偏移刀具法是指將刀具刀心徑向外或向內偏移1個偏置量，并根據加工要求確定其軸向總下刀深度，再進行軸向分層銑削的1種輪廓加工方法。使用偏移刀具法要求具備2個條件：①使用成型刀具；②軸向有加工深度要求。

1.2 倒角刀

倒角加工是利用倒角刀的切削刃完成，與倒角刀底部是尖角結構還是平底結構無關。但底部是平底結構的倒角刀制造工藝性更好，且強度也優(yōu)于底部是尖角結構倒角刀的強度，因此底部是平底結構的倒角刀更為常見。整體式倒角刀的結構如圖1所示，刀尖角為90°，平底直徑為d、刀桿直徑為D，由這3個尺寸可得切削刃的軸向刃長h=（D-d）/2。該類型倒角刀一般采用整體式硬質合金材料制造。

圖1 整體式倒角刀結構示意圖

1.3 倒角加工過程

圖2所示為使用偏移刀具法進行軸端外輪廓倒角的刀具運動過程，倒角尺寸為Cx。圖2（a）表示刀具定位至參考高度h1位置，一般取h1=5~10 mm，此時刀心O點與軸端頂部尖角A點在同一直線上；圖2（b）表示刀具向外偏移e；圖2（c）表示刀具定位至下刀位置，此時刀心至加工原點距離為h2，一般取h2=0.5~1 mm，根據圖2（c）中刀具與工件的位置關系可知，刀具需要向下進刀h2+（e-d/2），切削刃才能與軸端頂部尖角A點接觸；圖2（d）表示切削刃剛好與軸端頂部尖角A點接觸的臨界位置，此時刀心至加工原點距離e-d/2，即刀心Z向坐標為–（e-d/2），此時刀具位置是刀具插補運動的臨界位置，不需要將該位置編到程序中，此處是為便于分析下刀深度而設置；圖2（e）表示刀具再向下進刀x，即進刀至總下刀深度，此時刀心至加工原點距離e-d/2+x，即刀心的Z向坐標為–（e-d/2+x），再通過圓弧插補即可加工Cx倒角。為保證刀具的定位安全（e>d/2），同時還要考慮總下刀深度不能超過刀具的軸向刃長h，即e-d/2+x≤h，得到d/2<e≤h+d/2-x。

圖2 倒角加工過程

實際加工時，如果倒角較小，刀具會從下刀位置直線插補至總下刀深度，刀具沿輪廓銑削一次即可完成倒角加工；如果倒角較大或工件材料較硬，為提高工件的表面質量和延長刀具使用壽命，軸向一般要進行分層銑削加工。

2程序編制及應用

2.1 案例分析

加工零件如圖3所示，為80 mm×60 mm×20 mm的塊狀零件，外輪廓倒角尺寸為C2 mm、內輪廓倒角尺寸為C1.5 mm，零件材質為45鋼。

圖3 加工零件

2.1.1 數控系統(tǒng)及使用刀具

使用FANUC Oi數控系統(tǒng)；刀具選用整體式硬質合金90°倒角刀（三刃、表面帶涂層），可加工硬度60 HRC以下鋼件，平底直徑為φ0.2 mm，刀桿直徑為φ6 mm，總長為50 mm。

2.1.2 切削用量選取

使用倒角刀初次加工時，應在刀具企業(yè)推薦的切削用量基礎上適當降低數值，防止因轉速（n）過高、進給量（F）過大而造成切削振動和噪音，影響零件表面質量。取n=5 000 r/min，F=500 mm/min；因倒角較大且加工的是鋼件，故軸向需要分層銑削加工，取切削量

=0.3 mm。

2.2 基于宏程序的參數化程序設計

2.2.1 走刀路線設計

因圓弧切入、切出方式切削平穩(wěn)、不產生振動、表面不留刀痕，零件表面質量好，故選擇圓弧切入、切出方式設計內外輪廓的走刀路線。切入、切出圓弧半徑取D/2=3 mm。因外輪廓為矩形線框輪廓，故在相鄰直線轉接處插入過渡圓弧，過渡圓弧的半徑等于刀具偏移量e，此處e=0.6 mm。走刀路線設計如圖4所示。

圖4 走刀路線設計

2.2.2 倒角銑削的軸向分層

外輪廓總下刀深度=e-d/2+x=0.6–0.2/2+2=2.5 mm；內輪廓總下刀深度=0.6–0.2/2+1.5=2 mm。外輪廓軸向分層的總層數=FUP（2.5/0.3）= FUP（8.3）=9；內輪廓軸向分層的總層數=FUP（2/0.3）=FUP（6.7）=7；函數FUP（）為FANUC系統(tǒng)上取整函數，其含義是如果函數括號內的算式計算結果是小數，那么函數FUP（）將自動舍去小數位，向遠離0的方向進1。

