浅析数控铣削加工中刀具半径补偿的功能及应用

国家职业资格全省统一鉴定加工中心技师论文(国家职业资格二级)论文题目：浅析数控铣削加工中刀具半径补偿的功能及应用姓名：身份证：准考证号：所在省市：江苏省南京市所在单位：江宁技师学院1浅析数控铣削加工中刀具半径补偿的功能和应用摘要：刀具半径补偿功能广泛应用在数控加工中。正确、灵活地运用刀具半径补偿功能对简化程序、降低编程难度、提高编程效率和零件加工精度有着十分重要的意义。关键字：数控加工；刀具补偿；程序；功能对数控系统使用带有刀补功能的机床，其编程往往要以刀具中心为编程轨迹，使用刀具半径补偿的方法，在执行刀具补偿后，数控系统就能自行计算刀具中心轨迹，使刀具中心偏离工件轮廓一个刀具半径值，这样就能加工图纸所要求的轮廓，同时还可利用同一个加工程序去完成粗加工和精加工，可以简化编程工作。另外还可以控制零件的尺寸精度，大大提高了零件的质量。一、刀具半径补偿的相关知识1.刀具半径补偿的概念在数控铣床上进行工件轮廓的数控铣削加工时，由于存在刀具半径，使得刀具中心轨迹与工件轮廓(即编程轨迹)不重合。如果数控系统不具备刀具半径自动补偿功能，则只能按刀具中心轨迹，即在编程时给出刀具的中心轨迹，如图1所示的划线轨迹进行编程。其计算相当复杂，尤其是当刀具磨损、重磨或换新刀而使刀具直径变化时，必须重新计算刀具中心轨迹，并修改程序。这样既复杂繁锁，又不易保证加工精度。当数控系统具备刀具半径补偿功能时，数控程序只需按工件轮廓编写，加工时数控系统会自动计算刀具中心轨迹，使刀具偏离工件轮廓一个半径值，即进行刀具半径补偿。数控系统的刀具半径补偿就是将计算刀具中心轨迹的过程交由数控系统执行，编程员假设刀具的半径为零，直接根据零件的轮廓形状进行编程。因此，这种编程方法也称为对零件的编程，而实际的刀具半径则存放在一个可编程刀具半径偏置寄存器中。在加工过程中，数控系统根据零件程序和刀具半径自动计算刀具中心轨迹，完成对零件的加工。当刀具半径发生变化时，不需要修改零件程序，只需修改放2在刀具半径偏置寄存器中的刀具半径值或者选用存放在另一个刀具半径偏置寄存器中的刀具半径所对应的刀具即可。图1未使用刀具半径补偿的刀具运动轨迹2.刀具半径补偿功能G41、G42、G40G41指令为刀具半径左补偿(左刀补)，G42指令为刀具半径右补偿(右刀补)，G40指令为取消刀具半径补偿。这是一组模态指令，缺省为G40。使用格式：说明：(1)刀具半径补偿G41、G42判别方法，如图2所示，规定沿着刀具运动方向看，刀具位于工件轮廓(编程轨迹)左边，则为左刀补(G41)，反之，为刀具的右刀补(G42)。(2)使用刀具半径补偿时必须选择工作平面(G17、G18、G19)，如选用工作平面G17指令，当执行G17指令后，刀具半径补偿仅影响X、Y轴移动，而对Z轴没有作用。(3)当主轴顺时针旋转时，使用G41指令铣削方式为顺铣，反之，使用G42指令铣削方式为逆铣。而在数控机床为里提高加工表面质量，经常采用顺铣，即G41指令。3图2左(右)刀具半径补偿判别示意图3.刀具半径补偿的建立与撤销刀具半径补偿的建立就是在刀具从起刀点(起刀点位于零件轮廓之外，距离加工零件轮廓切入点较近)以进给速度接近工件时，刀具中心轨迹从与编程轨迹重合过渡到与编程轨迹偏离一个刀具半径值的过程。刀具半径补偿偏置方向由G41(左补偿)或G42(右补偿)确定，如图3所示。图3刀具半径补偿的建立与撤销(1)刀具半径补偿的建立4①刀具半径左补偿N10G90G54G00X-10.Y-10.Z0；定义程序原点，起刀点坐标为(-10，-10，0)。