刀具补偿在数控车床加工中的应用研究
2020-10-21 来源： 郑州机电工程学校 作者：田 志
摘要：分析了在数控车床加工中进行刀具补偿的原因，并从偏置补偿、刀具半径补偿两方面阐述了刀具补偿的方法、作用及注意事项，以期为数控车床加工生产提供有益的参考。
关键词：刀具补偿；偏置补偿；数控车床加工
1 、数控车床刀具补偿的原因
在数控机床编程中，以基准位置进行编程，从而实现机床加工的自动化、标准化。但是，当机床刀具实际位置与基准位置存在偏差时，将造成数控车床加工误差增加，在此情况下，必须对刀具进行纠正和补偿。同时，在加工过程中，刀具的磨损也是导致刀具位置发生变化的重要原因，因此，对刀具的偏移量进行补偿是车床加工的必要措施。同时，在数控机床加工中，为了提高刀具强度和加工件表面加工质量，延长刀具寿命，一般将数控机床刀具刀尖磨成圆弧状，当车锥工作面时，由于刀具圆弧的存在，实际起到切割作用的部位是刀具与加工件切点位置，在此情况下，车床加工出的加工件与设计图样尺寸不重合，会形成误差，进而与加工图样尺寸存在一定的差异。
2 、数控车床刀具补偿分类
2.1 偏置补偿
在数控机床加工时，一般以手动安装的方式安装刀具，在此过程中，机床的原点与工件原点存在一定的偏差，车刀刀尖或圆弧中心不处于同一位置，操作人员将刀尖、圆弧中心移动到原点后，刀具偏置补偿是用来补偿刀具与原点之间的距离差异的，从而达到纠偏的目的。具体实践中，偏置补偿可分为刀具几何偏置补偿和刀具磨损偏置补偿两种方式，几何补偿是根据实际刀具和标准刀具之间的差异进行补偿；磨损补偿是根据刀具磨损实际值与标准值之间的偏差进行补偿。在具体补偿操作中，不同规格、型号的数控系统其刀具偏置补偿指令操作存在一定的差异。一般来说，常规的数控车床刀具偏置补偿使用T功能指令实现，4位数字分别代表刀具号和刀具补偿号，刀具代码设置应根据生产企业操作说明进行，刀具补偿号根据刀具偏置补偿情况确定。当刀具补偿号数值为0时，则表示取消偏置补偿。
2.2 刀具半径补偿
在数控车床加工中，刀具的调整是通过刀尖对刀的方式进行。但在实际操作中，由于刀尖为连续的圆弧形状，并非一个确定的位置，因此，在车床对刀时，操作人员应按照刀具轨迹进行半径补偿设置，确保刀具刀尖与加工位置重合。但由于实际起加工作用的刀具是由圆弧与共建轮廓表面的切点组成的，在车削加工过程中，刀尖圆弧半径可能与编程轨迹存在一定的偏移量，该偏移量即为刀尖圆弧的半径值，对其进行补偿被称为刀具半径补偿。在数控机床编程中，操作人员不需要考虑刀具中心轨迹，只需要按刀具圆弧轮廓进行编程，并按数控车床刀具补偿指令进行操作即可，数控机床会自动计算刀具补偿半径，从而降低机床加工偏差。一般来说，刀具半径补偿指令为G41和G42。
在具体操作时，操作人员应先使用G40清除已有的刀具半径补偿，再使用G41指令沿刀具左侧运动方向进行调整，也可使用G42沿刀具右侧方向进行调整。
3、 刀具补偿的作用
3.1 提高了刀具的适应性
在数控车床加工中，刀具是处于不断磨损、更换中的，应用刀具补偿能够减小因刀具磨损、更换、偏移而造成的误差，有效提高数控车床的加工精度。假设原数控机床刀具补偿值为X、Z，经过一段时间的机械加工，刀具产生一定的偏差量，即ΔX、ΔZ，则新的刀具补偿值为（X-ΔX）、（Z-ΔZ），仅需要对变化量进行调整，而不需要重新设置数控控制程序。刀具磨损也可以使用该方法进行调整。当刀具更换时，操作人员可使用新刀具的刀具补偿值替代现有的刀具补偿值，从而改善因数控机床刀具磨损、更换、偏移造成的加工精度降低的问题，提高机床刀具的适应性，简化数控机床操作。
3.2 有助于实现加工件粗精加工
