刀尖圓弧半徑補(bǔ)償指令在數(shù)控車削中的應(yīng)用

東北大學(xué)工程訓(xùn)練中心 （沈陽 110004） 張立君 張樹軍 劉春城 劉 悅 張國(guó)斌

圖1的繩輪，材料為Q235鋼，毛坯尺寸分別為φ160mm×35mm，等離子切割成形。圖2所示的凸輪，材料為45鋼，φ85mm×25mm冷軋棒料鋸割成形，加工數(shù)量均為30件。其工件的圓弧輪廓在普通車床上使用雙手控制加工，加工效率低、圓弧形狀和尺寸不易保證。使用樣板刀（或稱為成形車刀）加工，刀尖的圓弧半徑與繩輪的圓弧半徑一致，加工時(shí)，直接徑向切削，由于刀頭較寬，會(huì)產(chǎn)生較大的徑向切削力，并且產(chǎn)生振動(dòng)，使圓弧的表面質(zhì)量受到影響，刀具刃磨技術(shù)要求高。在數(shù)控車床上加工圓弧時(shí)，使用下列形狀的刀具：尖刀、直刃切刀，會(huì)發(fā)生刀具與圓弧干涉，出現(xiàn)圓弧過切或欠切問題，使用偏刀，需要使用兩把刀具，不僅編程復(fù)雜，還會(huì)出現(xiàn)接刀痕跡，這是圖樣不允許的。只能使用圓弧車刀加工，使用樣板刀同樣會(huì)產(chǎn)生較大的徑向切削力，并且產(chǎn)生振動(dòng)，使圓弧的表面質(zhì)量受到影響。使用較小半徑的圓弧刀切削，若不考慮刀尖圓弧半徑補(bǔ)償，加工凹圓弧時(shí)，會(huì)使加工后的圓弧半徑變大；加工凸圓弧時(shí)，會(huì)使加工后的圓弧半徑變小。使用刀尖圓弧半徑補(bǔ)償指令時(shí)，需要考慮刀具刀尖半徑補(bǔ)償?shù)奈恢煤脱a(bǔ)償?shù)臅r(shí)機(jī)，否則將會(huì)出現(xiàn)報(bào)警或過切、欠切的現(xiàn)象。因此使用刀頭半徑適宜的圓弧成形刀進(jìn)行該工件的加工時(shí)，需要正確使用刀尖圓弧半徑補(bǔ)償指令、選擇適當(dāng)?shù)木幊谭椒ā⑦m當(dāng)?shù)难a(bǔ)償方法、補(bǔ)償?shù)奈恢?，才能高效、穩(wěn)定地完成加工任務(wù)。

由圖示及上述分析，該繩輪和凸輪的加工難點(diǎn)為：①加工圓弧時(shí)，刀具選擇不當(dāng)，圓弧形狀和表面粗糙度難以保證。②使用刀尖圓弧半徑補(bǔ)償指令，補(bǔ)償?shù)奈恢缅e(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)會(huì)報(bào)警。③手工編寫合理簡(jiǎn)潔的程序比較困難。④加工圓弧時(shí)裝夾可靠性差，制定合理的裝夾工藝是編寫正確程序的基礎(chǔ)。

圖1

圖2

1.數(shù)控車床的刀尖半徑補(bǔ)償說明

刀具半徑補(bǔ)償?shù)倪^程分為三步：第一，刀補(bǔ)的建立。刀補(bǔ)的建立是指刀具從起點(diǎn)接近工件時(shí)，車刀圓弧刃的圓心從與編程軌跡重合過渡到編程軌跡偏離一個(gè)偏置量的過程，該過程必須與G00或G01指令一起使用才有效。第二，刀補(bǔ)的進(jìn)行。執(zhí)行有G41、G42指令的程序段后，刀具中心始終與編程軌跡相距一個(gè)偏置量。第三，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重合的過程。

