數控銑床實訓過程中易出現撞刀原因分析

張浩峰

(淮北職業技術學院 機電工程系，安徽 淮北 235000)

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數控銑床實訓過程中易出現撞刀原因分析

張浩峰

(淮北職業技術學院 機電工程系，安徽 淮北 235000)

數控銑床實訓是機械類相關專業實訓教學中一個非常重要的環節，在數控銑床實訓過程中，撞刀現象時有發生，數控機床的安全性和工件加工質量必然受到很大影響，作者結合多年數控銑床實訓指導經驗，通過對數控銑床撞刀現象進行分析，采取相應措施，從而使設備的安全性及工件加工質量等得以保證。

數控銑床；實訓教學；撞刀；分析

數控銑床在當今機械制造等行業中應用非常廣泛，特別是用來加工各種孔系、曲面具有無與倫比的優勢。但在學習使用數控銑床時，如果操縱不當極易出現撞刀現象，輕則損壞刀柄和刀具，重則造成數控銑床的損毀，特別是在數控銑床實訓教學中，學生在操作中經常會出現撞刀現象，所以對數控銑床撞刀的原因分析研究采取相應的措施進行預防尤為重要。

1 數控銑床撞刀的概念

數控銑床主要是用在平面類、孔類、變斜角類、曲面類等方面零配件的加工，它具有高加工精度、高加工效率、高切削速度、高尺寸穩定性、低勞動強度(與普通銑床相比較)等特點。所謂數控銑床撞刀，指數控銑床上的刀具或刀柄在操作的過程中與工件或者是機床其它部件(如：工作臺、夾具等)發生碰撞現象的總稱。

通常，所有的數控銑床在各個加工軸上都用行程開關進行硬限位，還可以通過機床參數進行軟限位，撞刀的可能性應該較小，但由于進行數控銑實訓的學生對數控銑床的基本操作、程序編制等不夠熟練，極容易出現各種撞刀現象，可能造成刀具和加工零件的損壞，或者造成數控銑床部件的損壞，從而使得數控銑床降低加工精度甚至失去加工能力，有時還會造成人身安全事故。

2 數控銑實訓中易出現撞刀的原因

在數控銑實訓中過程中，學生出現撞刀現象不可避免，主要有以下幾個方面的原因：一是編程錯誤或考慮不周；二是工藝安排錯誤或不合理；三是對刀不準確或不當；四是操作失誤。

2.1 編程錯誤或考慮不周產生撞刀

2.1.1 進給量F值設定不當

數控銑床進給量分為兩種，就是每分進給量和每轉進給量，每轉進給量就是主軸每轉一轉刀具相對工件移動的距離，而每分進給量則是每分鐘刀具相對工件移動的距離，數控銑床開機后默認的進給量是每分進給量。正常情況下加工時的每分進給量設定為幾十到幾百毫米，比如法F30、F300等，但是如果你的進給量設定過大，如F3500等，就可能出現刀具快速切入工件的現象，由于速度過快刀具難以承受如此大的切削力而折斷；另外，如果在自動加工前使用了每轉進給量(如在編程時有G95代碼)，此時銑床的進給方式就變成了每轉進給量，假如主軸轉速為S1000轉/分，進給量為F200,那么換算成每分進給量則為F200000，這時刀具就會以極快的速度切入工件而引起撞刀。

2.1.2 快速點定位G00使用不當

數控銑床編程中，G代碼G00的功用為快速點定位，輸入G00后自動運行時，刀具會快速定位到某一點，但是它的走刀路徑一般不是直線而多為折線，不同的廠家在設定快速點定位時也可能有所不同，回參考點或自動加工時要認真觀察刀具相對工件的位置，不要把G00和G01搞混了，G01是直線插補指令，它的走刀路徑為直線，但G00走刀路徑一般不是直線，忽略了這一點，在進行快速移動或參考點返回等操作時，就可能使刀具和工件夾具等發生干涉碰撞。

2.1.3 快速點定位G00輸入錯誤

快速點定位G00如果在輸入的時候輸成了GO(注意不是英文字母G和數字0，而是英文字母G和英文字母O)，這時快速點定位G00指令實際上已經變成了宏程序里的條件語句里的if……GO語句，而GO在英文中有去的意思，有些機床的數控系統可能會執行沿某一方向一直移動的動作，最終超程或撞刀。

2.1.4 對有些數控系統的編程規則不甚了解

比如我們常用的FANUC數控系統，采用的是小數點編程，就是必須在地址字等的坐標值最后要加上小數點，如：Y100和Y100.的意義其實并不相同，Y100.和Y100.0一樣單位都是毫米，而Y100的單位是微米，在編程時忘記加小數點，加工時很可能出現意想不到的結果，甚至可能撞刀。

