数控车床加工中刀尖圆弧半径补偿的应用

数控车床加工中刀尖圆弧半径补偿的应用 东风汽车公司动力设备厂四缸机分厂 杨建刚 摘要: 车刀刀尖半径补偿是数控车削加工中的常见问题，本文就刀尖半径的影响进行分析，根据不同功能的数控系统进行刀尖半径补偿方法等进行介绍。 关键词:数控加工 刀尖半径补偿 编程 一、 引言 编制数控车床加工程序时，理论上是将车刀刀尖看成一个点，如图1a所示的P点就是理论刀尖。但为了提高刀具的使用寿命和降低加工工件的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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0.4—1.6之间)，如图1b所示X向和Z向的交点P称为假想刀尖，该点是编程时确定加工轨迹的点，数控系统控制该点的运动轨迹。然而实际切削时起作用的切削刃是圆弧的切点A、B，它们是实际切削加工时形成工件表面的点。很显然 B是不同点，所以如果在数控加工或数控编假想刀尖点P与实际切削点A、 程时不对刀尖圆角半径进行补偿，仅按照工件轮廓进行编制的程序来加工，势必会产生加工误差。 X Y B PPA 图1 二、假想刀尖的轨迹分析与偏置值计算 车刀刀尖圆角在实际加工过程中所用车刀的刀尖都呈一个半径不大的圆弧形状(见图2)，而在数控车削编程过程中，为了编程方便，常把刀尖看作为一个尖点，即所谓假想刀尖。在对刀时一般以车刀的假想刀尖作为刀位点，所以在车削零件时，如果不采取补偿措施，将是车刀的假想刀尖沿程序编制的轨迹运动，而实际切削的是刀尖圆角的切削点。由于假想刀尖的运动轨迹和刀尖圆角切削点的运动轨迹不一致，使得加工时可能产生误差，在进行倒角，锥面及圆弧切削时，则会产生少切或过切(见图2)下面就车削锥面和圆弧进行讨论: p7p6 p5p8p9端面切削点刀具 过切p4R O1p2p3少切 外径切削点p1 假象刀尖 图2 2.1加工圆锥面的误差分析与偏置值计算 如图3a所示，假想刀尖P点沿工件轮廓CD移动，如果按照轮廓线CD编程，用圆角车刀进行实际切削，必然产生CDD1C1的残留误差。因此，实际加工时，圆头车刀的实际切削点要移至轮廓线CD，沿CD移动，如图3b所示，这样才能消除残留高度。这时假想刀尖的轨迹C2D2与轮廓线CD在X向相差ΔX，Z向相差ΔZ。设刀具的半径为r，可以求出: X 实际切削轨迹Z,工件轮廓,实际切削轨迹D1D1 D2Dz C1C1假想刀尖轨迹假想刀尖轨迹,工件轮廓,C2Cx ,a,,b, 图3 圆头车刀加工圆锥面 2.2加工圆弧面的误差分析与偏置值计算 圆头车刀加工圆弧面和加工圆锥面基本相似。如图4是加工1/4凸凹圆弧，CD为工件轮廓线，O点为圆心，半径为R，刀具与圆弧轮廓起点、终点 的切削点分别为C和D，对应假想刀尖为C1和D1。对图4a所示凸圆弧加工情况，圆弧C1D1为假想刀尖轨迹，O1点为圆心，半径为(R+r);对图4b所示凹圆弧加工情况，圆弧C2D2为假想刀尖轨迹，其圆心是O2点，半径为(R-r)。如果按假想刀尖轨迹编程，则要以图中所示的圆弧C1D1或C2D2(虚线)有关参数进行程序编制。 X Y D DD10 D202R +rRRR-r C0 01C1CC2 图4 圆头车刀加工90凸凹圆弧 2.3 按刀尖圆弧中心轨迹编程 图 5示零件是由三段凸圆弧和凹圆弧构成的，这时可用虚线所示的三段等距线进行编程，即o1圆半径为R+r ，O2 圆半径为R2+r ， O3圆半径为R3-r ，三段圆弧的终点坐标由等距的切点关系求得。这种方法编程比较直观，常被采用 O2 r O1Z R1R2 R3 x O3 图5 三 刀尖圆角半径补偿方法 现代数控系统一般都有刀具圆角半径补偿器，具有刀尖圆弧半径补偿功能(即G41左补偿和G42右补偿功能)，对于这类数控车床，编程员可直接根据零件轮廓形状进行编程，编程时可假设刀具圆角半径为零，在数控加工前必须在数控机床上的相应刀具补偿号输入刀具圆弧半径值，加工过程中，数控系统根据加工程序和刀具圆弧半径自动计算假想刀尖轨迹，进行刀具圆角半径补偿，完成零件的加工。