金敦水，董明帥

（1. 安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，安徽 蚌埠 233000；2. 上海天澤精密模具有限公司，上海 200000）

斜面和圓角是模具加工中的常見特征，廣泛存在于注塑模具的成型零部件中，產(chǎn)品的加工程序一般都采用模具CAM軟件來自動生成，由于CAM軟件編制的程序缺乏通用性和靈活性，程序的可讀性較差，特別是每改動一個參數(shù)程序都要重新生成，增加了模具制造的周期，降低了企業(yè)的生產(chǎn)效率。宏程序作為一種變量編程模式，由于能直接調(diào)用數(shù)控系統(tǒng)的螺旋插補和圓弧插補等相關指令實現(xiàn)對加工刀路的有效控制，具備程序短、運算速度快、適宜性強、加工效率和精度高等特點，可以實現(xiàn)普通編程方式難以實現(xiàn)的功能，在模具組件倒角和拔模面等特征的數(shù)控加工中廣泛得到應用[1]。但是當產(chǎn)品輪廓較為復雜，數(shù)學模型的創(chuàng)建困難時，就增加了宏程序編制的難度，降低了編程的效率，若將 G10功能和宏程序功能有機地結(jié)合起來，不僅可以有效地簡化程序的編制，增加程序的通用性，而且可以進一步提升零件的加工質(zhì)量。

1 可編程參數(shù)設定（G10）

在傳統(tǒng)的程序編程中，刀具的補償值是通過人工的方式輸入CNC存儲器中，刀具補償值在機床加工的過程中基本是固定不變，限制了其使用的靈活性，而G10指令作為FANUC系統(tǒng)中典型G指令，其作用主要是通過導入相應的補償參數(shù)對刀具幾何參數(shù)的設定和編輯，從而實現(xiàn)在加工過程中實時修改加工刀具的補償值，使刀具每切削一層，便獲得一個新的刀具補償值，實現(xiàn)切削軌跡的等距偏移。常用刀具補償賦值格式如表1 所示[2]。

表1 刀具補償賦值格式

常見的刀具補償?shù)馁x值格式有4種形式，每種賦值形式對刀路的影響是不同的，指令格式中P表示刀具的補償號，R表示刀具的補償值。當用G90絕對值指令方式時，R后的數(shù)值就是刀具的補償值；當用G91增量值指令方式時，R后接的數(shù)值與指定的刀具補償值的和就是刀具補償值[3]。例如：G10 Ll2 P01 R#001，該指令表示：將“變量001”的值賦給01號存儲器D01刀具中。特別要注意的是在當前程序中，如果 G91指令有效，刀具的補償實際值就等于刀具的補償號中原有的數(shù)值和#001代表的數(shù)值之和；如果G90指令有效，刀具的實際補償值就等于#001所代表的數(shù)值。

2 倒角的軌跡分析及數(shù)學模型創(chuàng)建

模具工件在倒角工序通?？煞譃榈箞A角和倒斜角兩種，其手工編程的加工方式有兩種，一是采用成形銑刀切削；二是采用立銑刀或者球頭刀來切削。成形銑刀的加工方法簡單，加工對象單一，使用范圍狹窄且加工成本較高，因此在小批量的模具工件加工中應用較少。立銑刀或者球頭刀是采用逐層銑削模擬成形，因此加工應用范圍廣泛，同一把刀具能夠完成不同種類、不同尺寸的倒角加工[2]，而對刀具分軌跡的分析及數(shù)學模型的創(chuàng)建是完成上述加工的重要前提。

2.1 刀具軌跡分析

2.1.1 倒圓角的刀具軌跡分析

采用球頭刀進行倒圓角切削時，編程的過程中一般采用球頭的球心作為刀具的刀位點，加工過程中使用球頭刀的不同點來加工曲面輪廓的不同位置，其中心軌跡線如圖1(a)所示，其切削點的位置與刀位點的位置始終相差一個刀具半徑，刀位點的移動軌跡計算簡單。采用立銑刀進行倒圓角加工時，編程的過程中以立銑刀底面的中心作為刀具的刀位點，加工過程中始終用刀具的刀尖進行切削，刀具切削軌跡如圖1(b)所示，刀位點軌跡與加工特征是同心圓，其半徑在加工輪廓半徑的基礎上增加一個刀具半徑。由于立銑刀在加工的過程中易出現(xiàn)崩刃和磨損量大等現(xiàn)象，導致產(chǎn)品的加工質(zhì)量較差，因此在實際的倒角加工中，一般都采用球頭刀來實現(xiàn)工件的倒角和倒圓特征[4]。

圖1 倒圓角時刀具中心軌跡線

2.1.2 倒斜角的刀具軌跡分析

在進行倒斜角加工時，無論是立銑刀還是球頭刀，其加工斜角原理和優(yōu)缺點與倒圓角是相同的，但是它們的刀位點的軌跡是不同的。

采用立銑刀倒斜角其刀具的中心運動軌跡如圖 2(a)所示，為相對于產(chǎn)品的輪廓向右偏移一個刀具半徑的距離且平行于輪廓的一條直線；采用球頭刀進行加工時，其刀具軌跡如圖2(b)所示，為一條相對于產(chǎn)品特征外輪廓的法向等距線。

圖2 倒斜角時刀具中心軌跡線

在倒角加工中，刀位點軌跡的正確與否將直接影響到產(chǎn)品的加工質(zhì)量，通過對上述刀具加工軌跡線分析可知，采用立銑刀倒角和球頭刀倒圓角的刀位點的軌跡簡介明了，函數(shù)結(jié)構(gòu)簡單易表達。但是在利用球頭刀進行倒斜角的過程中，刀位點的軌跡計算相對復雜，此例問題可以引申為任意角度斜面的加工，通過推到刀位點軌跡與產(chǎn)品輪廓的幾何關系如圖3所示[2,5]。

