关于数控车削加工刀尖圆弧半径补偿的分析

关于数控车削加工刀尖圆弧半径补偿的分析摘要：本文主要就数控车床加工中的刀具补偿,以及对数控车床不具备刀具半径补偿功能时的刀具补偿计算方法进行介绍。　　关键词：数控车床、加工、刀尖、圆弧、半径补偿、编程　　前言：　　在数控车床的生产实际加工中，车内外圆柱、端面时不会产生误差能够达到高的加工精度，但车削锥面和圆弧时，即使编程、车床和刀具都没有问题，却还是会产生误差未能达到加工精度，究其原因是由于刀具的刀尖不可能绝对的尖，总有一个半径不大的圆弧。因此加工时会产生误差，这时我们就要灵活利用刀具补偿功能进行补偿，这样不仅使编程变得简单、快捷，还可达到高的加工精度，数控车床中刀具补偿分两类，一类是刀具偏置补偿，一类是刀具半径补偿。另外，当不具备刀具补偿功能的数控系统，能正确分析和计算刀具中心运动轨迹。　　一、问题的出现加工如图1所示的零件。工艺条件：工件材质为铝，毛坯为直径55mm,长70mm的棒料。附编程如下，直径编程（编程系统：GSK980T）　　01235；　　N1G50X80z80；建立工件坐标系、换刀点　　N2M03S2T0101；主轴正转，主轴转速为中速选择1号外圆刀　　N3G00X55Z2；粗加工定位　　N4G71U2R0.5；用外圆粗加工循环指令　　N5G71P6Q14U0.2W0.1F80；　　N6G00X0；循环内容　　N7G01Z0F30；　　N8G01X20Z-17.32；　　N9G01X20W-4；　　N10G03X32Z-27.32R6　　N11G01X32Z-34；　　N12G02X40W-4R4；加工凹圆弧　　N13G03X50W-5R5；加工凸圆弧　　N14G01X50Z-53；　　N15G70P6Q14；调用精车程序N6~N14　　N16G00X80Z80；返回换刀点　　N17T0202；换2号切换刀，刀宽为3mm　　N18G00X52Z-52；定位切断工件　　N19G94X20F30；　　N20G00W1；　　N21G94X0F30；　　N22G00X80Z80；返回换刀点　　N23M05T0100，停主轴　　N24M30；程序结束　　分析加工的零件：当编程、刀具、车床都正常的情况下，加工出来的零件外圆Φ20、Φ52尺寸能够达到所要求的加工精度，但是加工出来的圆锥面和R6、R5圆弧却存在不同的误差，圆锥面的误差在X轴上相差0.04226，Z轴上相差0.07321，而R6、R5圆弧的误差大小在X、Z轴上都多了一个刀具刀尖圆弧半径值。R4圆弧的误差大小在X、Z轴上都少了一个刀具刀尖圆弧半径值。　　二、分析以上存在的问题对于数控车削加工，由于车刀的刀尖通常是一段半径很小的圆弧，而假设的刀尖点（一般是通过对刀仪测量出来的）并不是切削刃圆弧上的一点，如图2所示。因此，在车削锥面、倒角或圆弧时，可能会造成切削加工不足（不到位）或切削过量（过切）现象。图3描述了切削锥面时因切削加工不足而产生的加工误差。　　因此，当使用车刀来切削加工锥面时，必须将假设的刀尖点的路径作适当的修正，使之切削加工出来的工件能获得正确的尺寸，这种修正方法称为刀尖圆弧半径补偿（ToolNoseRadiusCompensation,简称TNRC）。　　（1）车刀形状和位置车刀形状和位置是多种多样的，车刀形状还决定刀尖圆弧在什么位置。为此，车刀形状和位置亦必须输入计算机中。（2）刀尖半径和位置的输入，刀具数据库存（TOOLDATA）数据项目见图4。　　图中X、Z——刀尖位置补偿值（mm）（车床Y值不用）；　　R——刀尖圆弧半径（mm）；　　T——刀尖位置代码。　　