2.1.5 程序的傳輸過程及調用中出現錯誤

有時候程序編制是完全正確的，但是傳輸參數錯誤等原因，使得程序在從儲存介質向機床的傳輸過程中出現錯亂、增加、減少，而在加工前又沒有仔細核對，可能出現撞刀現象。另外程序有時雖然正確，但是一個工件的加工可能需要數個程序，每個程序的調用都有一定的先后順序，如果程序的先后順序有誤也可能出現撞刀現象，比如鉆孔程序和攻絲程序，必須是先調用鉆孔程序再調用攻絲程序才能正常進行，如果是先調用攻絲程序只能會出現撞刀的情況。

2.2 工藝安排錯誤或不合理產生撞刀

2.2.1 工件的裝夾方式不合理

在數控銑床實訓中，由于工件不會太大，選擇的夾具一般多為平口鉗和三爪卡盤，實訓中要根據工件的不同選擇合適的夾具，比如圓柱形、三棱柱形、六棱柱形等工件一般選擇三爪卡盤，而方形及近似方形工件一選擇般平口鉗，如果夾具選擇不合理就可能出現夾持不穩的現象，輕則工件滑動、振刀而使工件加工質量下降，重則工件翻轉甚至掉落而發生意外撞刀事故。

2.2.2 毛坯的選擇不合理

在加工工件時毛坯的選擇非常重要，如果實際選擇的毛坯與設計的毛坯相比小很多，那么預想中的工件此時就變成了夾具，在加工時刀具就有可能碰到夾具，相反如果實際選擇的毛坯與設計的毛坯相比大很多，那么預想中合適的快速定位點就會變成工件毛坯上的某個位置，在加工時刀具就有可能快速撞上工件。另外毛坯的材質也可能使加工出現意外，如毛坯有硬質點或大的氣孔存在都有可能使加工不能進行，斷刀現象時有發生。

2.2.3 刀具的選擇不正確或安裝不合理

刀具的選擇不正確非常容易出現撞刀現象，由于學生對刀具不熟悉，把鉆頭當銑刀用，或把立銑刀當鉆頭用，亦或者未能考慮刀具直徑的大小，這樣撞刀現象就難免發生。刀具的安裝不合理也是學生容易出現撞刀現象的一個重要原因，刀具伸出太長或太短都易發生撞刀，刀具伸出太長強度降低明顯比較容易斷刀，刀具伸出太短刀柄很容易碰到工件，比如加工凸臺或凹槽時要求刀具的伸出長度多出2～5mm為宜。

2.2.4 切削參數不合理

切削參數包括切削速度、進給量、背吃刀量，切削速度過大或過小、進給量及背吃刀量過大都會使加工不能正常進行，輕則出現振刀現象或異常噪聲，重則使刀具折斷。另外在自動編程中二次開粗、三次開粗等如果余量不合適以及手工編程中刀具半徑補償不正確都可能使刀具意外折斷。

2.2.5 坐標系的選擇有誤

在編程中編程坐標系選擇在工件底部，而實際加工時工件坐標系選擇在工件頂部，這種坐標系的不統一使得加工時極有可能出現撞刀現象。另外，我們知道數控銑床一般有6個基本工件坐標系G54～G59，分別對應表示第1工件坐標系～第6工件坐標系，G54是第1工件坐標系，也是大多數機床開機默認的工件坐標系， 還有某些機床如FANUC數控系統機床另外配有48個局部坐標系，如果加工時坐標系選擇不正確就可能出現意外，撞刀現象也有可能發生。

2.2.6 進退刀的路線設定不合理

加工時進退刀的路線要合理，比如使用壓板裝夾工件頂層又需要加工時，刀具要想辦法避開壓板，否則刀具就會撞上壓板。又比如精密鏜孔時如果選擇手動退刀，必須先讓刀具離開工件內壁再沿+Z向退刀，而在反鏜時是沿-Z方向退刀，搞混退刀方向就可能發生撞刀現象。另外在銑削凸臺及鉆孔時如果抬刀高度不夠，或者退刀的方向及大小不合理都會使刀具撞上工件。還有，在凹槽加工時，對于立銑刀等不能直接下刀的工件，一般會在下刀處提前打好引導孔，而學生在加工時未從此處下刀或忘記打引導孔都會造成撞刀現象的發生。

2.2.7 加工起始點設置不合理

在銑削加工時，加工起始點設置不合理也易發生撞刀現象，比如凸臺加工時，起刀點一般設置在工件外圍某一點(如圖1所示)，凹槽或內孔加工時，起刀點一般設置在工件內孔軸線方向并離工件有一定距離的某一點(如圖2所示)，凸臺形工件加工時刀具起始點所設的X、Y軸坐標值太小，凹槽及內孔形工件加工時起刀點離端面太近或離內控壁太近，都會極易發生撞刀現象。