車削時(shí)進(jìn)行刀尖半徑補(bǔ)償?shù)淖⒁馐马?xiàng)（以DASEN-3i系統(tǒng)為例）：

（1）在進(jìn)行刀尖圓弧半徑補(bǔ)償時(shí)，程序中有下列指令時(shí)，系統(tǒng)將報(bào)警：①G17 G19(補(bǔ)償中的平面與指定的平面不同時(shí))。②復(fù)合指令G74 G75 G76。③刀具半徑補(bǔ)償指令的建立與取消的程序有G02、G03圓弧插補(bǔ)指令時(shí)。④在處理干涉單節(jié)程序中，有一個(gè)單節(jié)程序執(zhí)行跳步時(shí)，交點(diǎn)無法求出。⑤預(yù)讀了有錯(cuò)誤的單節(jié)程序時(shí)。⑥在無干涉回避情況下有干涉產(chǎn)生時(shí)。⑦在沒有刀具半徑補(bǔ)償功能下指定刀具半徑補(bǔ)償時(shí)。

（2）確定刀尖進(jìn)行圓弧半徑補(bǔ)償時(shí)需要考慮以下幾個(gè)問題： ①刀尖半徑應(yīng)該適宜，應(yīng)該不大于加工圓弧。切削凹圓時(shí)，為了避免過切和編程出錯(cuò)，刀尖半徑R最好小于凹圓圓弧半徑的一半。②切削凹圓時(shí)，確定合適的補(bǔ)償距離（建立刀尖圓弧半徑補(bǔ)償?shù)淖鴺?biāo)應(yīng)該不小于工件坐標(biāo)+2倍刀尖半徑R）。③清楚刀具的車削軌跡，以便確定刀尖刀沿的位置，加工上述工件使用的是前置刀架的數(shù)控車床，因而，使用G42刀尖圓弧半徑右補(bǔ)償，使用8號(hào)刀沿位置。④車削凹圓時(shí)，取消補(bǔ)償?shù)奈恢煤蜁r(shí)機(jī)（避免發(fā)生碰撞）。⑤采用切線切入或法線切入方式建立或取消刀補(bǔ)。對(duì)于不便于采用沿上述兩種方式時(shí)，可根據(jù)情況增加一個(gè)輔助程序段。⑥為了防止刀具在刀具半徑補(bǔ)償建立與取消過程中產(chǎn)生過切現(xiàn)象，程序段的起始與終點(diǎn)位置最好與補(bǔ)償方向在同一側(cè)（車削凹圓時(shí)，該點(diǎn)最好在圓弧內(nèi)側(cè)）。⑦在刀具補(bǔ)償?shù)某绦蚨蝺?nèi)，在補(bǔ)償平面內(nèi)一般不允許存在連續(xù)兩段以上的非移動(dòng)指令，否則刀具也會(huì)產(chǎn)生過切現(xiàn)象。補(bǔ)償平面非移動(dòng)指令通常指：僅有G、M、S、F、T指令的程序段（如G90 M05）及程序暫停程序段（如：G04 X2.）。⑧在調(diào)用新的刀具前，必須取消刀補(bǔ)補(bǔ)償，否則會(huì)報(bào)警。

加工該繩輪時(shí)刀具進(jìn)行圓弧半徑補(bǔ)償?shù)能壽E見圖3。

（3）走刀軌跡說明：粗車刀從換刀點(diǎn)P快進(jìn)至子程序循環(huán)點(diǎn)（編程點(diǎn)A，刀尖圓心點(diǎn)B），經(jīng)過6次粗車刀具從C（編程點(diǎn)）、D（刀尖圓心點(diǎn)），快退至O點(diǎn)（過渡點(diǎn)），從此點(diǎn)退至換刀點(diǎn)P換精車刀，精車刀快進(jìn)至精車起點(diǎn)（編程點(diǎn)E，刀尖圓心點(diǎn)F），進(jìn)刀直線精車右側(cè)面，精車圓弧，直線精車左側(cè)面至G（編程點(diǎn)）、H（刀尖圓心點(diǎn)），快退至O點(diǎn)，從此退至換刀點(diǎn)，程序結(jié)束。

