淺析數(shù)控車削加工中的刀具半徑補償

王劉菲+曹著明+紀(jì)文龍

摘要：本文全面介紹了在數(shù)控車削加工過程中的刀具半徑補償產(chǎn)生的原理和解決方案。數(shù)控車刀具半徑補償是數(shù)控系統(tǒng)中的重要功能，正確地使用該功能，能有效保證產(chǎn)品質(zhì)量并提高生產(chǎn)效率。通過在數(shù)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(chǎn)生欠切、過切的加工誤差。因此，在數(shù)控車削加工中加入刀具半徑補償指令，數(shù)控機床能根據(jù)實際使用的刀具尺寸及規(guī)格，自動調(diào)整個刀具的走刀軌跡，避免欠切和過切現(xiàn)象的產(chǎn)生，同時能提高編程效率并保證零件的加工質(zhì)量和精度。所以，通過刀具半徑補償能實現(xiàn)，在數(shù)控編程時根據(jù)刀具中心的軌跡進行編程；在數(shù)控系統(tǒng)中先設(shè)定偏置的相關(guān)參數(shù)，數(shù)控系統(tǒng)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(guān)鍵詞：數(shù)控車削加工；刀具半徑補償；原理；方案

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

一、刀具半徑補償產(chǎn)生的原因

如圖1所示，實際數(shù)控車刀刀尖和理想數(shù)控車刀刀尖的是存在區(qū)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(shù)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(zhì)量。因此，數(shù)控車刀的刀尖一般設(shè)計為圓弧過渡刃。一般的機夾車刀刀片（不重復(fù)磨削）的刀尖處均設(shè)計為圓弧形狀，且將半徑值標(biāo)注在刀片上；即使是重復(fù)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(gòu)成假想圓的半徑值。

在數(shù)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(tài)下）。但在實際加工中使用的車刀，由于數(shù)控車削加工工藝和結(jié)構(gòu)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(dāng)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(chǎn)生誤差，造成欠切削或過切削現(xiàn)象。這種由于車刀刀尖圓弧產(chǎn)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(shù)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(jù)刀尖半徑尺寸在加工軌跡上進行相應(yīng)的延伸或者縮短，從而保證加工精度，這就是所謂的數(shù)控車削刀具半徑補償。

二、數(shù)控車削刀具半徑補償指令

刀具半徑補償能實現(xiàn)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(fā)生變化時（如刀具磨損），可對刀具半徑作出相應(yīng)的補償，而不需要調(diào)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(cè)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(cè)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(biāo)軸構(gòu)成的平面相垂直的坐標(biāo)軸的正方向往負(fù)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(biāo)軸構(gòu)成的平面相垂直的坐標(biāo)軸的正方向往負(fù)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(jù)該判斷方法，在車削加工內(nèi)輪廓時應(yīng)使用刀具左補償指令——G41；在車削加工外輪廓時應(yīng)使用刀具右補償指令——G42；在車削加工結(jié)束時應(yīng)使用G40取消半徑補償。

三、刀具半徑補償流程

數(shù)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(shù)，在使用中都需要建立刀補、執(zhí)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(chǎn)生的輪廓軌跡的基礎(chǔ)上），這個距離的數(shù)值就等于車刀刀尖半徑值。執(zhí)行刀具半徑補償：刀具半徑補償被建立后，這種狀態(tài)將得到保持，直到刀具半徑補償功能被取消為止。在執(zhí)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(jié)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(zhí)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(dǎo)致誤差。同建立刀具半徑補償?shù)倪^程相似，取消半徑補償時的退刀點的位置一般設(shè)計在被加工零件輪廓之外，同時還應(yīng)距離被加工零件輪廓的退出點較近的位置或者設(shè)計在零件輪廓延長線上，根據(jù)需要也可設(shè)置成與起刀點相同。

在數(shù)控車削系統(tǒng)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(jié)束后取消刀具半徑補償指令。在數(shù)控車削加工時，數(shù)控系統(tǒng)將根據(jù)程序中的刀具半徑補償指令自動偏置相應(yīng)的距離，確保切削刃的軌跡與零件圖紙的軌跡一致。數(shù)控車刀具補償功能的建立需要輸入兩個參數(shù)，分別是刀具號和刀具半徑補償值地址兩項。在FANUC數(shù)控系統(tǒng)中T表示刀具調(diào)用，格式為：T****。T后面用四個數(shù)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(dāng)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?shù)闹饕獌?nèi)容包括如下。

1.刀具半徑補償參數(shù)。在數(shù)控車削刀具半徑補償中一共用到4個參數(shù)，刀具半徑補償號對應(yīng)刀具位置補償坐標(biāo)（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(shù)應(yīng)在加工之前輸入到相應(yīng)的存儲位置（OFFSETTING/形狀）。在執(zhí)行數(shù)控程序的過程中，數(shù)控系統(tǒng)將自動補償?shù)毒咭苿拥南嚓P(guān)偏差（具體補償量由X、Z、R、T四個參數(shù)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(shù)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(shè)計成半徑不大的一個過渡圓弧，這個過渡圓弧會導(dǎo)致被加工零件產(chǎn)生誤差。同時數(shù)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(shù)字來表示。其中內(nèi)孔車刀對應(yīng)的刀尖位置號為2，外圓車削時對應(yīng)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(diào)整相關(guān)參數(shù)得到解決。

3.刀具位置補償。在實際車削加工過程中，當(dāng)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(biāo)值產(chǎn)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(biāo)值測出，然后在數(shù)控系統(tǒng)指定的存儲位置存儲機械坐標(biāo)值，這樣，在執(zhí)行刀具補償指令時刀具的實際坐標(biāo)值將代替原來的機械坐標(biāo)值。

四、小結(jié)

在進行數(shù)控車削刀具半徑補償時，應(yīng)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?shù)某绦蚨蝺?nèi)，G40、G41、G42數(shù)控指令必須與G00或G01指令寫在一個程序段內(nèi)；當(dāng)輸入刀具半徑補償值地址的值為負(fù)值時，G41和G42的功能發(fā)生轉(zhuǎn)換；車削零件輪廓前應(yīng)建立好半徑補償，加工完零件后應(yīng)取消半徑補償；G40、G41、G42都是模態(tài)代碼，可相互注銷；在切入工件之前，應(yīng)建立好刀具半徑補償，同時應(yīng)保證直線移動的距離不為零；在切出工件之后應(yīng)撤銷刀具半徑補償。若需要改變刀具半徑補償值時，應(yīng)在撤銷刀具半徑補償狀態(tài)的情況下改變相關(guān)參數(shù)；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。

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