圖1 凸臺形工件加工時刀具定位點

圖2 凹槽或內孔加工時刀具定位點

2.2.8 程序的運行和調用不正確

程序的運行和調用要正確，在程序進行空運行校驗程序時必須鎖住機床運行，否則就會使刀具以極快的速度切入工件而發生撞刀現象，在校驗后要取消空運行指令并進行參考點返回，否則在隨后的加工中就可能出現意外甚至撞刀。在使用后臺編輯功能時，后臺編輯的程序沒有調到前臺，在進行加工時自動執行了別的前臺程序而導致意外發生。在進行斷點恢復的加工時，一般從中間某個程序段開始執行，而中間這些程序段多為直線或圓弧插補，常常沒有主軸旋轉指令，此時如果忘記加入主軸旋轉指令，就會使靜止的刀具撞上工件。在加工帶有子程序的工件時，應該先執行主程序，如果加工工件從子程序開始執行程序，就會出現意想不到的結果甚至撞刀。另外，在加工時調用了與加工工件不符的程序也是極有可能撞刀的。

2.3 操作不當或錯誤產生撞刀

2.3.1 刀具或工件裝夾不牢

工件裝夾不牢是實訓學生比較容易出現的問題，工件的夾緊力如果不夠就會使工件加工時震動、翻轉或掉落，出現撞刀現象也很有可能。刀具的裝夾不牢也是學生實訓學生中一個比較容易出現的問題，由于實訓學生對各種扳手使用不熟練兼之許多學生力量較小使得刀具的夾緊力不夠，加工時刀具松動或掉落現象也時有發生，撞刀情況就不可避免了。

2.3.2 對刀操作時手輪進給倍率使用不當

在數控銑床實訓中，學生大多采用的是試切法對刀(精確對刀一般采用尋邊器、Z軸設定儀等)。試切時進給采用的大多是手輪(也稱手搖脈沖發生器)，多數學生在試切對刀時都對會忘記對手輪進給倍率的快慢檔位進行轉換，在沒接近工件之前可以使用較大的進給倍率，當刀具靠近工件后必須換成較小的進給倍率，否則就會致造成刀具和工件的快速接觸而發生碰撞。

2.3.3 對刀操作時數據輸入不正確或者輸入位置不對

在數控銑實訓的對刀操作中，有學生會在數據輸入時輸入一個錯誤的值，比如FANUC系統小數點的有無會使輸入的值也不同。如下圖坐標系界面X坐標值，輸入100時，實際值為0.1(如圖3所示)，當輸入100.或100.0時，實際值和輸入值相同也為100(如圖4所示)。或者是數據輸入位置不對，如把X的坐標值輸入到Y上，一旦輸入值不正確或數據輸入位置不對，那么在運行數控銑床切削加工工件時，就極有可能出現撞刀現象。

圖3輸入100時系統記錄的實際值

圖4輸入100.或100.0時系統記錄的實際值

2.3.4 零點偏移和刀具長度補償方式混合使用有誤

在數控銑削加工時我們大多采用零點偏移法對刀，對刀時把對刀值輸入到工件坐標系G54～G59，實現零點偏移(如圖5所示)，另外在加工時有時使用多把刀具，這時可以使用如下方法輸入對刀值，工件坐標系G54內X、Y不變，Z值改為0，而在刀補界面長度補償(H)相應位置輸入原G54內的Z值(如圖6所示)，加工時調用相應的長度補償指令即可，比如把值輸入到001位時，調用時可用G43 H01……，把不同的刀具長度補償值輸入到不同的位置，這時換刀加工時不需要重新對刀，只要調用不同的長度補償值就可以接著加工，但是如果G54內的Z值和刀補界面長度補償(H)值同時使用，以及你調用和輸入的長度補償(H)值不能對應，就有可能造成撞刀。

圖5零點偏移法對刀

圖6刀具補償界面

3 數控銑床實訓中減少撞刀的措施

通過對數銑實訓中撞刀的原因進行分析，為減少撞刀現象發生可以采取措施：

3.1 確保程序正確及合理的調用和運行程序

數控銑削加工時要確保程序正確，不同數控系統G代碼并不相同，都有各自相應的編程規則，為了保證程序的正確無誤，加工之前可以采用多種方法進行檢驗，常用的檢查方法有：數控仿真檢查法、人工檢查法、鎖住機床程序校驗法、空運行檢查法、單段試切檢查法等，通過以上方法進行檢查，可以基本證程序的正確，并能消除相應的撞刀隱患；另外還必須能正確的調用和運行程序，在學生數控銑實訓中，經常會出現加工使用的每個程序都正確，而調用順序不正確的現象，特別是加工多程序工件或者帶有子程序的工件時，都要特別注意程序的正確調用順序，盡可能以減少撞刀現象的發生。