刀具半径变化时，不需修改加工程序，只需修改相应刀号补偿号刀具圆弧半径值即可。需要注意的是:有些具有G41、G42功能的数控系统，除了输入刀头圆角半径外，还应输入假想刀尖相对于圆头刀中心的位置，这是由于内、外圆车刀或左、右偏刀的刀尖位置不同。 3.1圆弧半径自动补偿轨迹 刀具半径是否补偿以及采用何种方式补偿，是由指令中的 G40、G41、G42决定的: G40------刀具半径补偿取消，即使用该指令后，使G41、G42指令无效。 G41——刀具半径左补偿，即沿刀具运动方看，刀具位于工件左侧时的刀具半径补偿。 G42——刀具半径右补偿，即沿刀具运动方向看，刀具位于工件右侧时的刀具半径补偿。 图6是使用圆弧半径补偿时刀具补偿过程 图 6具补偿的程序格式为: G40---消除补偿; G41----半径补偿起始程序段; 从图 6以看出，在起始程序段中，刀具在移动过程中逐渐加上补偿值。当起 始程序段结束之后，刀具圆弧中心停留在程序设定坐标点的垂线上，距离是半径补偿值。 工件 G42 G41 G40 刀具 - 图6 3.2假想刀尖P的方位确定 假想车刀刀尖 P对圆弧中心的方位与刀具移动方向有关，它直接影响圆弧车刀补偿计算结果。图7圆弧车刀假想刀尖方位及代码。从图中可以看出，刀尖 的方位有八种，分别用1-8个数字代码表示，同时规定，刀尖取圆弧中心位置时，代码为0或9，可以理解为没有圆弧补偿。 " . 图7 3 .3圆弧半径补偿和位置补偿的关系 如果按照刀架中心 点作为编程起始点，不考虑圆弧半径补偿，则车刀在X轴和 Z轴补偿值按照图 8(b)所示方法确定。既要考虑车刀位置补偿， 又要考虑圆弧半径补偿，此时车刀在X轴和Z轴的位置补偿值可以按照图8所示方法确定，而将刀具的圆弧半径R值放入相应的存储单元中，在加工时 的补偿号对应的存储单元数控装置自动进行圆弧半径补偿。在刀具代码T中 中，存放一组数据:轴、 轴的长度补偿值，圆弧半径补偿值和假想刀尖方位(0-9)操作时，可以将每一把刀具的四个数据分别输入刀具补偿号对应的存储单元中，即可实现自动补偿(表 )。 表1 刀具补偿值 Z轴补偿值 rTZXN0 001300221X轴补偿值 2200060002 03030500 040400 (a) (b) 图8 编程示例: 精车如图9所示零件的一段圆弧外表面,使用01号刀,按刀架中心编程,01号车刀的假想刀尖距刀架中心的偏移量及安装方位如图所示,刀尖圆角半径为0.2MM 01号车刀的刀具补偿值见表 刀补号 X Z R T 01 100.0 150.0 0.2 3 数控加工程序如下: …… N10 G00 X300 Z330 T0101 调用0号刀和1号刀补 ,刀具快速定位 N12 G42 G00 X60.0 Z290.0 刀补引入程序段 N14 G01 X120.0 W-150.0 F0.3 圆锥外圆面车削 N16 X200.0 W-30.0 锥形台阶车削 N18 Z50.0 外面车削 ]N20 G40 G00 X300.0 Z330. 取消刀补 O ()() 图9 当数控车床的数控系统具有刀具长度补偿器时，直接根据零件轮廓形状进行编程，加工前在机床的刀具长度补偿器输入上述的ΔX和ΔZ的值，在加工时调用相应刀具号即可。 四、结束语 以上通过车刀刀尖半径对加工工件的影响的分析可知，要保证零件加工精度，在数控加工尤其精加工一定要进行车刀刀尖半径补偿。由于目前数控系统的功能参差不齐，针对不同类型数控系统，在实际应用中采取方法也不同，有些在编程时就要考虑半径补偿，有些可在机床中进行半径补偿。 参考文献: (1) 李善术 主编 数控机床及其应用,M , 北京:机械工业出版社，2002 (2) 叶伯生， 等 计算机数控系统原理、编程与操作,M , 武汉:华中理工大学出版社，1999 (3) 严爱珍 主编 机床数控原理与系统,M , 北京:机械工业出版社，2001 (4) 王爱玲 主编 现代数控编程技术及应用, M, 北京:国防工业出版社，2002 (5) 武友德 主编 模具数控加工 北京:机械工业出版社，2005.6