淺析數控車削加工中的刀具半徑補償

王劉菲+曹著明+紀文龍

摘要：本文全面介紹了在數控車削加工過程中的刀具半徑補償產生的原理和解決方案。數控車刀具半徑補償是數控系統中的重要功能，正確地使用該功能，能有效保證產品質量并提高生產效率。通過在數控車削加工中的刀具半徑補償原理分析，介紹了在編程刀具半徑補償中的使用方法。在實際車削加工過程中，由于不同種類的刀具在尺寸、形狀上是不一樣的，在加工中會產生欠切、過切的加工誤差。因此，在數控車削加工中加入刀具半徑補償指令，數控機床能根據實際使用的刀具尺寸及規格，自動調整個刀具的走刀軌跡，避免欠切和過切現象的產生，同時能提高編程效率并保證零件的加工質量和精度。所以，通過刀具半徑補償能實現，在數控編程時根據刀具中心的軌跡進行編程；在數控系統中先設定偏置的相關參數，數控系統就能自動計算輪廓軌跡，使刀具加工出符合圖紙要求的合格零件。

關鍵詞：數控車削加工；刀具半徑補償；原理；方案

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）15-0184-02

一、刀具半徑補償產生的原因

如圖1所示，實際數控車刀刀尖和理想數控車刀刀尖的是存在區別的，理想刀具的刀尖處是一個點，但在實際切削過程中使用的數控車刀的刀尖為圓弧形狀，主要是為了提高刀尖強度和剛性，提高被加工零件的表面質量。因此，數控車刀的刀尖一般設計為圓弧過渡刃。一般的機夾車刀刀片（不重復磨削）的刀尖處均設計為圓弧形狀，且將半徑值標注在刀片上；即使是重復磨削的車刀，其實際刀尖處還將是圓弧形狀，絕對的刀尖“尖角”是不可能存在的。因此，所謂的刀尖只是一個“假想刀尖”，實際車刀均有刀尖半徑，即在車刀刀尖部分存在一段圓弧，構成假想圓的半徑值。

在數控車削編程時，主要是讓刀具上的刀位點沿著工件輪廓形狀進行程序編制。那么，車刀的刀位點一般情況下指的是刀尖圓弧的圓心點或假想刀尖點（理想狀態下）。但在實際加工中使用的車刀，由于數控車削加工工藝和結構要求，刀尖處是一個理想點是不可能存在的，而是一段圓弧形狀。當車削端面輪廓或車削與軸線平行圓柱面時，零件尺寸和形狀不會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，由于在車削過程中刀具的切削點是在刀尖圓弧上變動的，這將使零件得加工尺寸和形狀產生誤差，造成欠切削或過切削現象。這種由于車刀刀尖圓弧產生的尺寸及形狀誤差，可以通過刀具半徑補償功能來補償。在數控車削加工過程中，編程人員一般按照零件的輪廓進行程序編制。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，實際輪廓與刀具中心的運動軌跡將不完全相同，而將根據刀尖半徑尺寸在加工軌跡上進行相應的延伸或者縮短，從而保證加工精度，這就是所謂的數控車削刀具半徑補償。

二、數控車削刀具半徑補償指令

刀具半徑補償能實現在控制刀具中心的軌跡按照零件輪廓來編制程序，同時在刀具半徑發生變化時（如刀具磨損），可對刀具半徑作出相應的補償，而不需要調整程序從而保證零件的加工精度。刀具半徑補償指令有三個，分別是G40、G41、G42。其中G40指的是：取消刀具半徑補償。其中G41指的是：刀具半徑左補償，在車削時沿著走刀方向看，刀具在零件左側偏置進給。其中G42指的是：刀具半徑右補償，在車削時沿著走刀方向看，刀具在零件右側偏置進給。

