淺析數(shù)控車削加工中的刀具半徑補(bǔ)償

王劉菲+曹著明+紀(jì)文龍

摘要：本文全面介紹了在數(shù)控車削加工過(guò)程中的刀具半徑補(bǔ)償產(chǎn)生的原理和解決方案。數(shù)控車刀具半徑補(bǔ)償是數(shù)控系統(tǒng)中的重要功能，正確地使用該功能，能有效保證產(chǎn)品質(zhì)量并提高生產(chǎn)效率。通過(guò)在數(shù)控車削加工中的刀具半徑補(bǔ)償原理分析，介紹了在編程刀具半徑補(bǔ)償中的使用方法。在實(shí)際車削加工過(guò)程中，由于不同種類的刀具在尺寸、形狀上是不一樣的，在加工中會(huì)產(chǎn)生欠切、過(guò)切的加工誤差。因此，在數(shù)控車削加工中加入刀具半徑補(bǔ)償指令，數(shù)控機(jī)床能根據(jù)實(shí)際使用的刀具尺寸及規(guī)格，自動(dòng)調(diào)整個(gè)刀具的走刀軌跡，避免欠切和過(guò)切現(xiàn)象的產(chǎn)生，同時(shí)能提高編程效率并保證零件的加工質(zhì)量和精度。所以，通過(guò)刀具半徑補(bǔ)償能實(shí)現(xiàn)，在數(shù)控編程時(shí)根據(jù)刀具中心的軌跡進(jìn)行編程；在數(shù)控系統(tǒng)中先設(shè)定偏置的相關(guān)參數(shù)，數(shù)控系統(tǒng)就能自動(dòng)計(jì)算輪廓軌跡，使刀具加工出符合圖紙要求的合格零件。

關(guān)鍵詞：數(shù)控車削加工；刀具半徑補(bǔ)償；原理；方案

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）15-0184-02

一、刀具半徑補(bǔ)償產(chǎn)生的原因

如圖1所示，實(shí)際數(shù)控車刀刀尖和理想數(shù)控車刀刀尖的是存在區(qū)別的，理想刀具的刀尖處是一個(gè)點(diǎn)，但在實(shí)際切削過(guò)程中使用的數(shù)控車刀的刀尖為圓弧形狀，主要是為了提高刀尖強(qiáng)度和剛性，提高被加工零件的表面質(zhì)量。因此，數(shù)控車刀的刀尖一般設(shè)計(jì)為圓弧過(guò)渡刃。一般的機(jī)夾車刀刀片（不重復(fù)磨削）的刀尖處均設(shè)計(jì)為圓弧形狀，且將半徑值標(biāo)注在刀片上；即使是重復(fù)磨削的車刀，其實(shí)際刀尖處還將是圓弧形狀，絕對(duì)的刀尖“尖角”是不可能存在的。因此，所謂的刀尖只是一個(gè)“假想刀尖”，實(shí)際車刀均有刀尖半徑，即在車刀刀尖部分存在一段圓弧，構(gòu)成假想圓的半徑值。

在數(shù)控車削編程時(shí)，主要是讓刀具上的刀位點(diǎn)沿著工件輪廓形狀進(jìn)行程序編制。那么，車刀的刀位點(diǎn)一般情況下指的是刀尖圓弧的圓心點(diǎn)或假想刀尖點(diǎn)（理想狀態(tài)下）。但在實(shí)際加工中使用的車刀，由于數(shù)控車削加工工藝和結(jié)構(gòu)要求，刀尖處是一個(gè)理想點(diǎn)是不可能存在的，而是一段圓弧形狀。當(dāng)車削端面輪廓或車削與軸線平行圓柱面時(shí)，零件尺寸和形狀不會(huì)受到刀尖圓弧的影響；但若加工其他與軸線不垂直或不平行的輪廓時(shí)，由于在車削過(guò)程中刀具的切削點(diǎn)是在刀尖圓弧上變動(dòng)的，這將使零件得加工尺寸和形狀產(chǎn)生誤差，造成欠切削或過(guò)切削現(xiàn)象。這種由于車刀刀尖圓弧產(chǎn)生的尺寸及形狀誤差，可以通過(guò)刀具半徑補(bǔ)償功能來(lái)補(bǔ)償。在數(shù)控車削加工過(guò)程中，編程人員一般按照零件的輪廓進(jìn)行程序編制。由于刀具存在一定的半徑是必然存在的，在加工錐面或者圓弧面等零件零件時(shí)，實(shí)際輪廓與刀具中心的運(yùn)動(dòng)軌跡將不完全相同，而將根據(jù)刀尖半徑尺寸在加工軌跡上進(jìn)行相應(yīng)的延伸或者縮短，從而保證加工精度，這就是所謂的數(shù)控車削刀具半徑補(bǔ)償。