3.2 合理安排數控銑削加工工藝

首先，要選擇合適的工件毛坯，毛坯的余量大小、形狀、粗糙度、材質等要和加工工件相符合，毛坯確定后要選擇合理的工件裝夾方式，正確合理的裝夾方式是工件能正常加工的必要條件。其次，要選擇合適的刀具切能牢固的裝夾，還要根據選定的刀具、毛坯等選擇合理的切削參數。最后，為了避免各種刀具干涉現象，要合理安排加工起始點、加工路線、進退刀路線等，象凸臺加工、凹槽加工、鏜孔加工等，不管是起刀點、進刀路線還是退刀路線等都要仔細斟酌。

3.3 確保操作熟練以后再進行工件的加工

在加工工件前，學生要能熟練的操作數控銑床。首先，對各坐標軸的正負方向要特別熟悉，否則在手工解除超程、駛離工件等時候，就會因為搞反運動方向而拉壞絲杠或撞上工件。其次，要能熟練的進行對刀操作，對刀方法有許多種，實訓老師可能會介紹3到4種，不同的同學可能會選擇不同的對刀方式，加工工件時切莫幾種對刀方法混和使用，另外，對刀結束后要選擇合適的驗刀方式對對刀值進行校驗。最后，加工前要仔細查看機床所處的狀態，如果處在空運行狀態時要及時取消、處在后臺編輯狀態時要把程序調到前臺、處在MDI狀態時要調到自動運行狀態。

3.4 根據工件、夾具等設置合適的機床的軟、硬限位

數控銑床的限位分為硬限位和軟限位，硬限位由擋塊及行程開關共同控制，行程開關的位置一般都是固定的，擋塊可以根據工件等作適當的調整，操作時一般不會出現刀具和工作臺等碰撞的現象，但因震動等原因可能會使行程開關或擋塊出現松動，硬限位失靈現象時有發生，加工前要經常對這些部位進行檢查，確保限位的可靠性。數控銑床的軟限位由系統的某些參數來控制，如FANUC系統，其各軸的正、負極限位置分別由1320#、1321#參數來設定，在實際加工時，大多用參數對Z軸負向進行限位，確保刀具不會撞上工件和夾具，數控床銑不同限位軸及限位值也會不同，當然使用時要注意兩種限位的使用條件，對于需要返回參考點的數控銑床，回零后軟限位才能起作用，而硬限位一直都起作用，但刀具或工作臺移動速度不能太快，否則，會因為刀具或工作臺慣性太大而使行程開關失靈或擋塊滑動，從而使硬限位不能起到應用的保護出現飛車事故。

3.5 提高學生應對突發故障的能力

在加工過程中會出現各種突發現象(如超程、急停、斷電等)，學生要能正確的處理。出現突發故障時要仔細觀察故障現象，不要盲目移動機床或刀具，待故障解除后再讓刀具慢慢離開工件，注意退刀的方向，切莫搞反方向而撞上工件，離開工件后仔細檢查刀具及工件情況，出現工件或刀具損壞時要及時更換，一般首先要對數控銑床進行回零操作，必要時還須重新對刀，采用合適的方法繼續進行加工。

4 結論

工藝安排不合理、編程及對刀不正確、操作不當、工件及毛坯不合適等，都是數銑實訓中幾種較為常見的撞刀原因，在數控銑床實訓中還有很多其他原因會導致撞刀現象發生，對應的解決措施也有很多，通過以上對數控銑床撞刀原因進行分析及提出的解決措施可以幫助實訓學生，盡量減少撞刀現象的發生，使他們能用數控銑床獨立的完成對工件的加工，這對保證實訓人身和設備的安全，保持數控銑床加工精度及延長設備使用壽命，提高數控銑床學生實訓教學的質量等都具有重要的現實意義。

[1] 劉美玲.淺談數控銑床實訓教學中的撞刀現象及對策[J].機械管理開發,2012(5).

[2] 劉玉賓.數控實訓中常見數控加工中心撞刀的原因及防止辦法[J].現代制造技術與裝備,2013(2).

[3] 周振陽.數控實訓中常見的撞刀原因及防止辦法[J].中國科技博覽,2015(3).

責任編輯：力 草

2016-08-5

張浩峰(1973—)，男，安徽淮北人，工程師，講師，研究方向：數控技術。

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1671-8275(2016)05-0051-04