可转位铣刀刀槽加工程序的参数化编程

1 引言
我公司引进德国英格索尔刀具生产技术及关键设备生产的主导产品——可转位铣刀在机械、汽车、铁道等行业得到了广泛应用。为了提高刀具生产效率，必须缩短数控加工程序的编程周期，提高编程的准确性和可靠性。
可转位铣刀刀槽加工程序的编制一般可采用两种方式：一种是在工作站利用CAD/CAM系统自动编程；另一种是人工编程，即由编程人员分析图纸、确定工艺路线、进行数值计算、编制程序并将程序手工输入机床数控系统。人工编程虽然比较经济、方便，但存在以下缺点：①编程时间长，每次编程均需重复上述步骤，需耗费大量时间进行繁琐的数值计算；②准确性和可靠性不高，编程人员必须进行大量数值计算并手工输入结果，很难避免计算或输入错误，另外程序需通过试切来验证其正确性，首件合格率低；③每加工一种产品均需编制相应的刀槽程序，存放大量程序往往造成计算机内存紧张，只能将程序保存在磁盘中，加工时再输入机床数控系统，这样既浪费时间，也不便于程序的管理与查找。
为克服人工编程的缺点，我们采用先进的参数化编程方法实现了铣刀刀槽数控加工程序的准确、快捷编制。
2 刀槽加工程序的参数化编程方法
分析刀槽加工程序特点
通过对各种可转位铣刀产品图纸、加工程序以及实际加工方式进行大量分析比较，我们发现虽然每种产品各有其特点，但其刀槽具有以下共性：①刀槽的形状与尺寸是由刀片的形状与尺寸决定的；②平行四边形刀片(如矩形、菱形刀片)可由刀片长度l、宽度b、厚度H、两边夹角q等参数确定(如图1所示)；③通过确定四个点的位置可确定一个平行四边形，即通过确定四个刀位点可确定一个刀槽轮廓；④刀具的切削角度由刀片在刀体上的安装角度确定，即由刀槽与坐标轴的夹角确定。

图1

图2

建立刀槽刀位点数学模型
根据刀槽的共性，可建立刀槽刀位点的数学模型，即利用已知的相关参数通过数学表达式表示出刀槽轮廓四个刀位点的坐标值。只要将不同产品的相应参数值输入该模型，就能计算出不同刀槽四个刀位点的坐标值。计算方法如下：
建立如图2所示坐标系，确定四个刀位点。
建立各刀位点(Oi)的坐标值数学模型为
O1点： { X1=(L+M+R-Rtana)cosa
Y1=(L+M+R-Rtana)sina+R/cosa
O2点： { X2=R/sin(q/2)cos(q/2+a)
Y2=R/sin(q/2)sin(q/2+a)
O3点： { X3=(B+N+Rtanb)sinb+R/cosb
Y3=(B+N+Rtanb)cos{b
O4点： { X4=Lcosa+Bsinb
Y4=Lsina+Bcosb
式中：L——刀片L边长度
M——刀具外径至刀体安全距离(由操作者设定，防止进刀时碰撞刀体)
R——刀具半径与单边余量之和(如使用φ8键槽刀，单边留余量0.15mm，则R=8/2+0.15=4.15mm)
a——图纸给定刀片轴向前角
b--刀片轴向后角
q——图纸给定刀片两边夹角
B——刀片B边长度
N——刀具切削点超过刀槽定位面距离(由操作者设定，保证刀片能装入刀槽)
转换为机床参数表达式
设：P1=l，P2=b，P3=q，P4=a，P5=b=(90-P3-P4)，P6=L=P1/SIN(P3)，P7=B=P2/SIN(P3)，P8=M，P9=N，P10=H，P11=R。其中，l为图纸给定的刀片长度，b为图纸给定的刀片宽度，H为图纸给定的刀片厚度。则有以下机床参数表达式：
O1点： P101=(P6+P8+P11-P11·TAN(P4))·COS(P4)
P102=(P6+P8+P11-P11·TAN(P4))·SIN(P4)+P11/COS(P4)
O2点： P103=P11/SIN(P3/2)·COS(P3/2+P4)
P104=P11/SIN(P3/2)·SIN(P3/2+P4)
O3点： P105=(P7+P9-P11·TAN(P5))·SIN(P5)+P11/COS(P5)
P106=(P7+P9-P11·TAN(P5))·COS(P5)
O4点： P107=P6·COS(P4)+P7·SIN(P5)
P108=P6·SIN(P4)+P7·COS(P5)

将以上参数表达式输入机床数控系统的参数菜单中。
参数化编程实例
某铣刀产品的刀槽加工程序如下：
N10 S450 M3 F35
N20 G0*1 XP101 YP102 Z30
N30 G0 Z - P10 M8
N40 G1 XP103 YP104
N50 G1 XP105 YP106
N60 G1 XP107 YP108
N70 GO Z30 M9
N80 M30
首先在产品图纸上查出铣刀轴向前角a、刀片参数l、b、q、H的数值，然后将这些参数值手工输入机床数控系统参数菜单的对应项中。机床数控系统会通过内部的平面计算器按照菜单中存储的各参数表达式计算各点坐标值，并自动赋值给程序中各坐标轴的坐标值，完成程序编制。
3 结语
通过几年的应用，可转位铣刀刀槽加工程序的参数化编程方法在实践中不断完善与拓展，已广泛应用于各种可转位铣刀产品的加工。与传统的人工编程方法相比，该方法具有以下优点：①编程时间大大缩短。编制一种新产品加工程序，只要该产品符合归纳类型，即可通过输入已知参数迅速完成编程，对于单件、小批量、多品种的柔性生产方式具有良好的适应性。②编程的准确性和可靠性显著提高。由于加工方式是根据多年生产实践优选出来的，且各坐标轴的坐标值由计算机按给定数学关系计算得出并自动赋值，所以只要正确输入参数，即可保证程序的正确性。③程序安全、稳定、可靠，首件合格率高。
参数化编程方法具有普遍推广意义，只要能分析归纳出产品的加工方式与编程思路，即可建立其加工模型，从而实现参数化编程。