二、數(shù)控車削刀具半徑補(bǔ)償指令

刀具半徑補(bǔ)償能實(shí)現(xiàn)在控制刀具中心的軌跡按照零件輪廓來(lái)編制程序，同時(shí)在刀具半徑發(fā)生變化時(shí)（如刀具磨損），可對(duì)刀具半徑作出相應(yīng)的補(bǔ)償，而不需要調(diào)整程序從而保證零件的加工精度。刀具半徑補(bǔ)償指令有三個(gè)，分別是G40、G41、G42。其中G40指的是：取消刀具半徑補(bǔ)償。其中G41指的是：刀具半徑左補(bǔ)償，在車削時(shí)沿著走刀方向看，刀具在零件左側(cè)偏置進(jìn)給。其中G42指的是：刀具半徑右補(bǔ)償，在車削時(shí)沿著走刀方向看，刀具在零件右側(cè)偏置進(jìn)給。

刀具左補(bǔ)償（G41）和刀具右補(bǔ)償（G42）的判斷方法為：從與加工坐標(biāo)軸構(gòu)成的平面相垂直的坐標(biāo)軸的正方向往負(fù)方向看，沿著刀具的走刀方向，刀具在工件輪廓軌跡的左邊時(shí)，用G41——刀具半徑左補(bǔ)償；從與加工坐標(biāo)軸構(gòu)成的平面相垂直的坐標(biāo)軸的正方向往負(fù)方向看，沿著刀具的走刀方向，刀具在工件輪廓軌跡的右邊時(shí)，用G42——刀具半徑右補(bǔ)償。根據(jù)該判斷方法，在車削加工內(nèi)輪廓時(shí)應(yīng)使用刀具左補(bǔ)償指令——G41；在車削加工外輪廓時(shí)應(yīng)使用刀具右補(bǔ)償指令——G42；在車削加工結(jié)束時(shí)應(yīng)使用G40取消半徑補(bǔ)償。

三、刀具半徑補(bǔ)償流程

數(shù)控機(jī)床具有了刀具半徑補(bǔ)償功能，既可以保證機(jī)床的高精度，又可以極大地簡(jiǎn)化編程工作量。無(wú)論哪一類的刀具半徑補(bǔ)償技術(shù)，在使用中都需要建立刀補(bǔ)、執(zhí)行刀補(bǔ)、取消刀補(bǔ)三個(gè)步驟。建立刀具半徑補(bǔ)償：刀具在起刀點(diǎn)移動(dòng)至加工工件時(shí)，G41（刀具左補(bǔ)償）或G42（刀具右補(bǔ)償）將確定刀具的補(bǔ)償方向，然后將伸長(zhǎng)或縮短一個(gè)距離（在原來(lái)程序產(chǎn)生的輪廓軌跡的基礎(chǔ)上），這個(gè)距離的數(shù)值就等于車刀刀尖半徑值。執(zhí)行刀具半徑補(bǔ)償：刀具半徑補(bǔ)償被建立后，這種狀態(tài)將得到保持，直到刀具半徑補(bǔ)償功能被取消為止。在執(zhí)行刀具半徑補(bǔ)償期間，被加工零件的輪廓將始終距離刀具的中心軌跡一個(gè)刀具半徑值的距離。取消刀具半徑補(bǔ)償：在車削加工結(jié)束時(shí)，刀具需要離開(kāi)工件回到退刀點(diǎn)，此時(shí)必須取消刀具半徑補(bǔ)償功能，防止執(zhí)行其他不需要半徑補(bǔ)償功能的程序時(shí)，還留有半徑補(bǔ)償功能從而導(dǎo)致誤差。同建立刀具半徑補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程相似，取消半徑補(bǔ)償時(shí)的退刀點(diǎn)的位置一般設(shè)計(jì)在被加工零件輪廓之外，同時(shí)還應(yīng)距離被加工零件輪廓的退出點(diǎn)較近的位置或者設(shè)計(jì)在零件輪廓延長(zhǎng)線上，根據(jù)需要也可設(shè)置成與起刀點(diǎn)相同。

在數(shù)控車削系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行刀具半徑補(bǔ)償時(shí)，刀尖圓弧半徑、刀位點(diǎn)的變化都不影響編程，都是用同樣的方法——按零件圖紙上的輪廓軌跡直接進(jìn)行編程，在車削零件輪廓前加入刀具半徑補(bǔ)償指令；在車削加工結(jié)束后取消刀具半徑補(bǔ)償指令。在數(shù)控車削加工時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)將根據(jù)程序中的刀具半徑補(bǔ)償指令自動(dòng)偏置相應(yīng)的距離，確保切削刃的軌跡與零件圖紙的軌跡一致。數(shù)控車刀具補(bǔ)償功能的建立需要輸入兩個(gè)參數(shù)，分別是刀具號(hào)和刀具半徑補(bǔ)償值地址兩項(xiàng)。在FANUC數(shù)控系統(tǒng)中T表示刀具調(diào)用，格式為：T****。T后面用四個(gè)數(shù)字表示，前兩個(gè)**表示刀具號(hào)，后兩個(gè)**表示刀具補(bǔ)償值地址號(hào)。如T0202表示使用第2號(hào)刀具，和第2號(hào)刀具補(bǔ)償值地址的值。當(dāng)輸入的刀具補(bǔ)償號(hào)為00時(shí)表示取消刀具半徑補(bǔ)償。刀具半徑補(bǔ)償?shù)闹饕獌?nèi)容包括如下。

