刀尖圓弧半徑補(bǔ)償功能在數(shù)控車削中的應(yīng)用策略與技巧

段好運

(商丘技師學(xué)院,河南商丘 476000)

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刀尖圓弧半徑補(bǔ)償功能在數(shù)控車削中的應(yīng)用策略與技巧

段好運

(商丘技師學(xué)院,河南商丘 476000)

分析了全面理解刀尖圓弧半徑補(bǔ)償指令含義、正確判定刀尖方位代碼位置、合理設(shè)定刀尖圓弧半徑補(bǔ)償數(shù)值、靈活運用刀尖圓弧半徑補(bǔ)償功能的應(yīng)用策略與技巧,為在數(shù)控車削加工中更好地利用刀尖圓弧半徑補(bǔ)償功能提供參考。

刀尖圓弧半徑補(bǔ)償;數(shù)控車削;應(yīng)用策略與技巧

在數(shù)控車削加工中,為了提高刀具強(qiáng)度和工件表面加工質(zhì)量,減緩刀具磨損,延長刀具使用壽命,通常將車刀刀尖刃磨成圓弧過渡刃,這時刀具的刀位點為刀尖圓弧的圓心,造成刀位點的運動軌跡與工件的輪廓不重合。如果在數(shù)控加工或數(shù)控編程時不對刀尖圓弧半徑進(jìn)行補(bǔ)償,只按照工件輪廓進(jìn)行編制程序來加工帶有錐面或圓弧輪廓的工件時就會出現(xiàn)過切或欠切現(xiàn)象,引起加工誤差,對加工精度要求較高時會造成工件報廢。為了解決這一問題,對于不具備刀尖圓弧半徑補(bǔ)償功能的車床數(shù)控系統(tǒng),一種方法是在精加工時選用刀尖圓弧半徑較小的刀具,這樣可以減小加工誤差,但將降低刀具壽命,導(dǎo)致頻繁換刀,降低生產(chǎn)率。另一種辦法是采用局部補(bǔ)償計算加工或按照刀尖圓弧中心軌跡編程加工,圓弧中心軌跡的數(shù)據(jù)需要人工處理,隨著零件輪廓復(fù)雜程度的增加將會給計算帶來困難,尤其在刀具磨損、重磨或更換新刀具時,刀尖半徑發(fā)生變化,刀具軌跡必須重新計算,并對程序作相應(yīng)的修改,既繁瑣又不易保證加工精度,生產(chǎn)中缺乏靈活性。對于具備刀尖圓弧半徑補(bǔ)償功能的車床數(shù)控系統(tǒng)而言,可以把刀尖圓弧半徑和刀尖圓弧位置等參數(shù)輸入刀具數(shù)據(jù)庫內(nèi),操作者就可以按工件輪廓編程,數(shù)控系統(tǒng)自動計算刀具軌跡,控制刀具軌跡進(jìn)行切削加工,消除了由刀尖圓弧半徑引起的加工誤差,這樣將減少數(shù)據(jù)計算,節(jié)約時間,簡化編程,方便操作,提高加工效率。因此,刀尖圓弧半徑補(bǔ)償功能在數(shù)控加工中應(yīng)用廣泛。

1 全面理解刀尖圓弧半徑補(bǔ)償指令含義策略

1.1 刀尖圓弧半徑補(bǔ)償?shù)母拍?/p>

為確保工件輪廓形狀,加工時刀具刀尖圓弧的圓心運動軌跡不能與被加工工件輪廓重合,而應(yīng)與工件輪廓偏置一個半徑值,這個偏置值稱為刀尖圓弧半徑補(bǔ)償。

2.2 刀尖圓弧半徑補(bǔ)償?shù)姆诸?/p>

根據(jù)刀具圓弧半徑補(bǔ)償在工件拐角處過渡方式的不同,刀具半徑補(bǔ)償通常分成B功能刀具半徑補(bǔ)償和C功能刀具半徑補(bǔ)償兩種形式。B功能刀具半徑補(bǔ)償是基本的刀具半徑補(bǔ)償,它只根據(jù)本段程序的輪廓尺寸進(jìn)行刀具半徑補(bǔ)償,計算刀具中心的運動軌跡,編程復(fù)雜。此種刀補(bǔ)在工件輪廓拐角處采用圓弧過渡,會使工件尖角變鈍,加劇刀具磨損,甚至在工件輪廓內(nèi)拐角處引起過切現(xiàn)象,工件尖角處工藝性不好。C功能刀具半徑補(bǔ)償能自動處理兩程序段刀具中心軌跡的轉(zhuǎn)接,使刀具在工件輪廓拐角處采用直線過渡的方式,編程人員可完全按照工件輪廓來編程,簡化程序,克服尖角工藝性差的缺陷。現(xiàn)在絕大多數(shù)數(shù)控機(jī)床都采用C功能刀具半徑補(bǔ)償。