如果在程序中输入下面指令　　G00G42X100.0Z3.0T0101；　　那么数控装置按照01刀具补偿栏内X、Z、R、T的数值自动修正刀具的安装误差（执行刀位补偿），还自动计算刀尖圆弧半径补偿量，把刀尖移动到正确的位置上。　　（3）刀尖圆弧半径的左右补偿①G41刀具左补偿，如图5a所示，顺着刀具运动方向看，刀具在工件的左边，称为刀具左补偿，用G41代码编程　　②G42右补偿如图5b所示，顺着车刀运动方向看，车刀在工件的右边，称为右补偿，用G42代码编程。　　③G40取消车刀左、右补偿如需要取消车刀左、右补偿，可编入G40代码。这时，车刀轨迹按理论刀尖轨迹运动。（4）车刀补偿的编程方法及其作用如果根据机床初始状态编程（即无刀尖圆弧补偿），车刀按理论刀尖轨迹移动（图6a），产生表面形状误差δ。　　如程序段中编入G42指令，车刀按刀尖圆弧中心轨迹移动（图6b）,无表面形状误差。从图6a与图6b中P1的比较，亦可看出当编入G42指令，到达P1点时，车刀多走一个刀尖圆弧半径距离。　　用刀尖圆弧半径补偿车削如图6b所示的工件，编程方法如下：　　N0050G40G00X20.0Z5.0;　　N0060G42G01X20.0Z0.0T0101;　　N0070Z-22.0;　　N0080X28.0Z-40.0;　　N0090G00X32.0　　(5)刀具半径补偿的编程规则车床刀具补偿必须遵循以下规则：　　①G40、G41、G42只能与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与G01前后的两个程序段中，X、Z值至少有一个值变化。否则报警。　　③在调用新的车刀前，必须取消刀具补偿，否则报警。　　（6）注意残留面积的产生和消除，在使用刀具补偿编程时，如稍有疏忽，便会产生残留面积。　　如车削如图7所示的工件，按下面方法编程，就会产生残留面积。　　N90G00XP0ZP0G40；　　N100G01XP1ZP1G42T0101　　N110XP2ZP2；　　N120XP3ZP3；　　N130XP4ZP4；　　这样编程，在P3转角处产生的残余面积（图7b）。　　如果采用下面方法编程，就可消除残余面积（图8）　　N90G00XP0ZP0G40；　　N100G01XP1ZP1G42T0101　　N110XP2ZP2；　　N120XP3ZP3；　　N130G00XP4ZP4G40　　因为车刀补偿G42执行N120至P3点，P3点仍是按与刀尖圆相切原则进行车削，因此不产生残留面积，见图8a,N130程序按刀尖A轨迹移动。　　另一种消除残留面积方法是使车刀沿斜面超越一段距离，见图8b。必须注意，P4点的坐标应按锥度严格计算。　　具体的编程方法如下：　　N90G00XP0ZP0G40；　　N100G01XP1ZP1G42T0101;　　N110XP2ZP2；　　N120XP3ZP3；　　N130XP4ZP4；　　N140G00XP5ZP5；又如车削如图9所示的圆弧工件，按下面方法编程，就会产生残留面积。　　N90G00XP0ZP0G40；　　N100G01XP1ZP1G42T0101　　N110XP2ZP2；　　N120G03XP3ZP3R　　N130G00XP4ZP4；　　以上编程，在P3点转角处产生了残留面积（图9b）如果采用下面方法编程，就可消除残留面积（图10）　　N90G00XP0ZP0G40；　　N100G01XP1ZP1G42T0101　　N110XP2ZP2；　　N120G03XP3ZP3R　　N130G00XP4ZP4G40；　　因车刀补偿G42执行N120至P3点，P3点仍是按与刀尖圆弧相切原则进行车削，因此不产生残留面积，N130程序按刀尖A轨迹移动。