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

三、刀具半徑補償流程

數控機床具有了刀具半徑補償功能，既可以保證機床的高精度，又可以極大地簡化編程工作量。無論哪一類的刀具半徑補償技術，在使用中都需要建立刀補、執行刀補、取消刀補三個步驟。建立刀具半徑補償：刀具在起刀點移動至加工工件時，G41（刀具左補償）或G42（刀具右補償）將確定刀具的補償方向，然后將伸長或縮短一個距離（在原來程序產生的輪廓軌跡的基礎上），這個距離的數值就等于車刀刀尖半徑值。執行刀具半徑補償：刀具半徑補償被建立后，這種狀態將得到保持，直到刀具半徑補償功能被取消為止。在執行刀具半徑補償期間，被加工零件的輪廓將始終距離刀具的中心軌跡一個刀具半徑值的距離。取消刀具半徑補償：在車削加工結束時，刀具需要離開工件回到退刀點，此時必須取消刀具半徑補償功能，防止執行其他不需要半徑補償功能的程序時，還留有半徑補償功能從而導致誤差。同建立刀具半徑補償的過程相似，取消半徑補償時的退刀點的位置一般設計在被加工零件輪廓之外，同時還應距離被加工零件輪廓的退出點較近的位置或者設計在零件輪廓延長線上，根據需要也可設置成與起刀點相同。

在數控車削系統自動進行刀具半徑補償時，刀尖圓弧半徑、刀位點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行編程，在車削零件輪廓前加入刀具半徑補償指令；在車削加工結束后取消刀具半徑補償指令。在數控車削加工時，數控系統將根據程序中的刀具半徑補償指令自動偏置相應的距離，確保切削刃的軌跡與零件圖紙的軌跡一致。數控車刀具補償功能的建立需要輸入兩個參數，分別是刀具號和刀具半徑補償值地址兩項。在FANUC數控系統中T表示刀具調用，格式為：T****。T后面用四個數字表示，前兩個**表示刀具號，后兩個**表示刀具補償值地址號。如T0202表示使用第2號刀具，和第2號刀具補償值地址的值。當輸入的刀具補償號為00時表示取消刀具半徑補償。刀具半徑補償的主要內容包括如下。

1.刀具半徑補償參數。在數控車削刀具半徑補償中一共用到4個參數，刀具半徑補償號對應刀具位置補償坐標（X和Z值）和刀尖圓弧半徑補償值（R：刀尖半徑和T：刀尖位置號）。這四個參數應在加工之前輸入到相應的存儲位置（OFFSETTING/形狀）。在執行數控程序的過程中，數控系統將自動補償刀具移動的相關偏差（具體補償量由X、Z、R、T四個參數來確定），進行刀具半徑補償，加工出合格的零件。

2.刀具圓弧半徑補償；在編寫數控車削程序時，車刀的刀尖被想象成一個點進行編程，但實際上為了降低工件表面粗糙度值和提高刀具的使用壽命，車刀刀尖被設計成半徑不大的一個過渡圓弧，這個過渡圓弧會導致被加工零件產生誤差。同時數控車削加工時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的數字來表示。其中內孔車刀對應的刀尖位置號為2，外圓車削時對應的刀尖位置號為3。因為有刀具半徑補償功能，這些問題都能通過調整相關參數得到解決。

3.刀具位置補償。在實際車削加工過程中，當重新安裝車刀或者長期使用刀具后將會使刀具的機械坐標值產生變動，由于有了刀具半徑補償功能，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械坐標值測出，然后在數控系統指定的存儲位置存儲機械坐標值，這樣，在執行刀具補償指令時刀具的實際坐標值將代替原來的機械坐標值。

四、小結

在進行數控車削刀具半徑補償時，應注意如下幾個事項：G41、G42不能與G02、G03寫在同一個程序段，可與G00、G01連用；在建立、取消刀具半徑補償的程序段內，G40、G41、G42數控指令必須與G00或G01指令寫在一個程序段內；當輸入刀具半徑補償值地址的值為負值時，G41和G42的功能發生轉換；車削零件輪廓前應建立好半徑補償，加工完零件后應取消半徑補償；G40、G41、G42都是模態代碼，可相互注銷；在切入工件之前，應建立好刀具半徑補償，同時應保證直線移動的距離不為零；在切出工件之后應撤銷刀具半徑補償。若需要改變刀具半徑補償值時，應在撤銷刀具半徑補償狀態的情況下改變相關參數；G40與G41、G42必須成對使用；在刀補進行階段避免刀具作Z軸運動。

參考文獻：

[1]許鎮宇.機械零件[M].北京：高等教育出版社，1983.

[2]雷宏.機械工程基礎[M].哈爾濱：黑龍江出版社，2002.

[3]王中發.實用機械設計[M].北京：北京理工大學出版社，1998.

[4]唐宗軍.機械制造基礎[M].大連：機械工業出版社，1997.