调整加工精度是机械零件加工中的常规操作，也是提高机械加工效益的必要措施之一。
在调整加工精度过程中，如人为设置刀具中心与工件轮廓的偏置值，而非根据实际偏差值，则加工的零件精度较低，即粗加工。在粗加工过程中，可在刀具实际半径的基础上加上精加工余量作为刀具半径补偿值。在精加工过程中，操作人员只需要输入刀具实际半径值即可进行粗精加工的转换。具体补偿转换方法为：先通过人工方式输入刀具半径补偿值，包括刀具半径补偿和加工余量，即可完成粗加工的刀具的设置；在精加工时，操作人员可在粗加工的基础上输入微调量，即可实现粗加工向精加工的转换。在实际操作中，微调量应根据实际情况进行确定，可在粗加工后进行实际测量。如粗加工尺寸大于精加工尺寸则调整量为正值，如粗加工尺寸小于精加工尺寸则调整量为负值。通过刀具偏差补偿的方式对数控机床偏差进行调整，不但简化了数控车床编程，降低了机床操作难度，而且提高了加工精度，确保了机械加工质量。
4 、数控车床刀具补偿注意事项
在刀具补偿操作中，操作人员应注意下述问题。
（1）当刀具在起刀程序段时，如进行刀具偏差补偿，应避免刀具切入工件，以免在调整情况下进行机械加工造成工件损耗。
（2）当使用刀具补偿G41或G42指令时，必须确保指令完整、有效，否则将导致刀具补偿命令无效，进而造成后续加工零件加工误差加大。
（3）必须在刀具补偿所在的内存区的刀尖半径处填入相应的圆弧半径值，数控系统会自动计算刀具补偿值。
（4）必须在刀具补偿页的刀尖位置输入相应的方位号，并以此作为刀具补偿半径的依据。
（5）当使用G41、G42补偿指令时，过渡直线段长度应当大于刀尖圆弧半径，水平轴的切削移动量应大于2倍的刀尖半径值。
（6）当存在两个或以上的不运动程序段时，刀具可能会对工件下一轮廓产生过切现象。
（7）在以假想刀尖圆弧中心作为编程依据时，假想刀尖编号为由0至9共计10个号码，编程时应合理选择刀尖编号。在数控车床进行刀具补偿操作时，对刀操作应当充分考虑刀尖圆弧半径。此外
随着数控车床种类、型号的发展，刀具补偿指令、格式、标准发生了一定的变化，不同厂家、型号的数控机床其命令格式存在一定的差异，因此，在针对不同的数控车床进行操作时，操作人员应当根据数控车床编程手册进行查询和设置。
5 、典型数控车床刀具补偿输入案例
结合上述研究，以华中数控车床为例，阐述数控车床刀具补偿操作方法。
5.1 刀具磨损量补偿
当刀具出现一定程度的磨损后，操作人员应对刀具进行磨损量补偿设置。首先，在机床起始界面下按F4键，进入MDI参数设置界面，再按F2键进入刀偏表参数设置界面，借助方向键和翻页键选择并设置刀具磨损值，通过MDI键盘输入完成磨损补偿量后按Enter键确认。
5.2 刀具偏置量补偿
与刀具磨损量补偿设置相似，操作人员按F2键进入刀偏表参数设置界面，分别输入X、Z偏置补偿值，并按Enter键确认。
5.3 刀尖半径补偿
按F3键进入刀具补偿参数设置界面，借助方向键和翻页键选择对应的刀补号半径栏，输入补偿值后按Enter键确认。
5.4 刀尖方位参数设置
在数控机床中，刀尖共计有9个方位，因此，在刀具刀尖方位参数设置时，应结合实际情况正确输入刀尖方位参数。
6、 结语
随着我国制造业的发展，对机械加工精度、效率要求不断提高，数控机床操作人员必须了解刀具补偿理论知识并掌握刀具补偿操作技能，熟练操作机床粗、精加工参数调整技巧，才能适应新时期机械加工岗位的要求。本文深入剖析了刀具补偿的原因及作用，并从偏置补偿、半径补偿等方面分析了数控车床刀具补偿的操作方法，希望对机械加工企业生产与管理有所助益。
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