偏移刀具法是指將刀具刀心徑向外或向內(nèi)偏移1個(gè)偏置量，并根據(jù)加工要求確定其軸向總下刀深度，再進(jìn)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(gè)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(jié)構(gòu)還是平底結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。但底部是平底結(jié)構(gòu)的倒角刀制造工藝性更好，且強(qiáng)度也優(yōu)于底部是尖角結(jié)構(gòu)倒角刀的強(qiáng)度，因此底部是平底結(jié)構(gòu)的倒角刀更為常見(jiàn)。整體式倒角刀的結(jié)構(gòu)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(gè)尺寸可得切削刃的軸向刃長(zhǎng)h=（D-d）/2。該類型倒角刀一般采用整體式硬質(zhì)合金材料制造。
圖1 整體式倒角刀結(jié)構(gòu)示意圖
1.3 倒角加工過(guò)程
圖2所示為使用偏移刀具法進(jìn)行軸端外輪廓倒角的刀具運(yùn)動(dòng)過(guò)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(shí)刀心O點(diǎn)與軸端頂部尖角A點(diǎn)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(shí)刀心至加工原點(diǎn)距離為h2，一般取h2=0.5~1 mm，根據(jù)圖2（c）中刀具與工件的位置關(guān)系可知，刀具需要向下進(jìn)刀h2+（e-d/2），切削刃才能與軸端頂部尖角A點(diǎn)接觸；圖2（d）表示切削刃剛好與軸端頂部尖角A點(diǎn)接觸的臨界位置，此時(shí)刀心至加工原點(diǎn)距離e-d/2，即刀心Z向坐標(biāo)為–（e-d/2），此時(shí)刀具位置是刀具插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)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(shè)置；圖2（e）表示刀具再向下進(jìn)刀x，即進(jìn)刀至總下刀深度，此時(shí)刀心至加工原點(diǎn)距離e-d/2+x，即刀心的Z向坐標(biāo)為–（e-d/2+x），再通過(guò)圓弧插補(bǔ)即可加工Cx倒角。為保證刀具的定位安全（e>d/2），同時(shí)還要考慮總下刀深度不能超過(guò)刀具的軸向刃長(zhǎng)h，即e-d/2+x≤h，得到d/2<e≤h+d/2-x。
圖2 倒角加工過(guò)程
實(shí)際加工時(shí)，如果倒角較小，刀具會(huì)從下刀位置直線插補(bǔ)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(zhì)量和延長(zhǎng)刀具使用壽命，軸向一般要進(jìn)行分層銑削加工。
2程序編制及應(yīng)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(nèi)輪廓倒角尺寸為C1.5 mm，零件材質(zhì)為45鋼。
圖3 加工零件
2.1.1 數(shù)控系統(tǒng)及使用刀具
使用FANUC Oi數(shù)控系統(tǒng)；刀具選用整體式硬質(zhì)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(zhǎng)為50 mm。
2.1.2 切削用量選取
使用倒角刀初次加工時(shí)，應(yīng)在刀具企業(yè)推薦的切削用量基礎(chǔ)上適當(dāng)降低數(shù)值，防止因轉(zhuǎn)速（n）過(guò)高、進(jìn)給量（F）過(guò)大而造成切削振動(dòng)和噪音，影響零件表面質(zhì)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(shù)化程序設(shè)計(jì)
2.2.1 走刀路線設(shè)計(jì)
