銑削加工中刀具半徑補償的運用

賀林

摘 要：刀具半徑補償是現代數控機床控制系統的一種基本功能。在數控車銑床、加工中心加工工件時，特別是二維平面工件的輪廓加工，如果不考慮刀具的實際直徑大小，加工出來的工件尺寸與實際要求的尺寸將不符（大一圈或小一圈）。如果加入刀具半徑補償，刀具會自動偏移刀具半徑值，這樣就可以正確加工。因此，理解刀具半徑補償并能正確靈活地使用刀具補償功能，將簡化編程，起到事半功倍的效果。將刀具補償和變量編程結合使用，還可實現一些復雜曲面的加工，在數控切削加工中有較強的實用價值。

關鍵詞：輪廓加工；刀具；半徑；應用；補償

1 對刀具半徑補償的認識

1.1 刀具半徑補償的基本概念

在輪廓加工過程中，由于刀具總有一定的半徑（如銑刀半徑或線切割的電極絲半徑等），刀具中心的運動軌跡與所需加工零件的實際輪廓并不重合。在進行內輪廓加工時，刀具中心偏離零件的內輪廓表面一個刀具半徑值。在進行外輪廓加工時，刀具中心又偏離零件的外輪廓表面一個刀具半徑值。這種偏移稱為刀具半徑補償。

1.2 刀具半徑補償指令

刀具半徑補償指令有G41、G42和G40共3個指令。當刀具中心軌跡在編程軌跡前進方向的左邊時，稱為左刀補，用G41表示；刀具中心軌跡在編程軌跡前進方向的右邊時，右刀補，用G42表示；取消刀具半徑補償時用G40表示。

1.3 刀具半徑補償執行過程

（1）設置刀具半徑補償值：程序啟動之前，在刀具補償參數區內設置補償值。

（2）刀具半徑補償的建立：刀具半徑補償的建立就是在刀具從起刀點（起刀點位于零件輪廓之外，距離加工零件輪廓切入點較近）以進給速度接近工件時，刀具中心軌跡從與編程軌跡重合過渡到與編程軌跡偏離一個刀具半徑值的過程。刀具從起刀點接近工件，刀具中心軌跡的終點不在下一個程序段指定的輪廓起點，而是在法線方向上偏移一個刀具補償的距離。在該段程序中，動作指令只能用G00或G01。

（3）刀具補償進行：在刀具補償進行期間，刀具中心軌跡始終偏離編程軌跡一個刀具半徑值的距離。此時半徑補償在G00、G01、G02、G03情況下均有效。

（4）取消補償：使用G40指令取消程序段偏置值，使刀具撤離工件，回到起始位置，從而使刀具中心與編程軌跡重合。以下兩種情況之一發生時加工中心補償模式將被取消。①當程序中給出G40同時要有補償平面內坐標軸移動時。②當刀具補償號為D00時。

2 刀具半徑補償的應用剖析

2.1 簡化編程，提高精度，增加程序的柔性

使用刀具半徑補償指令可以按零件的輪廓直接編程，實現輪廓加工，從而簡化編成，這是刀具半徑補償的一般應用。然而實際加工中刀具補償值并不一定完全等于刀具半徑值，因此在首件加工時，為了不浪費材料，應采取適當增加刀具半徑補償值的方法，根據加工實測值和理論值之差，修正刀具半徑補償值，從而提高零件加工精度。同一程序加工，當刀具磨損或重磨后，直徑會發生變化，則需要通過修改刀具半徑補償值來獲得所需的尺寸精度，增加程序的柔性。

2.2 同一程序實現零件粗、精加工

刀具半徑補償除了簡化編程，外，還可以用修改刀補值的方法，實現用同一乘虛進行輪廓的粗、精加工。粗加工階段：刀具半徑補償值=刀具半徑+精加工余量（單邊）；在精加工階段，刀具半徑補償值=刀具半徑+修正值。