2.2.3 倒角刀的軸向定位

銑削外輪廓時，刀具Z向起刀點坐標=0.3×9–2.5–0.3=–0.1；銑削內輪廓Z向起刀點坐標=0.3×7–2–0.3=–0.2。

2.2.4 參數化程序設計思路

首先對外輪廓長、寬、倒角刀柄徑、平底直徑、倒角大小、刀具偏移量、計數器初始值等參數設計成變量，其次通過這些變量計算總下刀深度、軸向分層的總層數、起刀點的Z向坐標。利用條件轉移功能進行軸向已加工層數與軸向分層的總層數進行比較，當軸向已加工層數不等于軸向分層的總層數時，程序跳轉，繼續(xù)軸向分層銑削；當軸向已加工層數等于軸向分層的總層數時，分層銑削結束，程序向下執(zhí)行。

2.3 基于宏程序的參數化編程

根據上述分析，編制的參數化加工程序如下。

（1）外輪廓程序代碼及說明。

O0001//程序名

G90G40G49G54G17//程序初始化

S5000M3//主軸正轉，5000r/min

T1M6//調用1號倒角刀

M8//切削液開

#1=80//外輪廓長80mm

#2=60//外輪廓寬60mm

#3=6//倒角刀柄徑

#4=2//倒角大小

#5=0.2//倒角刀平底直徑

#6=0.6//倒角刀刀心向外偏移量

#7=0.3//背吃刀量，每層銑0.3mm

#8=#2/2+#6//刀心Y向切削位置

#9=[#6-#5/2+#4]//總下刀深度

#10=0//計算器初始值

#11=FUP[#9/#7]//軸向分層的總層數

#12=#11*#7-#9-#7//倒角刀Z向起刀點

G0X[#1/2+#3/2]Y-[#8+#3/2]//倒角刀定位至切入圓弧起點

Z5//刀具定位至參考高度位置

Z0.5//刀具定位至下刀位置

N10G1Z#12F500//刀具直線插補至Z向起刀點

G3X#8Y0R[#3/2]//圓弧進刀

G1Y-[#2/2]//沿Y負向直線插補

G2X[#1/2]Y-[#2/2+#6]R#6//過渡圓弧順時針插補

G1X-[#1/2]//沿X負向直線插補

G2X-[#1/2+#6]Y-[#2/2]R#6//過渡圓弧順時針插補

G1Y[#2/2]//沿Y正向直線插補

G2X-[#1/2]Y[#2/2+#6]R#6//過渡圓弧順時針插補

G1X[#1/2]//沿X正向直線插補

G2X[#1/2+#6]Y[#2/2]R#6//過渡圓弧順時針插補

G1Y0//沿Y負向直線插補至圓弧進刀切入點

G3X[#8+#3/2]Y-[#3/2]R[#3/2]//圓弧退刀

G1Y[#3/2]//直線插補至切入圓弧起點

#10=#10+1//每銑完一層計數器加一

#12=#12-0.3//每銑完一層，刀具下降一個背吃刀量

IF[#10NE#11]GOTO10//當軸向已加工層數不等于軸向分層的總層數時，程序跳轉至N10程序段，軸向分層銑削；當軸向已加工層數等于軸向分層的總層數時，分層銑削結束，程序向下執(zhí)行。

G0Z5//刀具快速抬刀至參考高度位置

M9//切削液關

G91G28Z0//刀具返回參考點

M30//程序結束

（2）內輪廓程序代碼及說明。

O0002//程序名

G90G40G49G54G17//程序初始化

S5000M3//主軸正轉，5000r/min

T1M6//調用1號倒角刀

M8//切削液開

#1=30//孔徑

#2=6//倒角刀柄徑

#3=1.5//倒角大小

#4=0.2//倒角刀平底直徑

#5=0.6//倒角刀刀心向內偏移量

#6=0.3//背吃刀量，每層銑0.3mm

#7=#1/2-#5//刀心X向切削位置

#8=[#5-#4/2+#3]//總下刀深度

#9=0//計數器初始值

#10=FUP[#8/#6]//軸向分層總層數

#11=#10*#6-#8-#6//倒角刀Z向起刀點

G0X[#7-#2/2]Y[-#2]//倒角刀定位至切入圓弧起點

Z5//刀具定位至參考高度位置

Z0.5//刀具定位至下刀位置

N10G1Z#11F500//刀具直線插補至Z向起刀點

G3X#7Y0R[#2/2]//圓弧進刀

X#7I-#7//整圓插補

X[#7-#2/2]Y[#2/2]R[#2/2]//圓弧退刀

G1Y[-#2/2]//直線插補至切入圓弧起點

#9=#9+1//每銑完一層計數器加一

#11=#11-0.3//每銑完一層，刀具下降一個背吃刀量

IF[#9NE#10]GOTO100//當軸向已加工層數不等于軸向分層的總層數時，程序跳轉至N10程序段，軸向分層銑削；當軸向已加工層數等于軸向分層的總層數時，分層銑削結束，程序向下執(zhí)行。

G0Z5//刀具快速抬刀至參考高度位置

M9//切削液關

G91G28Z0//刀具返回參考點

M30//程序結束

2.4 基于MasterCAM的自動編程

MasterCAM是基于PC 平臺的集產品設計與數控編程加工于一體的CAD/CAM 軟件[8]。將偏移刀具法用在基于MasterCAM軟件的倒角銑削自動編程中，具有實際的工程意義和廣泛的應用價值。

