刀具半徑補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用分析

摘 要：文章通過對用工件輪廓和用刀具中心軌跡兩種編程方法的比較，說明用工件輪廓編程方便。介紹利用輪廓編程時(shí)刀具半徑補(bǔ)償?shù)膬煞N方法：B刀補(bǔ)和C刀補(bǔ)。最后闡述了刀具半徑補(bǔ)償在數(shù)控車削加工中的應(yīng)用及如何計(jì)算出差值進(jìn)行半徑補(bǔ)償來得到準(zhǔn)確的加工軌跡。

關(guān)鍵詞：刀具；半徑；補(bǔ)償

引言

在數(shù)控機(jī)床上用圓頭銑刀或平銑刀加工工件時(shí)，編程人員在編制零件加工程序前，手中只有零件的圖紙。編程時(shí)，編程人員可以根據(jù)工件輪廓編程；又可以根據(jù)所用刀具的尺寸，計(jì)算出刀具中心的軌跡后，以刀具中心軌跡進(jìn)行編程。見圖1，實(shí)線為零件輪廓，點(diǎn)劃線為刀具中心軌跡。

圖1 輪廓軌跡和刀具中心軌跡

很顯然，編程時(shí)，如果用刀具中心軌跡來編程，需要非常豐富的平面幾何和數(shù)學(xué)知識，數(shù)據(jù)計(jì)算工作量也非常大而且復(fù)雜。即使編出了加工程序，如果刀具磨損、重磨及重?fù)Q新刀具等各種原因，再根據(jù)原程序加工出零件的尺寸、精度就發(fā)生變化，必須根據(jù)刀具磨損、重磨及重?fù)Q新刀具后的刀具新的尺寸重新編程；而且計(jì)算出的節(jié)點(diǎn)可能是近似值，加工精度難以保證。所以通常都以輪廓編程來解決上述問題。加工前，操作人員預(yù)先將刀具半徑補(bǔ)償值輸入數(shù)控系統(tǒng)；加工時(shí)，根據(jù)預(yù)先存入數(shù)控系統(tǒng)的補(bǔ)償值，刀具根據(jù)輪廓自動(dòng)偏移一個(gè)半徑值，正確地加工出零件輪廓，以上操作過程稱為刀具半徑補(bǔ)償。

1 刀具半徑補(bǔ)償在加工過程中的補(bǔ)償方法

根據(jù)輪廓進(jìn)行編程，利用刀具半經(jīng)補(bǔ)償，可很方便地加工出零件，見圖1。但從刀具中心軌跡可以看出，在B和E兩拐角處，刀具中心多走了小一段軌跡，而這一小段軌跡在工件輪廓中是沒有的，所以在數(shù)控系統(tǒng)中，除了直線、圓弧等插補(bǔ)功能以外，還必須具有處理刀具半徑矢量的能力，即要有補(bǔ)償矢量偏移的計(jì)算和補(bǔ)償矢量的旋轉(zhuǎn)兩個(gè)方面的功能。

1.1 B機(jī)能刀具補(bǔ)償

在兩程序段連接處，使補(bǔ)償矢量旋轉(zhuǎn)一個(gè)指定的角度，或在加工圓弧時(shí)，使刀具中心作r或R+r的圖弧插補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)的方法有r？法，矢量法，比例法等，但對于兩程序段之間輪廓的轉(zhuǎn)接是以圓弧方式進(jìn)行的，沒有考慮到轉(zhuǎn)接的各種實(shí)際情況，就會產(chǎn)生以下兩個(gè)問題：（1）在外輪廓尖加工時(shí)，由于輪廓尖角一直處于切割狀態(tài)，往往會變成小圓角。（2）加工內(nèi)輪廓時(shí)，刀具中心軌跡不易求得，由編程員人為地插入一個(gè)輔助加工的圓弧軌跡，并且輔助圓弧的半經(jīng)必須大于刀具半徑值，這樣會給程序的編制工作帶來了很大的麻煩。

1.2 C機(jī)能刀具補(bǔ)償

C機(jī)能刀具補(bǔ)償主要采用直線過濾方式，根據(jù)前后程序的不同軌跡，采取不同的連接方式，見圖2。這樣就可以克服B機(jī)能刀補(bǔ)所帶來的缺陷。

2 刀具半徑補(bǔ)償?shù)淖饔?/p>

（1）利用工件輪廓，直接編制程序。（2）根據(jù)原程序，使用左補(bǔ)償和右補(bǔ)償或利用同一補(bǔ)償，使用正負(fù)號，可以加工陰、陽兩工件。用于凸、凹模的加工。（3）能避免繁瑣的計(jì)算，簡化編程，在不改變刀具的情況下，利用原程序，修改指定單元中存放的刀偏值，來實(shí)現(xiàn)粗、精加工；同樣原理，即使刀具磨損，刃磨后，或者更換刀具，利用原有程序也能加工工件。

圖2 C機(jī)能刀具補(bǔ)償方式

3 刀具半徑補(bǔ)償在車削加工中的應(yīng)用

在車削加工過程中，由于車刀刃磨成型后，加工部分都是用刀尖，因此人們編程時(shí)都是認(rèn)為刀是\"尖\"的，而直接用零件輪廓編程。但在實(shí)際使用中，特別是為了獲得低加工表面精糙度用的精車刀，刀尖處總有一個(gè)半徑為r的圓弧，見圖3所示，刀尖點(diǎn)P為與圓弧相切且分別與 X軸、Z軸相平行的交點(diǎn)。在加工過程中，如果機(jī)床沒有刀尖圓弧半徑補(bǔ)償功能，在加工有錐面和圓弧的零件時(shí)就會有誤差。

圖3 圓頭車刀假想刀尖

3.1 圓頭車刀車削錐面

見圖4，由于刀尖圓弧的存在，加工程序是按照工件輪廓所編寫，理論上，假想的刀尖走的軌跡為BC，而實(shí)際上由于圓弧的存在，刀具實(shí)際走的軌跡為PD，則必然產(chǎn)生BCDP殘留誤差，誤差的大小由圖中ΔX ，ΔZ表示，計(jì)算如下：

ΔZ=AB-AP=r-rtg（θ/2）

=r（1-tg（θ/2））

ΔX=ΔZtgθ

=r（1-tg（θ/2））（2 tg（θ/2））/（1-tg2（θ/2））

=2r/（1+ctg（θ/2））

3.2 圓頭車刀車削圓弧

見圖5，以刀尖按輪廓編程，刀具理論上按弧AB加工，

而實(shí)際上是按弧CD加工，兩圓弧半徑相差刀尖圓弧半徑，所以實(shí)踐編程時(shí)，應(yīng)按弧CD編程。

4 結(jié)束語

即使編程注意到上述問題，改用刀心軌跡編程，但當(dāng)?shù)额^磨損或刀具重磨時(shí)，又需要重新計(jì)算編程，非常麻煩。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，利用現(xiàn)代數(shù)控車床都具有的G40，G41，G42刀具半徑補(bǔ)償功能，加工程序仍按照零件輪廓編制，但在加工以前就將刀尖圓弧等相應(yīng)參數(shù)在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定，運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)使能自動(dòng)地計(jì)算出刀尖或刀心運(yùn)動(dòng)軌跡并控制刀具在此軌跡上移動(dòng)，加工出準(zhǔn)確的零件輪廓。

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作者簡介：張松（1979-），男，江蘇盱眙人，工程師（機(jī)械設(shè)計(jì)制造），本科，主要研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)機(jī)組產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造。