（7）如图11所示，为保证圆弧和圆锥面的加工精度，采用刀尖半径补偿指令，其编程如下，采用直径编程（编程系统：GSK980T）　　O1234　　N1G50X80Z80；建立工件坐标系，换刀点　　N2M03S2T0101；主轴正转，转速为中速，选择1号外圆刀　　N3G00X0Z2；刀具移到接近工件的位置　　N4G01G41Z0F30；加入刀尖圆弧半径补偿，接触工件　　N5G03X20Z-10R10；加工R10的圆弧段　　N6G01X20Z-20；加工Φ20的外圆　　N7G01X30Z-30；加工圆锥面　　N8G01X30Z-40；加工Φ30的外圆　　N9G40X40；退出已加工的表面，取消刀具半径补偿　　N10M05G0100；主轴停止，取消1号刀补　　N11M30；主轴程序结束并返回开始位置　　三、解决的方法　　当数控车床不具备刀具半径补偿功能时就用圆弧车刀来加工工件，这时就需要用计算的方法来求得刀具半径的补偿量。　　（1）假设按刀尖点为编程起点来加工锥面　　如图12所示，若假设刀尖沿工件轮廓AB移动，即P1P2与AB重合，并按AB尺寸编程，由必产生图12（a）中ABCD的残留误差。因此按图12（b）所示，使车刀的切削点移至AB，并沿AB切削，这样就可以避免残留误差，但假设的加工轨迹与实际轮廓的加工轨迹在X和Z方向上都相差了一个X1和z1值。这时只要用公式把X1和z1值算出来即可。　　　　　　式中：r—刀具圆弧半径y—锥面的斜角　　由以上的公式可以知道直接用假设刀尖轨迹P3P4的坐标点来编程，并在X和Z方向分别补偿一个X1和Z1值就可以。　　　　（2）假设按刀尖点为编程起点来加工圆弧　　（3）当加工圆弧表面时，则出现如图13所示的情况。图13（a）为加工半径为R的凸圆弧，由于r的存在，则刀尖P点所走的圆弧轨迹并不符合工件所要求的圆弧形状。其圆心为“0”,则半径为“R+r”，因此编程人员仍要按假设刀尖P点为起点进行编程，不考虑刀具圆弧半径的影响，但要求在加工前应在刀具补偿值上分别给X方向和Z方向加一个补偿量r值。同理，切削凹圆弧，如图13（b）时，则分别在X方向和Z方向减一个补偿量r值。　　　　（4）按刀尖圆弧中心轨迹编程图14所示的加工零件是由四段凸、凹圆弧构成的，这是可用虚线所示的四段等距线进行编程，即O1圆半径为R1+r，O2圆半径为R2-r，O3圆半径为R3+r，O4圆半径为R4-r，四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。　　四、总结　　综上所述，刀具补偿功能在数控车床生产加工零件时是不可缺少的，合理利用刀具补偿在编程时只要按照零件给定的轮廓尺寸谐和，加工时只要知道实际的刀具长度、刀具的半径和确定补偿值的正、负号，把这些相关的刀具参数输入到相应存储器中，当换刀或刀具磨损带来刀具尺寸参数变化时，只要修改每一把刀具存储器内相应的数值即可，这样虽然还是原来的程序和车床，却还是可以保证零件各部分的加工精度，确保生产加工零件的质量，大大提高生产效率。　　参考文献：　　（1）黄丽芬主编《数控车床编程与操作》，中国劳动社会保障出版社2007　　（2）陈云卿主编《数控车床编程与技能训能》，化学工业出版社2006　　（3）高凤英主编《数控车床编程与操作切削技术》，东南大学出版社2005　　（4）周虹主编《数控编程与操作实训教程》清华大学出版社2005　　（5）李善术主编《数控机床及其应用》机械工业出版社2001