2.4.1 參數設置

（1）刀路選擇。單擊“刀路”-“外形”，系統(tǒng)彈出“線框串聯”對話框，選擇串聯方式，如圖5所示，拾取繪圖區(qū)矩形線框，并將箭頭方向調整為順銑方向，如圖6所示，單擊確定按鈕，系統(tǒng)彈出“2D刀具路徑-外形銑削”對話框，如圖7所示。

圖5 “串聯選項”對話框

圖6 外輪廓順銑

圖7 2D刀路-外形銑削對話框

（2）創(chuàng)建刀具。選擇“2D刀路-外形銑削”對話框中的“刀具”選項，在刀具列表中，單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷方式對話框中選擇“創(chuàng)建刀具”選項，系統(tǒng)彈出“定義刀具”對話框，選擇倒角刀，點擊下一步，系統(tǒng)彈出定義倒角刀對話框，設置倒角刀角度為刀尖半角45°，其余尺寸按實際使用刀具規(guī)格設置，點擊下一步，設置倒角刀的刀號為1、刀長補正為1、半徑補正為1、刀齒數為3、主軸轉速為 5 000 r/min、進給速率為500 mm/min，其余參數保持默認即可，單擊確定按鈕，完成刀具創(chuàng)建。

（3）切削參數設置。選擇“2D刀路-外形銑削”對話框中的“切削參數”選項，壁邊預留量即單邊的加工余量，余量為負值表示加工后外輪廓尺寸比基本尺寸小，內輪廓比基本尺寸大。此處加工外輪廓時，刀心向外偏移量為0.6 mm，用刀具半徑減去偏移量得3–0.6=2.4 mm，故設置外輪廓壁邊預留量為–2.4 mm；加工內輪廓時，刀心向內偏移0.6 mm，故內輪廓的壁邊預留量也為–2.4 mm。內、外壁邊預留量設置如圖8所示；在“軸向分層切削”選項中，設置軸向分層最大分層步進量為0.3 mm，精修量為0，其余切削參數保持默認即可。

圖8 內、外輪廓壁邊預留量設置

（4）共同參數設置。選擇“2D-刀路-外形銑削”對話框中的“共同參數”選項，彈出高度參數設置對話框，所有的高度參數都設置成絕對坐標，其數值與參數化程序中相關高度參數保持一致，即外輪廓高度參數設置如圖9（a）所示，內輪廓高度參數設置如圖9（b）所示，深度值設置成總下刀深度，外輪廓為-2.5 mm，內輪廓為-2 mm。

圖9 高度參數設置

2.4.2 刀路仿真

添加毛坯實體模型后，單擊“機床”-“實體仿真”，系統(tǒng)進入MasrterCAM模擬器，按播放按鈕，可查看刀具運動及毛坯切除的情況，毛坯經仿真加工后如圖10所示。

圖10 MasrterCAM刀路仿真

3基于Vericut的仿真加工

Vericut是先進虛擬制造及數控加工仿真軟件[9]，具有強大自定義功能，可以輕松搭建與真實加工環(huán)境一致的仿真環(huán)境，而且其仿真完全基于G代碼且支持宏功能。因此，在加工前利用Vericut軟件進行加工程序驗證可以避免因程序錯誤造成撞機、撞刀、過切等安全事故，減少了編程人員和加工人員犯錯誤的概率，提高了企業(yè)的加工效率。此處主要使用Vericut軟件的分析功能，對毛坯經仿真加工后形成的模型與工件模型進行比較，據此判斷是否存在過切和欠切現象。如果存在過切或欠切現象，那么在自動比較對話框的下方會出現“檢查錯誤，檢查報告”的報警提示，同時在毛坯模型有過切或欠切的部位會顯示紅色或藍色；如果毛坯模型未出現紅色和藍色，那么說明程序正確。但有時也會出現因刀具模型、工件模型的顯示精度低和比較公差設置過小所造成的過切假象，遇到這種情況應仔細甄別，排除該情況對判斷程序正確性與否的干擾。將2種編程方法所得的加工程序在Vericut軟件中仿真，經自動比較后，在自動比較對話框的下方均顯示“沒有區(qū)別”，同時毛坯模型也未出現紅色和藍色，表明加工程序沒有產生過切或欠切，即驗證了程序的正確性，也說明了使用偏移刀具法編程的有效性，自動比較對話框參數設置及比較結果顯示如圖11所示。

圖11 自動比較對話框參數設置及比較結果顯示

42種編程方法的比較和分析

以上2種倒角銑削的編程方法是在走刀路線、切削用量、刀具定位高度、下刀深度一致的情況下進行研究，以外輪廓倒角銑削編程為例，2種編程方案比較如表1所示。從表1可以看出，2種編程方案加工倒角所用時間相同，但參數化編程程序段數更少，占用內存更小，而且程序的通用性和靈活性強，當塊狀零件的規(guī)格發(fā)生變化時，只需更改某幾個變量值即可，無需重新編程。

表1 2種編程方法比較

▍原文作者：辛道銀郭湘宇

▍作者單位：江蘇信息職業(yè)技術學院