刀具半徑補償?shù)膽梅治?/h1>
2015-04-29 00:00:00張松
科技創(chuàng)新與應用 2015年9期
摘 要：文章通過對用工件輪廓和用刀具中心軌跡兩種編程方法的比較，說明用工件輪廓編程方便。介紹利用輪廓編程時刀具半徑補償?shù)膬煞N方法：B刀補和C刀補。最后闡述了刀具半徑補償在數(shù)控車削加工中的應用及如何計算出差值進行半徑補償來得到準確的加工軌跡。
關鍵詞：刀具；半徑；補償
引言
在數(shù)控機床上用圓頭銑刀或平銑刀加工工件時，編程人員在編制零件加工程序前，手中只有零件的圖紙。編程時，編程人員可以根據(jù)工件輪廓編程；又可以根據(jù)所用刀具的尺寸，計算出刀具中心的軌跡后，以刀具中心軌跡進行編程。見圖1，實線為零件輪廓，點劃線為刀具中心軌跡。
圖1 輪廓軌跡和刀具中心軌跡
很顯然，編程時，如果用刀具中心軌跡來編程，需要非常豐富的平面幾何和數(shù)學知識，數(shù)據(jù)計算工作量也非常大而且復雜。即使編出了加工程序，如果刀具磨損、重磨及重換新刀具等各種原因，再根據(jù)原程序加工出零件的尺寸、精度就發(fā)生變化，必須根據(jù)刀具磨損、重磨及重換新刀具后的刀具新的尺寸重新編程；而且計算出的節(jié)點可能是近似值，加工精度難以保證。所以通常都以輪廓編程來解決上述問題。加工前，操作人員預先將刀具半徑補償值輸入數(shù)控系統(tǒng)；加工時，根據(jù)預先存入數(shù)控系統(tǒng)的補償值，刀具根據(jù)輪廓自動偏移一個半徑值，正確地加工出零件輪廓，以上操作過程稱為刀具半徑補償。
1 刀具半徑補償在加工過程中的補償方法
根據(jù)輪廓進行編程，利用刀具半經(jīng)補償，可很方便地加工出零件，見圖1。但從刀具中心軌跡可以看出，在B和E兩拐角處，刀具中心多走了小一段軌跡，而這一小段軌跡在工件輪廓中是沒有的，所以在數(shù)控系統(tǒng)中，除了直線、圓弧等插補功能以外，還必須具有處理刀具半徑矢量的能力，即要有補償矢量偏移的計算和補償矢量的旋轉兩個方面的功能。
1.1 B機能刀具補償
在兩程序段連接處，使補償矢量旋轉一個指定的角度，或在加工圓弧時，使刀具中心作r或R+r的圖弧插補，實現(xiàn)的方法有r？法，矢量法，比例法等，但對于兩程序段之間輪廓的轉接是以圓弧方式進行的，沒有考慮到轉接的各種實際情況，就會產(chǎn)生以下兩個問題：（1）在外輪廓尖加工時，由于輪廓尖角一直處于切割狀態(tài)，往往會變成小圓角。（2）加工內輪廓時，刀具中心軌跡不易求得，由編程員人為地插入一個輔助加工的圓弧軌跡，并且輔助圓弧的半經(jīng)必須大于刀具半徑值，這樣會給程序的編制工作帶來了很大的麻煩。
1.2 C機能刀具補償
C機能刀具補償主要采用直線過濾方式，根據(jù)前后程序的不同軌跡，采取不同的連接方式，見圖2。這樣就可以克服B機能刀補所帶來的缺陷。
2 刀具半徑補償?shù)淖饔?/p>
（1）利用工件輪廓，直接編制程序。（2）根據(jù)原程序，使用左補償和右補償或利用同一補償，使用正負號，可以加工陰、陽兩工件。用于凸、凹模的加工。（3）能避免繁瑣的計算，簡化編程，在不改變刀具的情況下，利用原程序，修改指定單元中存放的刀偏值，來實現(xiàn)粗、精加工；同樣原理，即使刀具磨損，刃磨后，或者更換刀具，利用原有程序也能加工工件。
圖2 C機能刀具補償方式
3 刀具半徑補償在車削加工中的應用
在車削加工過程中，由于車刀刃磨成型后，加工部分都是用刀尖，因此人們編程時都是認為刀是\"尖\"的，而直接用零件輪廓編程。但在實際使用中，特別是為了獲得低加工表面精糙度用的精車刀，刀尖處總有一個半徑為r的圓弧，見圖3所示，刀尖點P為與圓弧相切且分別與 X軸、Z軸相平行的交點。在加工過程中，如果機床沒有刀尖圓弧半徑補償功能，在加工有錐面和圓弧的零件時就會有誤差。