2.3 設置正、負刀具半徑補償實現零件的等寬壁厚加工

一般情況下，刀具半徑補償值應為正值。如果出現補償值為負值，則G41和G42功能相互替換。利用這一特點，當加工相等寬度的、由直線和圓弧或者含有曲線的等距輪廓工件時，只需對一個輪廓進行編程即可：加工好第一個輪廓后，修改刀具半徑補償值，使刀具半徑補償值=-（刀具半徑+輪廓寬度），即可實現對第二個輪廓的加工。 但在實際加工時，需要考慮建立刀具半徑補償和撤銷刀具半徑補償時的刀軌，會不會造成對被加工工件的過切或與工件輪廓相干涉。若造成影響，只需要修改或者撤消刀具半徑補償的軌跡即可。同理，在模具加工中，利用同一程序也可以加工同一公稱尺寸的內外兩個型面，且可通過修改刀具半徑補償值保證配合精度。

2.4 使用刀具半徑補償和變量編程，實現對輪廓倒圓/倒角的加工

上述刀具半徑補償的應用，一般地，是在加工開始前將刀具半徑補償值輸入到數控裝置，加工過程中，刀具半徑補償值是保持不變的，稱為定刀具半徑補償。另一種情況，刀具半徑補償值在加工過程中需要按一定的規律改變，被稱為變刀具半徑補償。變刀具半徑補償需要與變量編程結合才能發揮作用。所謂變量編程，即允許程序中使用變量和給變量賦值，并能進行算術運算、邏輯運算和條件轉移，是數控程序編制的高級形式。FNNUC0i系統的變量編程，可利用G10指令和系統變量按照某種規律改變刀具半徑補償值，在程序同一軌跡的控制下，可實現對具有一定規律的邊緣截面復雜曲面的加工，通用性強。如工件任意輪廓的倒圓、倒角加工，或圓孔/圓柱的邊緣倒圓、倒角加工等。

3 定刀具半徑補償編程實例

例（1）：編制圖3-3所示零件加工程序：要求建立如圖所示的工件坐標系，按箭頭所指路徑加工，設加工開始時刀具離工件上表面50mm，切削深度5mm。

O0001（主程序 10mm 立銑刀）

G40G80G49G21G94G17G16；（初始化）

G54G90G00X-10Y-10M3S800（建立工件坐標系）

Z50

Z2

G01Z-5F50

G42D01G01X10Y10F100（刀具補償建立）

X30

G03X40Y20R10

G02X30Y30R10

G01X10Y20

Y5

G40G01X-10Y-10（刀具補償取消）

M30

4 使用刀具半徑補償時常見的問題

4.1 刀補建立與取消

建立或撤消刀具半徑補償時，刀具必須在補償平面內或G01方式下移動，且移動距離大于刀具半徑補償值。

4.2 刀具半徑補償過程中的過切現象及其解決方法

刀具半徑補償使用中出現的過切（即干涉）指的是在零件的加工過程中，刀具按照程序設定的軌跡進行運動，由于使用了刀具補償功能，在執行某些指令時，刀具切削了非加工對象，即刀具過切。

（1）數控系統在啟用刀具補償功能后，一般情況下會出現兩種情況的過切。

1）當使用半徑補償時，輸入數控機床控制系統刀具補償中的預設刀具半徑值大于被加工零件的加工輪廓曲線的最小凹圓半徑，在加工過程中控制系統執行到這段程序語句時，數控系統計算后會發生過切現象，機床停止運動，并給出刀具過切的報警信息，也稱之為假過切現象。解決的方法非常簡單，刀具的半徑應滿足工件輪廓最小凹圓半徑的原則即可。

2）加工程序完全可以執行，但在加工過程中刀具運動出現過切現象，程序執行時，數控機床控制系統并沒有顯示刀具過切的報警信息。這種情況主要是由于程序編程不當引起的過切現象，導致被加工工件的報廢。

5 結束語

靈活運用刀具半徑補償功能對簡化手工編程，保證和提高加工精度，提高程序柔性，實現輪廓倒圓/倒角之類的曲面加工具有重要意義和價值。

參考文獻

[1]徐國權.鹽城技師學院，《機床結構編程與操作》

[2]何平.《數控加工中心操作與編程實訓教程》，北京國防工業出版社 ，2006