解析刀具半径补偿在数控车削中的运用

随着先进机械制造业的发展，对零件加工精度的要求也越来越高，而刀具又是保证加工精度至关重要的一个环节，相对于普通车床传统的加工方法，数控机床的刀具补偿功能很好的解决了刀具因摩擦和自身结构等原因而带来的精度下降问题，本文就刀具半径补偿的原因及其在数控车削中的运用等做简要分析　　
　　一、刀具半径补偿的原因
　　数控车床总是按刀尖对刀，为了提高刀具的使用寿命和降低加工工件的表面粗糙度，通常将刀尖磨成半径不大的圆弧(一般圆弧半径R是0.2～1.6 之间，球头车刀可达4mm)，但在实际的切削加工中，编程都是按照假想的刀尖来编程，即利用刀具的刀位点来编程，而不是实际的刀尖圆弧，而在车床刀具补偿设定的画面中，包括刀具位置补偿、刀尖半径补偿、假想刀尖位置序号。即除了输入刀具位置，刀头圆角半径外，还应输入假想刀尖相对于圆头刀中心的位置，这是因为内、外圆车刀或左、右偏刀的刀尖位置不同(如图2 所示)，这样在加工圆锥面和圆弧面的过程中，会因实际切削点和理想切削点的不同而造成刀具少切或过切现象，造成实际的刀具轨迹偏离编程轨迹，进而影响到零件的加工精度，为保证加工质量，必须引入刀具的半径补偿。
　　二、刀具半径补偿的原理
　　数控车床中的刀具半径补偿一般是通过刀具圆角半径补偿器来实现，编程人员在按零件轮廓编程时，将假想的刀具圆角半径均设为零值，编程时以零件的轮廓来进行，但在进行加工之前，在数控车床相应的刀具补偿号输入刀具圆弧半径值，则在实际的加工中，数控系统会自动根据加工程序和刀具圆弧半径计算出理想的刀具的运动轨迹，使刀具偏离轮廓一个刀具半径值进行刀具的圆角半径的补偿，从而完成零件的加工。早期的数控系统在确定刀具中心轨迹时，都采用读一段、算一段、再走一段的B 功能刀具半径补偿(简称B 刀补)控制方法，它仅根据程序段的编程轮廓尺寸进行刀具半径补偿。将零件外形的轨迹偏移一个刀尖半径的方法就是B 型刀具补偿方式，这种方法简单，但只能在执行一程序段完成后，才处理下一程序段的运动轨迹，因此在两程序的交点处会产生过切等现象。为解决上述问题、消除误差，因此有必要再建立C 型刀具补偿方式。C 型刀具补偿方式在读入一程序段时，并不马上执行，而是再读入下一程序段，根据两个程序段交点连接的情况计算相应的运动轨迹。由于读取两个程序段进行预处理，因此C 型刀具补偿方式在轮廓上能进行更精确的补偿(如图3 所示)。CNC 系统大多采用直线过渡的C 刀补方式。
　　三、数控车削刀具半径补偿的指令格式及注意事项
　　采用刀具半径补偿功能时，先将刀具的半径值预先存入存储器中，执行刀具半径补偿后，数控系统自动计算，并按照计算结果自动补偿刀具。车刀刀具补偿功能由程序中指定的T 代码来实现。T 代码由字母T后面跟4 位(或2 位)数码组成，其中前两位为刀具号，后两位为刀具补偿号，刀具补偿号实际上是刀补偿寄存器的地址号，该寄存中存放有刀具的X 轴偏置和Z 轴偏置量(各把刀具长度、宽度不同)刀尖圆弧半径及假想刀尖位置序号。刀具半径左补偿(G41)指刀具偏向编程加工轨迹运动方向的左方，刀具半径右补偿(G42)指刀具偏向编程加工轨迹运动方向的右方，取消刀具半径补偿用G40 指令，如图4 所示为前置刀架和后置刀架中刀具半径补偿指令的判定。
　　以下是FUNUC 系统在运用刀具半径补偿时的注意事项总结：
　　(1)由于G40、G41、G42 只能用G00、G01 结合编程，不允许与G02、G03 等其他指令结合编程，否则报警;
　　(2)在编入G40、G41、G42 的G00、G01 前后两个程序段中，X、Z 值至少有一个值发生变化，否则产生报警;
　　(3)在调用新的刀具前，必须取消刀具补偿，否则产生报警;
　　(4)在G42 指令模式中，不允许有两个连续的非移动指令，否则刀具在前面程序段终点的垂直位置停止，且产生过切或欠切现象，非移动指令包括：M、S、G04、G96 等等;
　　(5)在G74～G76、G90～G92 固定循环指令中不用刀尖半径补偿，因为是端面或轴径固定循环，所以不需要刀补;
　　(6)如果补偿量为负值，则在程序上G41 和G42 互相转化，如果刀具中心沿工件外侧的话，则它会沿工件内侧移动，反之亦然;
　　(7)如果在补偿模式中，改变补偿量只有在重新运行程序后，新的补偿才有效;
　　(8)在录入(MDI)方式下，不执行刀具半径补偿;
　　(9)在调用子程序前(即执行M98 前)，系统必须在补偿取消模式，进入子程序后，可以起动补偿，但在返回主程序前(即执行M99 前)，必须为补偿取消模式，否则报警;
　　(10)在远离工件处建立、取消刀补。
　　四、刀具半径补偿的运用实例
　　下面通过一个典型的实例来分析刀具半径补偿在车削时的运用
　　在加工程序中如果不引入刀具的半径补偿，在进行加工时，在R5 和R15 轮廓及过渡圆弧处，必然造成刀具的实际轨迹和零件轮廓偏离的现象，进而引起加工误差，但这些误差光靠改变刀具角度是无法避免的，必须引入刀具的半径补偿，即在N5程序段内，刀具工进开始接触工件时开始引入刀具半径右补偿G42，在N10 程序段内，利用G40 取消刀具半径补偿，这样才能有效避免少切、过切或干涉现象，确保零件的加工精度。
　　五、结束语
　　在实际的加工中，刀具半径补偿是保证零件加工质量的重要手段，选择合适的加工刀具和补偿值，在零件精度的保证上起到事半功倍的效果，尤其是当零件的精度要求较高的时候，显得尤为重要。生产实践表明，灵活应用刀具半径补偿功能，合理设置刀具半径补偿值，给我们的编程和加工带来很大的方便，能大大地提高工作效率，在数控加工中有着重要的意义。

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