1.3 刀尖圓弧半徑補(bǔ)償指令的含義

數(shù)控車床刀具補(bǔ)償功能包括刀具位置補(bǔ)償和刀尖圓弧半徑補(bǔ)償兩方面。在加工程序中用 T功能指令, TXXXX中前兩個XX為刀具號,后兩個XX為刀具補(bǔ)償號,如T0202。如果刀具補(bǔ)償號為00,則表示取消刀補(bǔ)。刀尖圓弧半徑補(bǔ)償?shù)钠梅较蛴傻都鈭A弧半徑補(bǔ)償指令G41、G42、G40來實現(xiàn)。

(1)編程格式:G41G00/G01X(U)Z(W)F;表示刀尖圓弧半徑左側(cè)補(bǔ)償。G42G00/G01X(U)Z(W)F;表示刀尖圓弧半徑右補(bǔ)償。G40G00/G01X(U)Z(W)F;表示刀取消尖圓弧半徑補(bǔ)償。

(2)刀尖圓弧半徑補(bǔ)償偏置方向的判定:刀尖圓弧半徑補(bǔ)償G41/G42是在加工平面內(nèi),沿進(jìn)給方向看,根據(jù)刀尖位置在編程軌跡左邊/右側(cè)判斷來區(qū)分的。因此,判定刀尖圓弧半徑補(bǔ)償偏置方向要把握兩個要點,第一要根據(jù)工件輪廓所在車床坐標(biāo)系中X、Z軸的位置,判定第三個坐標(biāo)軸+Y方向。第二要沿著 Y軸由正方向朝負(fù)方向觀察刀具所處的位置,當(dāng)?shù)毒咛幵诩庸ぽ喞髠?cè)時,稱為刀尖圓弧半徑左側(cè)補(bǔ)償;當(dāng)?shù)毒咛幵诩庸ぽ喞覀?cè)時,稱為刀尖圓弧半徑右側(cè)補(bǔ)償。正確判定刀尖圓弧半徑補(bǔ)償偏置方向是用好刀尖圓弧半徑補(bǔ)償功能的前提,在判斷要特別注意前置刀架(如圖1所示)和后置刀架(如圖2所示)對刀尖圓弧半徑補(bǔ)償偏置方向的區(qū)別。

2 正確判定刀尖方位代碼位置策略

車刀的形狀和位置參數(shù)稱為刀尖方位代碼。具備刀尖圓弧半徑補(bǔ)償功能的數(shù)控系統(tǒng),除利用刀尖圓弧半徑補(bǔ)償指令外,還要根據(jù)刀具在切削時所處的位置,選擇假想刀尖的方位,從而使系統(tǒng)能根據(jù)假想刀尖方位確定計算補(bǔ)償量。機(jī)床在前置刀架與后置刀架方式下,不同形狀的刀具假想刀尖方位也有所不同,假想刀尖方位代碼共有9種,如圖3、4所示為車刀刀尖方位代碼的含義。當(dāng)用假想刀尖編程時,假想刀尖方位代碼設(shè)為1-8;當(dāng)用假想刀尖圓弧中心編程時,假想刀尖方位代碼設(shè)為0或9。