N20S900M03；启动主轴正传,转速为900r/min。N30G17G01G41X0Y0D01；在X、Y平面建立刀具半径左补偿，刀具半径偏置号D01。N40G01Y50.；直线插补首段零件轮廓。②刀具半径右补偿：N30G17G01G42X0Y0D01；建立刀具半径右补偿。(其中，D01为调用D01号刀具半径偏置寄存器中存放的刀具半径值。)(2)刀具半径补偿的撤销与建立刀具半径补偿过程类似，在零件最后一段刀具半径补偿轨迹加工完成后，刀具撤离工件，回到退刀点，在这个过程中应取消刀具半径补偿，其指令用G40。退刀点也应位于零件轮廓之外，距离加工零件轮廓退出点较近，可以与起刀点相同，也可以不相同。在图3中假如退刀点与起刀点相同的话，其刀具半径补偿取消过程的命令如下：N100G01X0Y0；加工到工件原点。N110G01G40X-10Y-10；取消刀具半径补偿，退回到退刀点。(3)刀补使用时的注意事项：①G41、G42为模态指令，可以互相注销。②在程序中如果使用G41或G42，在程序结束中就必须有G40。③切换刀具半径补偿平面必须在补偿撤销下进行。④当刀具补偿值为负时，在程序不变的情况下，就相当于加工外轮廓变为加工内轮廓，即G41变为G42。⑤使用刀具半径补偿时应防止出现过切削现象：在使用和取消半径补偿时，刀具必须在工件平面内移动，并且移动距离不能小于刀具半径补偿值。如果加工工件半径小于刀具半径，就会发生过切现象，只有工件圆角大于等于刀具半径+精加工余量的情况下才能正常切削。5⑥D00-D99为刀具补偿号，D00是取消刀具补偿。在加工之前刀具半径补偿值应输入刀具参数设置中。⑦G41(或G42)与G40之间的程序段不得出现任何转移加工，如镜像、子程序加工等。⑧加工结束时，刀具应返回到开始位置，所以必须取消刀补功能。刀补功能的取消可以使用G40指令来完成，取消刀补功能的程序也可以使用G00或G01指令进行，但不能使用G02或G03指令，而且会发生警报，并且程序停止运行。在刀补功能的取消时，还要注意刀补功能的终点，应安排在刀具离开工件后，防止发生碰撞。二、刀具补偿在加工中心的应用刀具半径补偿功用有一个重要的用处。假如刀具中心与工件概括偏差值不是一个刀具半径，而是给定值，则可以用来处理粗加工中剩下废料的疑问。在粗加工时，刀具半径补偿值可认为刀具半径加上精加工余量，而在精加工时只输入刀具实践半径值，这样可使粗加工和精加工选用同一个程序、同一把刀具，其补偿办法为：刀具偏置值=刀具半径+精加工余量，在粗加工时，刀具半径补偿值是可变的，直到粗加工完成，最终留出精加工时的批改量。零件图纸如下图4所示。图4零件图纸1.根据图样要求、毛坯及前道工序加工情况，确定工艺方案及加工路线：以已加工过的底面为定位基准，用通用台虎钳夹紧工件前后两侧面，台虎钳固定于铣床工作台上。工步顺序为铣刀先走圆轨迹，再用左刀具半径补偿加工外轮廓。62.选择机床设备根据零件图样要求，选用经济型数控铣床即可达到要求。3.选择刀具粗加工时，选用Φ10的硬质合金立铣刀，刀具号为T01，刀具半径补偿号为D01，补偿值为5.2mm(0.2mm是精加工余量)。精加工时，选用Φ10的硬质合金立铣刀，刀具号为T01，刀具半径补偿号为D01，补偿值为5mm。3.确定切削用量切削用量的具体数值应根据该机床性能、相关的手册并结合实际经验确定，详见参考程序。4.确定工件坐标系和对刀点在XOY平面内确定以工件中心为工件原点，Z方向以工件表面为工件原点，建立工件坐标系，如图4所示。采用手动对刀方法(操作与前面介绍的数控铣床对刀方法相同)把点O作为对刀点。