圖3 圓頭車刀假想刀尖
3.1 圓頭車刀車削錐面
見圖4，由于刀尖圓弧的存在，加工程序是按照工件輪廓所編寫，理論上，假想的刀尖走的軌跡為BC，而實際上由于圓弧的存在，刀具實際走的軌跡為PD，則必然產(chǎn)生BCDP殘留誤差，誤差的大小由圖中ΔX ，ΔZ表示，計算如下：
ΔZ=AB-AP=r-rtg（θ/2）
=r（1-tg（θ/2））
ΔX=ΔZtgθ
=r（1-tg（θ/2））（2 tg（θ/2））/（1-tg2（θ/2））
=2r/（1+ctg（θ/2））
3.2 圓頭車刀車削圓弧
見圖5，以刀尖按輪廓編程，刀具理論上按弧AB加工，
而實際上是按弧CD加工，兩圓弧半徑相差刀尖圓弧半徑，所以實踐編程時，應按弧CD編程。
4 結束語
即使編程注意到上述問題，改用刀心軌跡編程，但當?shù)额^磨損或刀具重磨時，又需要重新計算編程，非常麻煩。隨著數(shù)控技術的發(fā)展，利用現(xiàn)代數(shù)控車床都具有的G40，G41，G42刀具半徑補償功能，加工程序仍按照零件輪廓編制，但在加工以前就將刀尖圓弧等相應參數(shù)在系統(tǒng)內設定，運行時，系統(tǒng)使能自動地計算出刀尖或刀心運動軌跡并控制刀具在此軌跡上移動，加工出準確的零件輪廓。
參考文獻
[1]李蓓華.數(shù)控機床操作工[M].中國勞動社會保障出版社，2005，5.
[2]任級三. 數(shù)控車床工實訓與職業(yè)技能鑒定[M].遼寧科學技術出版社，2006.
[3]馮志剛.數(shù)控宏程序編程方法、技巧與實例[M].機械工業(yè)出版社，2007.
[4]BEIJING FANUC oi-TC操作說明書[Z].BELLING：FANUC，2003.
[5]京瓷切削工具（樣本）[Z].京瓷（天津）商貿有限公司出版，2012-2013.
作者簡介：張松（1979-），男，江蘇盱眙人，工程師（機械設計制造），本科，主要研究方向：發(fā)動機及相關機組產(chǎn)品的設計與制造。
摘 要：文章通過對用工件輪廓和用刀具中心軌跡兩種編程方法的比較，說明用工件輪廓編程方便。介紹利用輪廓編程時刀具半徑補償?shù)膬煞N方法：B刀補和C刀補。最后闡述了刀具半徑補償在數(shù)控車削加工中的應用及如何計算出差值進行半徑補償來得到準確的加工軌跡。
關鍵詞：刀具；半徑；補償
引言
在數(shù)控機床上用圓頭銑刀或平銑刀加工工件時，編程人員在編制零件加工程序前，手中只有零件的圖紙。編程時，編程人員可以根據(jù)工件輪廓編程；又可以根據(jù)所用刀具的尺寸，計算出刀具中心的軌跡后，以刀具中心軌跡進行編程。見圖1，實線為零件輪廓，點劃線為刀具中心軌跡。
圖1 輪廓軌跡和刀具中心軌跡
很顯然，編程時，如果用刀具中心軌跡來編程，需要非常豐富的平面幾何和數(shù)學知識，數(shù)據(jù)計算工作量也非常大而且復雜。即使編出了加工程序，如果刀具磨損、重磨及重換新刀具等各種原因，再根據(jù)原程序加工出零件的尺寸、精度就發(fā)生變化，必須根據(jù)刀具磨損、重磨及重換新刀具后的刀具新的尺寸重新編程；而且計算出的節(jié)點可能是近似值，加工精度難以保證。所以通常都以輪廓編程來解決上述問題。加工前，操作人員預先將刀具半徑補償值輸入數(shù)控系統(tǒng)；加工時，根據(jù)預先存入數(shù)控系統(tǒng)的補償值，刀具根據(jù)輪廓自動偏移一個半徑值，正確地加工出零件輪廓，以上操作過程稱為刀具半徑補償。
1 刀具半徑補償在加工過程中的補償方法
根據(jù)輪廓進行編程，利用刀具半經(jīng)補償，可很方便地加工出零件，見圖1。但從刀具中心軌跡可以看出，在B和E兩拐角處，刀具中心多走了小一段軌跡，而這一小段軌跡在工件輪廓中是沒有的，所以在數(shù)控系統(tǒng)中，除了直線、圓弧等插補功能以外，還必須具有處理刀具半徑矢量的能力，即要有補償矢量偏移的計算和補償矢量的旋轉兩個方面的功能。
