刀具補償在數控車床加工中的應用研究

摘 要：機床加工過程中，主軸高速旋轉造成主軸軸承內外環高速摩擦產生大量熱量，其溫度變化比床身快，使主軸相對床身產生熱伸長、熱漂移和熱傾斜，這些熱變形又使固定在主軸上的刀具與固定在工作臺上的工件相對位置發生變化，造成工件實際加工尺寸發生偏差、加工精度變差。主軸熱變形是影響工件加工精度的一個重要因素，熱變形補償成為國內外機床制造商重點研究的課題之一。基于此，本文主要對刀具補償在數控車床加工中的應用進行分析研究，希望通過本文的分析研究，給行業內人士以借鑒和啟發。

關鍵詞：刀具補償;數控車床加工;應用

通過創新研究應用數控車床加工技術，能夠為社會創造出更多的經濟效益，推動我國制造業建設穩定持續的發展。在數控車床實踐加工操作過程中，對于產品質量精度控制是尤為重要的，無論是編程精度，還是插補精度、伺服精度控制都會影響到機械產品加工精確度。在數控車床加工中，刀具是處于不斷磨損、更換中的，應用刀具補償能夠減小因刀具磨損、更換、偏移而造成的誤差，有效提高數控車床的加工精度。當刀具更換時，操作人員可使用新刀具的刀具補償值替代現有的刀具補償值，從而改善因數控機床刀具磨損、更換、偏移造成的加工精度降低的問題，提高機床刀具的適應性，簡化數控機床操作。

1 數控車床構成與特點

數控車床構成與特點主要是到以下幾個不同的方面：①主機。在數控車床設備運行中主機是其核心部分，主機所涵蓋了的機械部件有床身、立柱、立柱以及用于方便切削加工的零部件;②驅動裝置。驅動裝置作為數控車床執行機構的基礎驅動部件，其涵蓋了主軸電機、主軸驅動單元、進給單元以及進給電機等。基于數控裝置輔助控制作用下，使用電液或者電氣伺服系統，從而完成進給驅動和主軸驅動;③數控裝置。在數控車床構造中數控裝置部分主要涵蓋了軟硬件設備，它們負責的工作內容是對數字化零部件加工程序進行有效輸入和存儲，并且會完成對大量數據的優化處理分析，發揮出車床控制功能的作用;④輔助裝置。在數控車床中輔助裝置是確保機床安全穩定持續運行的重要基礎，是車床運行中不可或缺的配套設施。輔助裝置在數控車床運行過程中起到的作用是照明、排屑、冷卻已經潤滑等。與傳統車床相比較，數控車床實踐應用的優勢特點在于以下幾點內容：①基于多坐標聯動，能夠科學高效完成對各種復雜零部件的加工制造;②加工制造精度高，提高零部件產品加工質量和效率;③自動化程度高，能夠最大化減少員工的工作任務量，降低他們的實際勞動強度;④加工精密性要求較高，需要檢修維護人員和操作人員具備良好專業能力和素質，及時優化調整數控程序和設置對應參數。

2 刀具補償在數控車床加工中的應用

2.1 刀具磨削加工

刀具補償在數控車床加工中的應用之一是刀具磨削加工。首先用CAD繪制刀具磨削加工圖形軌跡，輸出為DXF格式文件，然后通過U盤或網絡接口將DXF文件導入到數控系統中，數控系統讀取對應DXF文件，設置工藝參數后，根據刀具磨削處理算法自動生成加工程序，最后操作數控系統加載已生成的加工程序，控制機床完成刀具磨削加工。

2.2 誤差測量

刀具補償在數控車床加工中的應用之二是誤差測量。測量熱變形是為了在一定溫差下的刀尖相對工件的位置偏差數據，以便通過分析找出其熱變形規律。主軸熱變形導致主軸刀具在x、y和z三個方向產生熱伸長、熱漂移和熱傾斜，所以三個方向需五點測量才能確定熱漂移量和熱傾斜空間角度。在工作臺上固定位移傳感器檢測主軸檢棒的x/y/z向的變形，同一方向上的兩個傳感器相距500mm，處于檢棒根部的x1/y1傳感器用于測量刀具根部熱變形，處于檢棒前端的x2/y2傳感器用于測量檢棒前端（相當于刀尖位置）的熱變形，Z傳感器用于測量刀具軸向熱伸長誤差，此時測量的熱變形包含了主軸和床體的綜合熱變形，以此測量數據做為刀長500mm的刀具的誤差基準數據，系統將基于誤差基準數據計算刀長為L的刀具的熱變形（包含熱傾斜）。以某設備為例，其最大刀具長度為500mm，故選擇500mm主軸檢棒進行熱變形誤差測量。根據主軸、床身溫度差的變化和誤差測量的結果，最終形成熱變形誤差曲線圖。可以看出該設備在溫升0～4℃時，熱變形誤差急劇變化，在溫升4℃以后趨于熱平衡。若想提高精度，0～4℃之間應進一步細分測量間距，4℃以后可以適當放大測量間距。

2.3 自動補償

刀具補償在數控車床加工中的應用之三是自動補償。通過統計刀片每一個刀尖加工產品尺寸的變化情況，找出刀尖磨損的變化規律，設定加工多少件產品時需要補償，補償量是多少，補償多少次刀尖使用壽命結束，在數控加工程序中進行控制。

2.4 數控系統的補償功能

刀具補償在數控車床加工中的應用之四是數控系統的補償功能。FANUC-31i系統支持兩種實時補償功能，一種是外部數據輸入功能中的外部機械原點偏移功能，另一種是擴展的外部機械原點偏移功能，都可以通過偏移機械原點實現熱變形的實時補償。首先是外部機械原點偏移功能FANUC-31i系統的外部數據輸入功能可通過設置PMC地址G0（ED0～ED15）、G2（EA0～EA6、ESTB）進行外部機械原點偏移的軸選擇、偏移量和功能起停的設置。預選原點偏移功能EA4～EA6、軸選擇EA0～EA3和預置偏移量ED0～ED15后，激活讀取信號ESTB進行外部機械原點偏移，讀取結束發出EREND信號復位ESTB。其次是擴展的外部機械原點偏移功能。在FANUC-31i系統中，使擴展的外部機械原點偏移功能有效，需設置功能位參數No.1203#0[EMS]=1。擴展的外部機械原點偏移量R存儲地址設定參數No.1280=3000，依據軸號分配了各軸擴展的外部機械原點偏移量地址。

3 結語

綜上所述，影響數控車床技工精度的因素是多種多樣的，現代企業要想全面提升數控車床加工精度，確保能夠在最低成本下創造出最大的社會經濟效益，就必須安排專業人員加強對車床整體結構的優化設計工作，引導操作人員科學合理運用誤差防止法、補償法等，不斷提高車床加工精度，將加工誤差控制在合理范圍內，促進加工企業建設穩定持續發展。

參考文獻

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作者簡介

晏丹妹（1986—），女，漢族，湖北孝昌，碩士，工程師，中石化四機機械有限公司，研究方向：石油機械。