數(shù)控車削加工中刀尖圓弧半徑補(bǔ)償分析與應(yīng)用

許云飛

（江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

在實(shí)際加工過程中，由于刀具產(chǎn)生磨損及精加工的需要，常將車刀的刀尖修磨成半徑較小的圓弧，這時的刀位點(diǎn)為刀尖圓弧的圓心。為確保工件輪廓形狀，加工時不允許刀具刀尖圓弧的圓心運(yùn)動軌跡與被加工工件輪廓重合，而應(yīng)與工件輪廓偏移一個半徑值，這種偏移稱為刀尖圓弧半徑補(bǔ)償。目前，較多車床數(shù)控系統(tǒng)都具有刀尖圓弧半徑補(bǔ)償功能。在編程時，只要按工件輪廓進(jìn)行編程，再通過系統(tǒng)補(bǔ)償一個刀尖圓弧半徑即可。但有些車床數(shù)控系統(tǒng)卻沒有刀尖圓弧補(bǔ)償功能。對于這些機(jī)床，如要加工精度較高的圓弧或圓錐表面時，則要通過計算來確定刀尖圓心運(yùn)動軌跡，再進(jìn)行編程。

1 假想刀尖與刀尖圓弧半徑

在理想狀態(tài)下，我們總是將尖形車刀的刀位點(diǎn)假想成一個點(diǎn)，該點(diǎn)即為假想刀尖（圖1中的A點(diǎn)），在對刀時也是以假想刀尖進(jìn)行對刀。但實(shí)際加工中的車刀，由于工藝或其他要求，刀尖往往不是一個理想的點(diǎn)，而是一段圓弧（如圖1中的BC 圓弧）。所謂刀尖圓弧半徑是指車刀刀尖圓弧所構(gòu)成的假想圓半徑（圖1中的r）。實(shí)踐中，所有車刀均有大小不等或近似的刀尖圓弧，假想刀尖在實(shí)際加工中是不存在的。

圖1 假想刀尖示意圖

2 未使用刀尖圓弧半徑補(bǔ)償時的加工誤差分析

用圓弧刀尖的外圓車刀切削加工時,圓弧刃車刀（圖1）的對刀點(diǎn)分別為B點(diǎn)和C點(diǎn)，所形成的假想刀位點(diǎn)為A點(diǎn)，但在實(shí)際加工過程中，刀具切削點(diǎn)在刀尖圓弧上變動，從而在加工過程中可能產(chǎn)生過切或者少切現(xiàn)象。因此，采用圓弧刃車刀在不使用刀尖圓弧半徑補(bǔ)償功能的情況下，加工工件會出現(xiàn)以下幾種誤差情況。

2.1 加工臺階面或端面誤差分析

加工臺階面或端面時，對加工表面的尺寸和形狀影響不大，但在端面的中心位置和臺階的清角位置會產(chǎn)生殘留誤差，如圖2所示。

圖2 加工臺階面或端面誤差分析

2.2 加工圓錐面誤差分析

加工圓錐面時，對圓錐的錐度不會產(chǎn)生影響，但對錐面的大小端尺寸會產(chǎn)生較大的影響，通常情況下，會使外錐面的尺寸變大（圖3所示），而使內(nèi)錐面的尺寸變小。

圖3 加工圓錐面誤差分析

2.3 加工圓弧誤差分析

加工圓弧時，會對圓弧的圓度和圓弧半徑產(chǎn)生影響。加工外凸圓弧時，會使加工后的圓弧半徑變小，其值=理論輪廓半徑R–刀尖圓弧半徑r，如圖4所示。加工內(nèi)凹圓弧時，會使加工后的圓弧半徑變大，其值=理論輪廓半徑R+刀尖圓弧半徑r，如圖5所示。

圖4 加工外凸圓弧誤差分析圖

圖5 加工內(nèi)凹圓弧誤差分析

3 刀尖圓弧半徑補(bǔ)償過程

刀尖圓弧半徑補(bǔ)償?shù)倪^程分為三步：即刀補(bǔ)的建立，刀補(bǔ)的進(jìn)行和刀補(bǔ)的取消。其補(bǔ)償過程通過圖6和加工程序O0001 共同說明。

圖6 刀尖圓弧半

3.1 刀補(bǔ)的建立

刀補(bǔ)的建立指刀具從起點(diǎn)接近工件時，車刀圓弧刃的圓心從與編程軌跡重合過渡到與編程軌跡偏離一個偏置量的過程。該過程的實(shí)現(xiàn)必須與G00 或G01 功能在一起才有效。

刀具補(bǔ)償過程通過N50 程序段建立。當(dāng)執(zhí)行N50 程序段后，車刀圓弧刃的圓心坐標(biāo)位置由以下方法確定：將包含G42 語句的下邊兩個程序段（N60、N70）預(yù)讀，連接在補(bǔ)償平面內(nèi)最近兩移動語句的終點(diǎn)坐標(biāo)(圖6中的BC 連線)，其連線的垂直方向?yàn)槠梅较颍鶕?jù)G41 或G42 來確定偏向哪一邊，偏置的大小由刀尖圓弧半徑值決定。經(jīng)補(bǔ)償后，車刀圓弧刃的圓心位于圖6中的B點(diǎn)處，其坐標(biāo)值為[0，（0+刀尖圓弧半徑）]。

3.2 刀補(bǔ)進(jìn)行

在G41 或G42 程序段后，程序進(jìn)入補(bǔ)償模式，此時車刀圓弧刃的圓心與編程軌跡始終相距一個偏置量，直到刀補(bǔ)取消。在該補(bǔ)償模式下，機(jī)床同樣要預(yù)讀兩段程序，找出當(dāng)前程序段所示刀具軌跡與下一程序段偏置后的刀具軌跡交點(diǎn)，以確保機(jī)床把下一段工件輪廓向外補(bǔ)償一個偏置量，如圖9中的C點(diǎn)、D點(diǎn)等。

3.3 刀補(bǔ)取消

刀具離開工件，車刀圓弧刃的圓心軌跡過渡到與編程軌跡重合的過程稱為刀補(bǔ)取消，如9 中的EF段（即N90 程序段）。刀補(bǔ)的取消用G40 來執(zhí)行，需要特別注意的是，G40 必須與G41 或G42 成對使用。

4 結(jié)束語

以上通過車刀刀尖半徑對加工工件的影響的分析可知，要保證零件加工精度，在數(shù)控加工尤其精加工一定要進(jìn)行車刀刀尖半徑補(bǔ)償。

[1]沈建峰，等.數(shù)控車床編程與操作實(shí)訓(xùn)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008：85-90.