因圓弧切入、切出方式切削平穩(wěn)、不產(chǎn)生振動(dòng)、表面不留刀痕，零件表面質(zhì)量好，故選擇圓弧切入、切出方式設(shè)計(jì)內(nèi)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(zhuǎn)接處插入過(guò)渡圓弧，過(guò)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(shè)計(jì)如圖4所示。
圖4 走刀路線設(shè)計(jì)
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(nèi)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(shù)=FUP（2.5/0.3）= FUP（8.3）=9；內(nèi)輪廓軸向分層的總層數(shù)=FUP（2/0.3）=FUP（6.7）=7；函數(shù)FUP（）為FANUC系統(tǒng)上取整函數(shù)，其含義是如果函數(shù)括號(hào)內(nèi)的算式計(jì)算結(jié)果是小數(shù)，那么函數(shù)FUP（）將自動(dòng)舍去小數(shù)位，向遠(yuǎn)離0的方向進(jìn)1。
2.2.3 倒角刀的軸向定位
銑削外輪廓時(shí)，刀具Z向起刀點(diǎn)坐標(biāo)=0.3×9–2.5–0.3=–0.1；銑削內(nèi)輪廓Z向起刀點(diǎn)坐標(biāo)=0.3×7–2–0.3=–0.2。
2.2.4 參數(shù)化程序設(shè)計(jì)思路
首先對(duì)外輪廓長(zhǎng)、寬、倒角刀柄徑、平底直徑、倒角大小、刀具偏移量、計(jì)數(shù)器初始值等參數(shù)設(shè)計(jì)成變量，其次通過(guò)這些變量計(jì)算總下刀深度、軸向分層的總層數(shù)、起刀點(diǎn)的Z向坐標(biāo)。利用條件轉(zhuǎn)移功能進(jìn)行軸向已加工層數(shù)與軸向分層的總層數(shù)進(jìn)行比較，當(dāng)軸向已加工層數(shù)不等于軸向分層的總層數(shù)時(shí)，程序跳轉(zhuǎn)，繼續(xù)軸向分層銑削；當(dāng)軸向已加工層數(shù)等于軸向分層的總層數(shù)時(shí)，分層銑削結(jié)束，程序向下執(zhí)行。
2.3 基于宏程序的參數(shù)化編程
根據(jù)上述分析，編制的參數(shù)化加工程序如下。
（1）外輪廓程序代碼及說(shuō)明。
O0001//程序名
G90G40G49G54G17//程序初始化
S5000M3//主軸正轉(zhuǎn)，5000r/min
T1M6//調(diào)用1號(hào)倒角刀
M8//切削液開(kāi)
#1=80//外輪廓長(zhǎng)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(jì)算器初始值
#11=FUP[#9/#7]//軸向分層的總層數(shù)
#12=#11*#7-#9-#7//倒角刀Z向起刀點(diǎn)
G0X[#1/2+#3/2]Y-[#8+#3/2]//倒角刀定位至切入圓弧起點(diǎn)
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(bǔ)至Z向起刀點(diǎn)
G3X#8Y0R[#3/2]//圓弧進(jìn)刀
G1Y-[#2/2]//沿Y負(fù)向直線插補(bǔ)
G2X[#1/2]Y-[#2/2+#6]R#6//過(guò)渡圓弧順時(shí)針插補(bǔ)
G1X-[#1/2]//沿X負(fù)向直線插補(bǔ)
G2X-[#1/2+#6]Y-[#2/2]R#6//過(guò)渡圓弧順時(shí)針插補(bǔ)
G1Y[#2/2]//沿Y正向直線插補(bǔ)
G2X-[#1/2]Y[#2/2+#6]R#6//過(guò)渡圓弧順時(shí)針插補(bǔ)
G1X[#1/2]//沿X正向直線插補(bǔ)
G2X[#1/2+#6]Y[#2/2]R#6//過(guò)渡圓弧順時(shí)針插補(bǔ)
G1Y0//沿Y負(fù)向直線插補(bǔ)至圓弧進(jìn)刀切入點(diǎn)
G3X[#8+#3/2]Y-[#3/2]R[#3/2]//圓弧退刀
G1Y[#3/2]//直線插補(bǔ)至切入圓弧起點(diǎn)
#10=#10+1//每銑完一層計(jì)數(shù)器加一
#12=#12-0.3//每銑完一層，刀具下降一個(gè)背吃刀量
IF[#10NE#11]GOTO10//當(dāng)軸向已加工層數(shù)不等于軸向分層的總層數(shù)時(shí)，程序跳轉(zhuǎn)至N10程序段，軸向分層銑削；當(dāng)軸向已加工層數(shù)等于軸向分層的總層數(shù)時(shí)，分層銑削結(jié)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(guān)