5.编写程序这是实际生产中的图形，编程方法很多，如果没有使用刀具半径补偿值的话，只能按照图5所示轨迹(O－A'－B'－C'－D'－E'－F'－G'－H'－I'－J'－A'－O)进行切削，其实编程是按照刀具中心进行编程的，这样就需要根据零件图计算出刀具中心所经过的各点A'－B'－C'－D'－E'－F'－G'－H'－I'－J'坐标来编程序：图5没使用刀补的刀具运动轨迹7O0001；N005T1；N010G54X0Y0Z100；N020M03S1900；N030G90G00Z5M08；N040G01Z-3F150；N050G01X45Y45；N060G01X105Y45；N070G01X105Y70；N080G01X145Y70；N090G01X145Y45；N100G01X170Y45；N110G03X205Y80R35；N120G01X205Y125.51；N130G02X175.51Y155R25；N140G01X45Y155；N150G01X45Y45；N160G01X0Y0；N170G00X0Y0Z100M09；N180M05；N190M30；这样编程有一个很不好解决的问题，就是刀具中心轨迹非常难计算，这里的例子是很简单的，如果图形相当复杂，再加上有曲面的就没法计算出刀具的轨迹了，也很难保证加工精度。如果建立刀具补偿值就十分简单了，无论多么复杂的图形都能加工出来。同样的应用举例：选用Φ10mm的立铣刀来加工如图4所示的零件外形轮廓。如果使用刀具半径补偿功能，刀具自动偏离一定的值(刀具半径+余量)，这样我们只要按照零件的实际轮廓编程就简单多了，如图6所示轨迹(即O－A－B－C－D－E－F－G－H－I－J－A－O)进行切削，编写的程序如下：8O0002；N005T1；N010G54X0Y0Z100；N020M03S1900；N030G90G00Z5M08；N040G01Z-3F150；N050G01X30Y30；N060G42D01G01X30Y50；N070G01X100Y50；N080G01X100Y75；N090G01X150Y75；N100G01X150Y50；N110G01X170Y50；N120G03X200Y80R30；N130G01X200Y120；N140G02X170Y150R30；N150G01X50Y150；N160G01X50Y40；N170G40G01X0Y0；N180G00X0Y0Z100M09；N190M05；N200M30；图6使用刀补后刀具运动轨迹9使用刀具半径补偿功能，各坐标点不用再计算了，可直接按照零件的轮廓进行编程，简化了程序，降低了编程难度，提高了生产效率。但在实际操作过程中，会有很多因素影响零件的精度，这时也可通过修改刀具半径补偿值来控制零件的加工精度。参考文献：1.吴明友.数控机床加工技术东南大学出版社.江苏2000；2.王爱玲等实用数控与编程技术北京：国防工业出版社1993;3.李华.机械制造技术高等教育出版社2000；4.翟瑞波主编．数控机床编程与操作．北京：中国社会保障出版社，2004．5.毕毓杰主编．机床数控技术．北京：机械工业出版社，2002．6.数控加工技师手册编委会编．数控加工技术手册．北京：机械工业出版社，2005．7.汪木兰主编．数控原理与系统．北京：机械工业出版社，2010.8.杨钢，小川，李渝昆．数控铣及加工中心编程.重庆：重庆大学出版社,20079.魏杰.数控机床编程加工技术．成都：电子科技大学出版社,200710.吴新佳.数控加工工艺与编程[M]．北京：人民邮电出版社，2009