1.1 B機能刀具補償
在兩程序段連接處，使補償矢量旋轉一個指定的角度，或在加工圓弧時，使刀具中心作r或R+r的圖弧插補，實現(xiàn)的方法有r？法，矢量法，比例法等，但對于兩程序段之間輪廓的轉接是以圓弧方式進行的，沒有考慮到轉接的各種實際情況，就會產(chǎn)生以下兩個問題：（1）在外輪廓尖加工時，由于輪廓尖角一直處于切割狀態(tài)，往往會變成小圓角。（2）加工內輪廓時，刀具中心軌跡不易求得，由編程員人為地插入一個輔助加工的圓弧軌跡，并且輔助圓弧的半經(jīng)必須大于刀具半徑值，這樣會給程序的編制工作帶來了很大的麻煩。
1.2 C機能刀具補償
C機能刀具補償主要采用直線過濾方式，根據(jù)前后程序的不同軌跡，采取不同的連接方式，見圖2。這樣就可以克服B機能刀補所帶來的缺陷。
2 刀具半徑補償?shù)淖饔?/p>
（1）利用工件輪廓，直接編制程序。（2）根據(jù)原程序，使用左補償和右補償或利用同一補償，使用正負號，可以加工陰、陽兩工件。用于凸、凹模的加工。（3）能避免繁瑣的計算，簡化編程，在不改變刀具的情況下，利用原程序，修改指定單元中存放的刀偏值，來實現(xiàn)粗、精加工；同樣原理，即使刀具磨損，刃磨后，或者更換刀具，利用原有程序也能加工工件。
圖2 C機能刀具補償方式
3 刀具半徑補償在車削加工中的應用
在車削加工過程中，由于車刀刃磨成型后，加工部分都是用刀尖，因此人們編程時都是認為刀是\"尖\"的，而直接用零件輪廓編程。但在實際使用中，特別是為了獲得低加工表面精糙度用的精車刀，刀尖處總有一個半徑為r的圓弧，見圖3所示，刀尖點P為與圓弧相切且分別與 X軸、Z軸相平行的交點。在加工過程中，如果機床沒有刀尖圓弧半徑補償功能，在加工有錐面和圓弧的零件時就會有誤差。
圖3 圓頭車刀假想刀尖
3.1 圓頭車刀車削錐面
見圖4，由于刀尖圓弧的存在，加工程序是按照工件輪廓所編寫，理論上，假想的刀尖走的軌跡為BC，而實際上由于圓弧的存在，刀具實際走的軌跡為PD，則必然產(chǎn)生BCDP殘留誤差，誤差的大小由圖中ΔX ，ΔZ表示，計算如下：
ΔZ=AB-AP=r-rtg（θ/2）
=r（1-tg（θ/2））
ΔX=ΔZtgθ
=r（1-tg（θ/2））（2 tg（θ/2））/（1-tg2（θ/2））
=2r/（1+ctg（θ/2））
3.2 圓頭車刀車削圓弧
見圖5，以刀尖按輪廓編程，刀具理論上按弧AB加工，
而實際上是按弧CD加工，兩圓弧半徑相差刀尖圓弧半徑，所以實踐編程時，應按弧CD編程。
4 結束語
即使編程注意到上述問題，改用刀心軌跡編程，但當?shù)额^磨損或刀具重磨時，又需要重新計算編程，非常麻煩。隨著數(shù)控技術的發(fā)展，利用現(xiàn)代數(shù)控車床都具有的G40，G41，G42刀具半徑補償功能，加工程序仍按照零件輪廓編制，但在加工以前就將刀尖圓弧等相應參數(shù)在系統(tǒng)內設定，運行時，系統(tǒng)使能自動地計算出刀尖或刀心運動軌跡并控制刀具在此軌跡上移動，加工出準確的零件輪廓。
參考文獻
[1]李蓓華.數(shù)控機床操作工[M].中國勞動社會保障出版社，2005，5.
[2]任級三. 數(shù)控車床工實訓與職業(yè)技能鑒定[M].遼寧科學技術出版社，2006.
[3]馮志剛.數(shù)控宏程序編程方法、技巧與實例[M].機械工業(yè)出版社，2007.
[4]BEIJING FANUC oi-TC操作說明書[Z].BELLING：FANUC，2003.
[5]京瓷切削工具（樣本）[Z].京瓷（天津）商貿有限公司出版，2012-2013.
作者簡介：張松（1979-），男，江蘇盱眙人，工程師（機械設計制造），本科，主要研究方向：發(fā)動機及相關機組產(chǎn)品的設計與制造。