G91G28Z0//刀具返回參考點(diǎn)
M30//程序結(jié)束
（2）內(nèi)輪廓程序代碼及說(shuō)明。
O0002//程序名
G90G40G49G54G17//程序初始化
S5000M3//主軸正轉(zhuǎn)，5000r/min
T1M6//調(diào)用1號(hào)倒角刀
M8//切削液開(kāi)
#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(nèi)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(jì)數(shù)器初始值
#10=FUP[#8/#6]//軸向分層總層數(shù)
#11=#10*#6-#8-#6//倒角刀Z向起刀點(diǎn)
G0X[#7-#2/2]Y[-#2]//倒角刀定位至切入圓弧起點(diǎn)
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(bǔ)至Z向起刀點(diǎn)
G3X#7Y0R[#2/2]//圓弧進(jìn)刀
X#7I-#7//整圓插補(bǔ)
X[#7-#2/2]Y[#2/2]R[#2/2]//圓弧退刀
G1Y[-#2/2]//直線插補(bǔ)至切入圓弧起點(diǎn)
#9=#9+1//每銑完一層計(jì)數(shù)器加一
#11=#11-0.3//每銑完一層，刀具下降一個(gè)背吃刀量
IF[#9NE#10]GOTO100//當(dāng)軸向已加工層數(shù)不等于軸向分層的總層數(shù)時(shí)，程序跳轉(zhuǎn)至N10程序段，軸向分層銑削；當(dāng)軸向已加工層數(shù)等于軸向分層的總層數(shù)時(shí)，分層銑削結(jié)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(guān)
G91G28Z0//刀具返回參考點(diǎn)
M30//程序結(jié)束
2.4 基于MasterCAM的自動(dòng)編程
MasterCAM是基于PC 平臺(tái)的集產(chǎn)品設(shè)計(jì)與數(shù)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(dòng)編程中，具有實(shí)際的工程意義和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
2.4.1 參數(shù)設(shè)置
（1）刀路選擇。單擊“刀路”-“外形”，系統(tǒng)彈出“線框串聯(lián)”對(duì)話框，選擇串聯(lián)方式，如圖5所示，拾取繪圖區(qū)矩形線框，并將箭頭方向調(diào)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(duì)話框，如圖7所示。
圖5 “串聯(lián)選項(xiàng)”對(duì)話框
圖6 外輪廓順銑
圖7 2D刀路-外形銑削對(duì)話框
（2）創(chuàng)建刀具。選擇“2D刀路-外形銑削”對(duì)話框中的“刀具”選項(xiàng)，在刀具列表中，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的快捷方式對(duì)話框中選擇“創(chuàng)建刀具”選項(xiàng)，系統(tǒng)彈出“定義刀具”對(duì)話框，選擇倒角刀，點(diǎn)擊下一步，系統(tǒng)彈出定義倒角刀對(duì)話框，設(shè)置倒角刀角度為刀尖半角45°，其余尺寸按實(shí)際使用刀具規(guī)格設(shè)置，點(diǎn)擊下一步，設(shè)置倒角刀的刀號(hào)為1、刀長(zhǎng)補(bǔ)正為1、半徑補(bǔ)正為1、刀齒數(shù)為3、主軸轉(zhuǎn)速為 5 000 r/min、進(jìn)給速率為500 mm/min，其余參數(shù)保持默認(rèn)即可，單擊確定按鈕，完成刀具創(chuàng)建。
