凹轮廓铣削加工最佳刀具的选择及程序设计

1 引言

在数控加工中，借助CAD/CAM 系统的强大功能，编程人员可根据系统提示很快完成工件的自动编程工作。但由于系统一般不具备CAPP 功能，交互输入的参数需由编程人员根据加工工艺和经验确定，因此对编程人员的水平和经验要求较高。

立铣刀是在数控铣床和加工中心上对工件轮廓进行铣削加工的常用刀具，编程前需对其直径、刃长、端刃圆角半径等几何参数进行选择。如果工件不需进行凹轮廓加工，立铣刀参数很容易确定；但大多数工件都需进行凹轮廓加工，此时精加工刀具参数可根据轮廓转接半径R 确定，而半精加工和粗加工刀具参数却不能直接确定，需要编程人员根据经验选择，其合理性难以保证。

本文结合加工现场情况，根据凹轮廓转接处粗加工刀具参数计算的数学模型，采用C++语言设计了可兼顾加工效率和加工精度的凹轮廓最佳铣削刀具的选择程序。文中涉及的凹轮廓包括工件外轮廓中的内凹轮廓、工件内轮廓转接处和工件上的平底凹槽。

D.铣刀直径 L.铣刀总长 l.铣刀刃长 r.铣刀端刃圆角半径 H.需铣削的工件侧壁最大高度 R.工件壁板之间的转接半径
图1 典型立铣刀简图

图2 粗加工铣刀直径计算图

2 铣刀几何尺寸的选择

图1所示为典型立铣刀简图。由图可见，精加工铣刀的端刃圆角半径r 应与零件图一致；粗加工铣刀在留有加工余量的前提下，可取r=0(因为r越大，铣刀端刃铣削平面的能力越差，加工效率也越低)；同时，在保证刀具刚性的条件下，铣刀刃长l不宜太长。一般情况下，为减少走刀次数、提高生产效率及保证铣刀刚性，应尽量选择直径较大的铣刀。当工件凹轮廓转接处半径R较小且工件侧壁最大高度H 较大时，选择的铣刀一般较细长，此时刀具刚性较差，加工较困难，因此需采用多把铣刀顺序加工。

以工件凹轮廓转接处粗加工立铣刀为例，根据图2，铣刀直径计算式为

D_粗max=2[D_精-r_精-d_余-( r_粗+d_搭min)sin(a/2)]/1-sin(a/2)

(1)

其中

d_搭min=D_精/2+(D_精/2-r_精)/sin(a/2)-d_允

(2)

式中：a 为凹轮廓加工面最小夹角；d_余为精加工单边余量，通常取d余=0.5～1mm；d_允为工件凹轮廓转接处经粗加工后留下的最大余量允许值，它由精加工铣刀的刚性确定，一般情况下取d_允=(0.3～0.8)D_精；d_搭min为工件腹板上粗精加工铣削交界处的最小搭边量；精加工刀具的半径r_精通常取工件凹轮廓转接半径R 的0.8～0.9 倍(刀具半径较小时可取1倍)。

3 最佳刀具选择程序的设计

理论上，由式(1)即可方便地计算出给定条件下的粗加工立铣刀直径，但在实际加工中，立铣刀直径的计算却相当麻烦。首先，在数控加工中，粗加工刀具一般是确定的(尤其对于刀库容量有限的立式加工中心或工件尺寸变化不大的加工场合)，此时需确定在粗加工刀具和精加工刀具之间是否还需选用中间刀具；其次，轮廓加工铣刀可分为整体式立铣刀和机夹式可转位立铣刀两类，每一类又有不同的型式、规格和尺寸，每改变一个尺寸就需要重新查表、计算，十分繁琐，因此编程人员编制加工程序时常凭借经验选刀。若按保守值选刀，可能使粗、精刀具之间的中间刀具过多，搭接量过大，既延长加工时间，又会降低腹板面加工质量；若所选中间刀具加工量过大，则可能在精加工后留下不能铣去的“死角”，需重新编程补充走刀；同时，留给精加工的余量过大会造成加工困难，刀具损耗大，加工尺寸难以保证。因此，确定最佳刀具数量、合理安排切削深度和加工余量对于提高加工质量和加工效率十分重要。为快速、准确、方便地选取刀具，我们设计了专用选刀程序。

图3 主程序流程图

程序设计思想
首先分别按整体式立铣刀和机夹可转位式立铣刀两种刀具类型，按刀具直径(从小到大)建立包含刀具规格、尺寸等参数的刀具资料数据库；然后根据输入的被加工凹轮廓数据和粗加工刀具参数，按式(1)、(2)及刀具参数选择原则计算中间刀具的尺寸并进行圆整处理；最后从刀具资料数据库中选择合适的刀具。
该程序中包括求值子程序和圆整子程序。求值子程序计算出的中间刀具尺寸不可能与刀具资料数据库中的参数恰好完全相等，因此需对尺寸进行圆整处理，具体方法是找出刀具资料数据库中与计算直径最为接近的值。如该值小于计算值，则该值即为圆整值；如果该值大于计算值，则取最接近值的前一个刀具值为圆整值。
程序流程
最佳刀具选择主程序流程如图3 所示。
程序运行实例
运行该刀具选择程序，计算加工某一工件凹轮廓转接处的刀具参数。输入以下参数：
工件凹轮廓加工最小角度(angle<180)：angle=60
精加工所留单边余量(0.5<=res<=1)：res=0.5
精加工刀具半径系数(0.8<=t<=1)：t=0.8
工件凹轮廓面最小曲率半径(R<=20)：R=7.5
工件轮廓面与腹板面的转接圆弧半径(r<=R)：r=2
工件侧壁最大高度(H<=39)：H=15
加工余量系数(0.3<=k<=0.8)：K=0.5
中间刀具端刃圆角半径(r1)：r1=1.6
中间刀具端刃圆角半径(r2)：r2=1.2
粗加工刀具的端刃圆角半径(Rmax)：Rmax=0.4
粗加工刀具直径：30
运行程序，得到计算结果如下：

刀具类型刀具半径刃长端刃圆角半径

ART 12.00 26.00 1.6

ART 18.00 31.00 1.6

ART 30.00 43.00 0.4

刀具类型	刀具半径	刃长	端刃圆角半径
ART	12.00	26.00	1.6
ART	18.00	31.00	1.6
ART	30.00	43.00	0.4

4 结语

本文采用C++语言设计了铣削工件凹轮廓时最佳刀具选择程序。该程序作为CAD/CAM系统的二次开发程序，嵌入系统后可完善工艺系统功能。应用该程序可根据现场加工情况合理选择刀具，减少编程人员工作量，显著提高加工效率与加工质量。

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