圖3 球頭刀倒斜角刀位點軌跡與產(chǎn)品輪廓的幾何關系

在利用球頭銑刀進行倒斜角的過程中，如果按照圖3原軌跡線進行編程，產(chǎn)品在加工中將產(chǎn)生過切現(xiàn)象，因此必須將原軌跡線向右偏移一定的值Δ，形成新的刀位點軌跡線。其偏移值

從而避免加工過程中出現(xiàn)過切。其中Δ為刀位點軌跡線的偏移量；θ為拔模角度，其角度可以為任意值。

實現(xiàn)此特征的加工方法有兩種，一是按照原軌跡線進行宏程序編程，然后在X方向的變量上增加Δ值；二是通過原軌跡線偏移出新的軌跡線，然后按照新的軌跡線進行宏程序編制[6]。

2.2 倒角的數(shù)學模型創(chuàng)建

倒角加工的走刀路線有兩種，即向下進刀和向上進刀。由于自上而下的加工進刀方式主要是利用刀具的側(cè)刃來完成加工，刀具的磨損小，產(chǎn)品的表面質(zhì)量好，便于控制產(chǎn)品的精度。因此在企業(yè)中一般都采用自下而上的進刀方式。

下面以倒斜角的加工模式為研究對象，采用由 A點到 B點的加工方式，倒斜角的數(shù)學模型構(gòu)建如圖 3所示。

對圖4(a)進行分析，立銑刀倒斜角加工軌跡是一條相對于產(chǎn)品特征外輪廓的法向等距線，以任意時刻為研究對象，刀具位于如圖4(a)所示的位置，此時為了確定刀具相對于工件的位置，建立常量和變量表示式，其中#101表示加工高度變量，r表示刀具的半徑，#102表示刀具切削點到倒角上表面的距離，用其來確定刀具在加工坐標系中的Z向位置，#103表示導入數(shù)控系統(tǒng)的刀具半徑補償值參數(shù)，用其來確定刀具在加工坐標系中X向的位置。通過幾何關系分析，得到常量和變量的關系表達式，具體如下所示[7]。

為了簡化程序的編制，結(jié)合圖3所示的球頭刀倒斜角刀位點軌跡與產(chǎn)品輪廓的幾何關系，采用偏移后的軌跡線進行程序編制，構(gòu)建如圖4(b)所示的數(shù)學模型，建立常量和變量的幾何關系式，具體如下所示。

圖4 倒斜角數(shù)學模型

3 加工實例

圖 5所示為雙板式注塑模中的成型零部件的俯視圖，在裝配之前要完成上表面各棱邊的倒斜角加工，圓角大小為C3，材料為45鋼，采用半徑6球頭銑刀的刀具進行加工。此零件可以采用兩種方式完成手工編程加工，一是利用單一的宏程序進行編程加工，二是將宏程序和G10指令組合運用進行編程加工。顯然此零件的外形輪廓復雜，存在二次曲線，如果單一采用宏程序編程，程序的結(jié)構(gòu)將變得復雜，且產(chǎn)品的加工精度難以保證。

下面利用宏程序和G10指令的組合模式進行編程，相關參數(shù)設置參考圖4(b)，加工坐標系設置在R11圓弧的圓心處，程序的框架結(jié)構(gòu)如表2所示。

圖5 某雙板式模具成型零部件

表2 程序的框架結(jié)構(gòu)

關于G10倒角加工的幾點說明[8]：

（1）在利用G10和宏程序進行倒角加工之前，盡量將CRT面板中的“半徑磨損補償值”一項清零；

（2）導入數(shù)控系統(tǒng)的刀具半徑補償值參數(shù)，既可以是正值也可以是負值；

（3）對于形狀復雜的產(chǎn)品，建議采用調(diào)用子程序的方式進行編程，特別是對于輪廓包含二次曲線的產(chǎn)品，避免了使用嵌套宏程序，降低了程序的復雜性，增加程序的通用性、簡潔性和準確性；

（4）正確理解和選擇刀位點的軌跡線，防止出現(xiàn)過切或者欠切現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

可編程輸入 G10指令與數(shù)控系統(tǒng)中的宏指令在數(shù)控編程中配合使用，可以對任意圖形都進行倒角加工，解決了使用單一宏程序?qū)喞獜碗s的產(chǎn)品進行倒角加工程序復雜、誤差較大的缺點，同時也可以完成球面和斜面等其他特征的加工，程序簡單實用，通用性大，加工質(zhì)量顯著。另外可以利用其中的刀具補償值修改和工件坐標修改等功能，完成對特殊結(jié)構(gòu)零件的加工程序編程，從而在最短的時間內(nèi)編制出合理的程序，加工出合格的產(chǎn)品。

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[2] 沈建峰,于曉平,朱勤惠.數(shù)控銑工實用技巧集錦[M].北京:化學工業(yè)出版社,2009:78-83.

[3] 梁新平.FANUC-0i數(shù)控系統(tǒng)宏功能應用技巧[J].機床與液壓,2009,37(4):188-190.

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[5] 周智敏,張素穎.球頭銑刀加工斜面的編程技巧[J].機床與液壓,2010,38(18):100-101.

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[7] 羅永華,羅永洪.FAUNC系統(tǒng)G10指令和宏指令的應用[J].科技廣場,2014(2):82-85.

[8] 李群.宏程序倒角編程及加工精度分析[J].機床自動化,2012(19):56-58.