圖3 前置刀架車刀刀尖方位圖

圖4 后置刀架車刀刀尖方位圖

3 合理設(shè)定刀尖圓弧半徑補(bǔ)償值策略

刀尖圓弧半徑不僅影響切削效率,而且關(guān)系到被加工表面粗糙度及尺寸精度。所謂刀尖圓弧半徑是指車刀刀尖圓弧所構(gòu)成的假想圓的半徑R。數(shù)控車刀刀尖圓弧半徑作為重要的加工參數(shù),在選擇時要考慮以下幾個因素:(1)刀尖圓弧半徑不能夠大于工件輪廓的最小半徑,以免發(fā)生加工干涉;該半徑又不宜選擇太小,否則會因其刀頭強(qiáng)度太低或刀體散熱能力差,使車刀容易損壞。(2)刀尖圓弧半徑應(yīng)與最大進(jìn)給量相適應(yīng),刀尖圓弧半徑宜大于等于最大進(jìn)給量的1.25倍,否則將惡化切削條件,甚至出現(xiàn)螺紋狀表面和打刀等問題;另一方面,要考慮刀尖圓弧半徑太大容易導(dǎo)致刀具切削時發(fā)生顫振,一般說來,刀尖圓弧半徑在0.8mm以下時不容易導(dǎo)致加工顫振;(3)刀尖圓弧半徑與進(jìn)給量在幾何學(xué)上與加工表面的殘留高度有關(guān),從而影響到加工表面的粗糙度。殘留高度與刀尖圓弧半徑、進(jìn)給量的關(guān)系可用下式表示:h≈f2/8rε。式中h為加工殘留高度,μm;f為進(jìn)給量,mm/r;rε為刀尖圓弧半徑,mm?？梢娦∵M(jìn)給量、大刀尖圓弧半徑,可減小殘留高度,得到小的表面粗糙度Ra值。由此式可知,當(dāng)被加工零件表面粗糙度與進(jìn)給量已設(shè)定后,就可選擇相應(yīng)的刀尖圓弧半徑rε≥f2/ 8h,詳見表1。(4)刀尖圓弧半徑還與斷屑的可靠性有關(guān)。從斷屑可靠性出發(fā),通常對于小余量、小進(jìn)給車削加工時可采用小的刀尖圓弧半徑,反之宜采用較大的刀尖圓弧半徑。(5)在數(shù)控編程加工時,需考慮刀具圓弧制造精度和刀尖半徑測量精度應(yīng)當(dāng)與輪廓的形狀精度相適應(yīng)。

表1 表面粗糙度與刀尖圓弧半徑、進(jìn)給量關(guān)系

4 靈活運用刀尖圓弧半徑補(bǔ)償功能的策略與技巧

4.1 刀尖圓弧半徑補(bǔ)償?shù)倪^程

刀尖圓弧半徑補(bǔ)償?shù)倪^程一般可分為三步:即刀補(bǔ)的建立,刀具從編程軌跡重合過渡到與編程軌跡偏離一個偏移量的過程;刀補(bǔ)的進(jìn)行,執(zhí)行 G41或 G42指令的程序段后,刀具的中心始終與編程軌跡相距一個偏移量;刀補(bǔ)的取消,刀具離開工件,刀具中心軌跡要過渡到與編程軌跡重合的過程,如圖5所示。

4.2 應(yīng)用技巧

(1)G41/G42指令不帶參數(shù),在工件加工之前操作者要通過機(jī)床CRT/MDI面板上的“刀補(bǔ)值”功能鍵把每把刀具的刀尖圓弧半徑補(bǔ)償參數(shù)(刀尖圓弧半徑R,刀尖方位代碼T)輸入到相對應(yīng)的刀具補(bǔ)償寄存器中,作為刀尖圓弧半徑補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)。在程序自動執(zhí)行過程中,數(shù)控系統(tǒng)按該存儲器中的R、T的數(shù)值,自動進(jìn)行刀尖圓弧半徑補(bǔ)償。

圖5 刀尖圓弧半徑補(bǔ)償?shù)慕⑴c取消

(2)刀尖圓弧半徑補(bǔ)償?shù)慕⑴c取消不能進(jìn)行加工輪廓切削,刀具必須遠(yuǎn)離工件一段距離,以免產(chǎn)生對工件誤切。指定刀尖圓弧半徑補(bǔ)償 G41或 G42的過渡直線段的Z軸移動量必須大于刀尖圓弧半徑值,X軸移動量必須大于兩倍刀尖圓弧半徑值。

(3)G41、G42、G40指令的程序段中必須同時使用 G00或G01指令,而不得同時使用 G02或 G03。在刀具執(zhí)行中G41和G42不能隨意轉(zhuǎn)換,當(dāng)?shù)毒邎A弧半徑補(bǔ)償值正負(fù)值相互轉(zhuǎn)換時,G41和 G42的功能互換。