1.刀具半徑補(bǔ)償參數(shù)。在數(shù)控車削刀具半徑補(bǔ)償中一共用到4個(gè)參數(shù)，刀具半徑補(bǔ)償號(hào)對(duì)應(yīng)刀具位置補(bǔ)償坐標(biāo)（X和Z值）和刀尖圓弧半徑補(bǔ)償值（R：刀尖半徑和T：刀尖位置號(hào)）。這四個(gè)參數(shù)應(yīng)在加工之前輸入到相應(yīng)的存儲(chǔ)位置（OFFSETTING/形狀）。在執(zhí)行數(shù)控程序的過(guò)程中，數(shù)控系統(tǒng)將自動(dòng)補(bǔ)償?shù)毒咭苿?dòng)的相關(guān)偏差（具體補(bǔ)償量由X、Z、R、T四個(gè)參數(shù)來(lái)確定），進(jìn)行刀具半徑補(bǔ)償，加工出合格的零件。

2.刀具圓弧半徑補(bǔ)償；在編寫數(shù)控車削程序時(shí)，車刀的刀尖被想象成一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行編程，但實(shí)際上為了降低工件表面粗糙度值和提高刀具的使用壽命，車刀刀尖被設(shè)計(jì)成半徑不大的一個(gè)過(guò)渡圓弧，這個(gè)過(guò)渡圓弧會(huì)導(dǎo)致被加工零件產(chǎn)生誤差。同時(shí)數(shù)控車削加工時(shí)影響零件的加工尺寸的因素還有：刀尖圓弧所處的位置（車刀刀尖指向）、車刀的形狀、尺寸等。車刀刀尖所指的方向稱為刀尖方位，用0～9的數(shù)字來(lái)表示。其中內(nèi)孔車刀對(duì)應(yīng)的刀尖位置號(hào)為2，外圓車削時(shí)對(duì)應(yīng)的刀尖位置號(hào)為3。因?yàn)橛械毒甙霃窖a(bǔ)償功能，這些問(wèn)題都能通過(guò)調(diào)整相關(guān)參數(shù)得到解決。

3.刀具位置補(bǔ)償。在實(shí)際車削加工過(guò)程中，當(dāng)重新安裝車刀或者長(zhǎng)期使用刀具后將會(huì)使刀具的機(jī)械坐標(biāo)值產(chǎn)生變動(dòng)，由于有了刀具半徑補(bǔ)償功能，就不需要修改加工程序同樣也能加工出合格的零件。具體操作步驟為先將每把刀具的機(jī)械坐標(biāo)值測(cè)出，然后在數(shù)控系統(tǒng)指定的存儲(chǔ)位置存儲(chǔ)機(jī)械坐標(biāo)值，這樣，在執(zhí)行刀具補(bǔ)償指令時(shí)刀具的實(shí)際坐標(biāo)值將代替原來(lái)的機(jī)械坐標(biāo)值。

四、小結(jié)

在進(jìn)行數(shù)控車削刀具半徑補(bǔ)償時(shí)，應(yīng)注意如下幾個(gè)事項(xiàng)：G41、G42不能與G02、G03寫在同一個(gè)程序段，可與G00、G01連用；在建立、取消刀具半徑補(bǔ)償?shù)某绦蚨蝺?nèi)，G40、G41、G42數(shù)控指令必須與G00或G01指令寫在一個(gè)程序段內(nèi)；當(dāng)輸入刀具半徑補(bǔ)償值地址的值為負(fù)值時(shí)，G41和G42的功能發(fā)生轉(zhuǎn)換；車削零件輪廓前應(yīng)建立好半徑補(bǔ)償，加工完零件后應(yīng)取消半徑補(bǔ)償；G40、G41、G42都是模態(tài)代碼，可相互注銷；在切入工件之前，應(yīng)建立好刀具半徑補(bǔ)償，同時(shí)應(yīng)保證直線移動(dòng)的距離不為零；在切出工件之后應(yīng)撤銷刀具半徑補(bǔ)償。若需要改變刀具半徑補(bǔ)償值時(shí)，應(yīng)在撤銷刀具半徑補(bǔ)償狀態(tài)的情況下改變相關(guān)參數(shù)；G40與G41、G42必須成對(duì)使用；在刀補(bǔ)進(jìn)行階段避免刀具作Z軸運(yùn)動(dòng)。

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