（3）切削參數(shù)設(shè)置。選擇“2D刀路-外形銑削”對(duì)話框中的“切削參數(shù)”選項(xiàng)，壁邊預(yù)留量即單邊的加工余量，余量為負(fù)值表示加工后外輪廓尺寸比基本尺寸小，內(nèi)輪廓比基本尺寸大。此處加工外輪廓時(shí)，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(shè)置外輪廓壁邊預(yù)留量為–2.4 mm；加工內(nèi)輪廓時(shí)，刀心向內(nèi)偏移0.6 mm，故內(nèi)輪廓的壁邊預(yù)留量也為–2.4 mm。內(nèi)、外壁邊預(yù)留量設(shè)置如圖8所示；在“軸向分層切削”選項(xiàng)中，設(shè)置軸向分層最大分層步進(jìn)量為0.3 mm，精修量為0，其余切削參數(shù)保持默認(rèn)即可。
圖8 內(nèi)、外輪廓壁邊預(yù)留量設(shè)置
（4）共同參數(shù)設(shè)置。選擇“2D-刀路-外形銑削”對(duì)話框中的“共同參數(shù)”選項(xiàng)，彈出高度參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，所有的高度參數(shù)都設(shè)置成絕對(duì)坐標(biāo)，其數(shù)值與參數(shù)化程序中相關(guān)高度參數(shù)保持一致，即外輪廓高度參數(shù)設(shè)置如圖9（a）所示，內(nèi)輪廓高度參數(shù)設(shè)置如圖9（b）所示，深度值設(shè)置成總下刀深度，外輪廓為-2.5 mm，內(nèi)輪廓為-2 mm。
圖9 高度參數(shù)設(shè)置
2.4.2 刀路仿真
添加毛坯實(shí)體模型后，單擊“機(jī)床”-“實(shí)體仿真”，系統(tǒng)進(jìn)入MasrterCAM模擬器，按播放按鈕，可查看刀具運(yùn)動(dòng)及毛坯切除的情況，毛坯經(jīng)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(jìn)虛擬制造及數(shù)控加工仿真軟件[9]，具有強(qiáng)大自定義功能，可以輕松搭建與真實(shí)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(jìn)行加工程序驗(yàn)證可以避免因程序錯(cuò)誤造成撞機(jī)、撞刀、過(guò)切等安全事故，減少了編程人員和加工人員犯錯(cuò)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(duì)毛坯經(jīng)仿真加工后形成的模型與工件模型進(jìn)行比較，據(jù)此判斷是否存在過(guò)切和欠切現(xiàn)象。如果存在過(guò)切或欠切現(xiàn)象，那么在自動(dòng)比較對(duì)話框的下方會(huì)出現(xiàn)“檢查錯(cuò)誤，檢查報(bào)告”的報(bào)警提示，同時(shí)在毛坯模型有過(guò)切或欠切的部位會(huì)顯示紅色或藍(lán)色；如果毛坯模型未出現(xiàn)紅色和藍(lán)色，那么說(shuō)明程序正確。但有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)因刀具模型、工件模型的顯示精度低和比較公差設(shè)置過(guò)小所造成的過(guò)切假象，遇到這種情況應(yīng)仔細(xì)甄別，排除該情況對(duì)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(jīng)自動(dòng)比較后，在自動(dòng)比較對(duì)話框的下方均顯示“沒(méi)有區(qū)別”，同時(shí)毛坯模型也未出現(xiàn)紅色和藍(lán)色，表明加工程序沒(méi)有產(chǎn)生過(guò)切或欠切，即驗(yàn)證了程序的正確性，也說(shuō)明了使用偏移刀具法編程的有效性，自動(dòng)比較對(duì)話框參數(shù)設(shè)置及比較結(jié)果顯示如圖11所示。
圖11 自動(dòng)比較對(duì)話框參數(shù)設(shè)置及比較結(jié)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(jìn)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(shí)間相同，但參數(shù)化編程程序段數(shù)更少，占用內(nèi)存更小，而且程序的通用性和靈活性強(qiáng)，當(dāng)塊狀零件的規(guī)格發(fā)生變化時(shí)，只需更改某幾個(gè)變量值即可，無(wú)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(shù)學(xué)院
]]>