(4)G41、G42、G40都是模態(tài)代碼,可以相互注銷。

(5)在使用 G41和 G42之后的程序段,不能出現(xiàn)連續(xù)兩個或兩個以上的不移動指令(如M指令、延時指令等),否則 G41和 G42會失效,刀具可能會對工件的下一輪廓產(chǎn)生過切或欠切。

(6)在MDI狀態(tài)下不能進(jìn)行刀尖圓弧半徑補(bǔ)償。在刀具圓弧半徑補(bǔ)償執(zhí)行中,不能加工小于刀具半徑的內(nèi)拐角、溝槽和臺階。

(7)在調(diào)用新刀具或更改刀具補(bǔ)償方向時必須取消刀具補(bǔ)償,以避免產(chǎn)生加工誤差或干涉。程序結(jié)束之前必須取消刀尖圓弧半徑補(bǔ)償,否則刀具不能在終點定位,而是停在與終點位置偏移一個矢量刀尖圓弧半徑的位置。

(8)要注意區(qū)分不同數(shù)控系統(tǒng)中的異同點,如在FANUC-01-MATE數(shù)控車系統(tǒng) G76、G92指令中不能使用刀具圓弧半徑補(bǔ)償;在 G71、G72G73指令狀態(tài)下,如以刀尖圓弧中心軌跡編程時,必須指定指令中的精加工余量等。

4.3 實例分析

上圖所示零件帶有錐體和圓弧表面,為確保工件的尺寸精度和形狀精度,采用刀尖圓弧半徑補(bǔ)償功能編程,根據(jù)前面的論述從以下幾個方面入手:

(1)明確該零件所使用的數(shù)控車床是前置刀架還是后置刀架,據(jù)此判定刀尖圓弧半徑補(bǔ)償偏置方向。設(shè)定為前置刀架,工件零點設(shè)在工件圖樣右端中心,加工路徑自右向左,判定刀尖圓弧半徑補(bǔ)償為右補(bǔ)償,使用G42指令。

(2)判定刀尖方位代碼位置,根據(jù)零件的加工輪廓應(yīng)采用90°外圓車刀,刀架前置,可知刀具的刀尖方位代碼為3。

(3)設(shè)定刀尖圓弧半徑值,根據(jù)工件表面加工質(zhì)量要求,參照表1的有關(guān)經(jīng)驗數(shù)據(jù),選取刀尖圓弧半徑值為0.4mm。

(4)依據(jù)刀尖圓弧半徑補(bǔ)償過程和使用技巧形成加工程序并進(jìn)行機(jī)床加工。以FANUC-0I-MATE車床數(shù)控系統(tǒng)為例說明精加工程序編制。

…

N100 G00 X0.0Z5.0;快速定位靠近工件

N110 G42 G01 X0Z0 F0.17;建立刀具圓弧半徑右補(bǔ)償,每轉(zhuǎn)進(jìn)給量

N120 G01 X10.0;加工端面

N130 G03 X30.0Z-10.0 R10.0;加工圓弧

N140 G01 Z-20.0;加工外圓

N150 GO1 X40.0;加工臺階平面

N160 X45.0 Z-40.0;加工錐度

N170 X48.0;加工臺階

N180 X50.0 Z-41.0;倒角

N190 Z-60.0;加工外圓,加工輪廓結(jié)束

N200 G40 G00 X55.0 Z50.0;快速退出刀具,取消刀具圓弧半徑補(bǔ)償

…

5 結(jié)束語

實踐證明,掌握上述刀尖圓弧半徑補(bǔ)償功能的應(yīng)用策略與技巧,能夠迅速對刀尖圓弧半徑補(bǔ)償?shù)钠梅较?、刀尖方位代碼位置、刀尖圓弧半徑補(bǔ)償值進(jìn)行判定,靈活運用刀尖圓弧半徑補(bǔ)償指令編制數(shù)控加工程序,提高加工效率,具有較高的實用價值。

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TG51

A

1671-8275(2010)04-0128-03

2010-04-12

段好運(1973-),男,河南商丘人,河南商丘技師學(xué)院教師,主要從事數(shù)控技術(shù)應(yīng)用的教學(xué)與研究工作。

責(zé)任編輯:訾興建