數控車床刀具補償的應用與教學

數控編程過程中，一般不考慮刀具的長度與刀尖圓弧半徑，只需要考慮刀位點與編程軌跡重合。而實際加工過程中，由于刀具長度與刀尖圓弧半徑不同，在加工中會產生很大的加工誤差，這就需要通過刀具補償功能，使機床根據刀具實際尺寸，自動改變機床坐標軸或刀具刀位點的位置，以保證實際加工輪廓和編程軌跡完全一致。

刀具補償分為刀具位置補償和刀尖圓弧半徑補償。刀具位置補償主要用來補償各個實際刀具與基準刀具尺寸之間的差值。這個差值通過對刀儀或試切法等方式比較容易就可以測得，原理和操作方法都比較簡單，一般教學上都能較全面地講到。因此，本文將主要對刀尖圓弧半徑補償進行一些探討。

由于編程時我們把刀具假想成理想狀態的一個點（假想刀尖），在對刀時也是以假想刀尖進行對刀。但實際加工過程中，由于工藝及其他方面的原因，刀具的刀尖往往不是一個理想的點而是一段圓弧（圖1）。

因此，在切削錐面或圓弧時，就會產生一定程度的尺寸誤差（圖2），這就需要我們使用刀尖圓弧半徑補償來進行修正。

在大多數教科書及學校教學上，一般對刀尖圓弧補償都做了一些原理性的介紹，即把刀尖圓弧假設成一個標準圓。但實際加工過程中，刀尖圓弧補償要復雜得多，它主要由兩方面的因素引起。

第一個因素是由于刀具生產過程中產生的誤差，造成刀尖圓弧半徑及形狀與理想值有一定的偏差。以車削加工中應用較多的外圓車刀為例，刀尖圓弧一般在0.2～3.2mm，具體以大于等于進給量的1.25倍為宜，粗加工可適當選大一些。現選取刀尖圓弧半徑為0.8mm的車刀來做說明，誤差值取±0.05mm。在理想狀態下，車刀經過刀尖圓弧補償后加工45°錐面將出現圖3和圖4中的理想切削軌跡。而在刀尖圓弧半徑存在+0.05mm誤差的情況下，由于刀尖圓弧曲率變小，將會出現如圖3中的實際切削軌跡；刀尖圓弧半徑存在-0.05mm誤差的情況下，由于刀尖圓弧曲率變大，將會出現如圖4中的實際切削軌跡。從圖中可以看出，兩條軌跡垂直間距0.02mm，Z向間距0.029mm。這很可能會使被加工工件出現超差而報廢。

在加工中如果碰到上述情況，怎么解決呢？因為上面所說的刀尖圓弧誤差只影響到加工錐面和圓弧等雙坐標同時變化的加工過程，而對外圓、端面加工基本上沒有什么影響。如出現過切現象，說明實際刀尖圓弧半徑比理想圓弧半徑小；如果出現少切現象，說明實際刀尖圓弧半徑比理想圓弧半徑大。所以在遇到以上情況時，可以根據偏差值的大小，利用三角函數來初步估算出刀尖圓弧半徑的偏差，然后在控制面板中對刀尖圓弧半徑進行適當的修正，就可以使加工出的尺寸更加準確。

第二個因素是由于刀具加工過程中的磨損引起的。一般在刀具做連續的切削加工之后，會出現磨損。通常的處理方式是在控制面板的磨耗中直接對磨損量進行補償，這時候的刀尖形狀如圖5所示，這種補償在車削外圓或端面時不會產生任何問題。當整個車削過程中有錐面、圓弧等需要雙坐標聯動的加工形狀時，問題就產生了。

如圖6所示，由于刀具的磨損，使整個刀尖圓弧的圓心往-X方向移動。假如磨損量為0.05mm，那么在切削45°錐度時，實際切削軌跡與理想軌跡的垂直間距會達到0.035mm，Z向間距0.049mm。顯然，在有兩軸聯動的切削過程中，如果刀具磨損后簡單地通過控制面板中修改磨耗來修正，很可能會使零件達不到要求。

那么在加工中碰到這種情況，怎樣才能比較好地解決呢？如果加工要求不是特別高的話，當出現較多的磨耗時，可以在控制面板中將刀尖圓弧半徑值適當地設置小一點，這樣機床會根據半徑值的變小而向右進行讓刀（根據第一個因素的結論），使因刀具磨損而產生的切削誤差盡量減小。

以上兩點，在一般教科書和學校教學中都不會提到，但在實際加工中確實會影響到工件的加工質量。因此，在這里做一些探討和交流，希望對教學及車削加工時提高此類工件質量有所幫助。

（作者單位：杭州市第四機械技工學校）