骤二十 改变图素的颜色 本步骤将绘制在绘图层2上的所有圆的颜色变为红色，操作方法如下： 设置 颜色(Color)：红色(12) 打开层2 用鼠标单击工具条中的改变颜色工具条，如图10-26所示；
图 10-26 2．用鼠标单击主菜单区的“所有（All）”，再单击主菜单区的“层（Level）”，进入“选择层”对话框，设置完毕后，如图10-27所示；
图 10-27 3. 用鼠标单击图10-27中的“OK”按钮，单击主菜单区的“Done”，则层2上的所有图素变为指定的红色，结束改变颜色操作。 步骤二十一 绘制字母UofW 本步骤将绘制字母UofW（UofW是加拿大滑铁卢大学英文名称University of Waterloo的缩写）。 设置 层(Level)：11（层名为：UofW） 打开层11和层9，关闭其他层 绘图面(Cplane)：俯视图（T） 视图面(Gview)：俯视图（T） Z向深度控制：40 1．选择 主菜单(Main Menu)-绘图(Create)-下一菜单(Next menu)-文字(Letters)-图形字体(Drafting) 通过键盘 输入文字：UofW 回车 输入字体高度：15 回车 3. 用鼠标拾取图10-28中的放置文字的起始位置点P1，则文字UofW显示于绘图区，如图10-28所示。
图 10-28 步骤二十二 调整字母UofW的位置 |
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