圖3

2.工件的加工方案——以繩輪為例

在數(shù)控機(jī)床上加工工件，合理的加工方案的確定是正確編寫程序的基礎(chǔ)，而方案的確定是以如何保證加工精度，提高生產(chǎn)效率，充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床優(yōu)勢(shì)為原則的。繩輪工件的方案需要裝夾三次。第一次： 首先采用自定心卡盤裝夾1/3毛坯長(zhǎng)度，加工繩輪右端面φ50mm臺(tái)階，繩輪大徑車至φ151mm。第二次：掉頭裝夾φ151mm處，加工繩輪左端面φ50mm臺(tái)階，保證工件長(zhǎng)度30mm，繩輪大徑車至φ151mm，鉆中心孔，使用φ28mm鉆頭鉆孔，最后精車φ30mm孔。轉(zhuǎn)序由數(shù)控線切割機(jī)床或插齒機(jī)加工鍵槽。第三次：?jiǎn)蝿?dòng)卡盤裝夾找正加工好的心軸，壓入方鍵，將繩輪裝入心軸，旋緊螺母。加工繩輪外徑至尺寸，兩端倒角；換圓弧粗車刀粗車圓弧，留余量0.2mm，換圓弧精車刀，精車圓弧。凸輪也參考繩輪的加工方案。

3.刀具的材料、結(jié)構(gòu)與幾何形狀

加工這兩種圓弧，選擇刀具十分關(guān)鍵，材料選擇不當(dāng)，不僅影響效率，在刀具磨損后，將影響圓弧的表面粗糙度和形狀。使用機(jī)夾可轉(zhuǎn)位成形車刀時(shí)，要選擇刀頭長(zhǎng)度大于繩輪槽深和凸輪高度的刀桿，以避免刀桿與圓弧發(fā)生干涉。使用YT15硬質(zhì)合金材料焊接式車刀加工圓弧，刀具刃磨和切削時(shí)刀具易崩刃。為了減少刀刃崩刃，建議不使用YT 類硬質(zhì)合金材料。根據(jù)工件加工時(shí)切削速度較低，在數(shù)控車床上可以連續(xù)充分使用切削液的實(shí)際情況，使得切削熱對(duì)刀具的影響大大降低，刀具的硬度和耐熱性可以作為次要衡量指標(biāo)，韌性（抗彎強(qiáng)度）作為首要指標(biāo)。刀頭材料可以選用鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金YT5；鎢鈷類硬質(zhì)合金YG6、YG8或鎢鈦鉭（鈮）鈷類硬質(zhì)合金YW1、YW2類材料。條件允許時(shí)，可以廣泛使用細(xì)晶?；虺?xì)晶粒的硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金。根據(jù)這兩個(gè)工件的加工數(shù)量和精度要求，使用兩把刀加工圓弧，其車刀圓弧半徑要適宜，刀頭半徑太小強(qiáng)度低，刀頭半徑太大徑向切削力大易振動(dòng)，并且易過切和報(bào)警，刀頭半徑可以選R=3!4mm。刀具結(jié)構(gòu)可以是機(jī)夾可轉(zhuǎn)位成形車刀或焊接式車刀，機(jī)夾可轉(zhuǎn)位成形車刀可以使用涂層硬質(zhì)合金刀片，刀片型號(hào)為R型。焊接式車刀由60°螺紋車刀手工刃磨成形，條件允許，可以使用數(shù)控線切割機(jī)床，將刀頭切割成形，再用油石研磨，降低切削刃的表面粗糙度值。實(shí)際加工時(shí)選擇的刀具材料為YW硬質(zhì)合金焊接式車刀，粗車刀使用YW2，精車刀使用YW1。圓弧刀的形狀及結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4

4.切削用量的選擇（以繩輪為例）

粗車：工件轉(zhuǎn)速n=150r/min；進(jìn)給量f=0.2mm/r；背吃刀量ap=4mm。

精車：工件轉(zhuǎn)速n=200r/min；進(jìn)給量f=0.1mm/r；背吃刀量ap=0.2mm；

5.繩輪工件的裝夾方法

為了提高裝夾剛度，圓弧加工前，φ30mm孔及鍵槽已加工完畢，采用圓柱心軸（見圖5）裝夾，不僅提高了裝夾可靠性，也能保證孔與圓弧的同軸度要求。凸輪的裝夾也可以參照繩輪的裝夾方法。

圖5

6.加工程序

加工這兩個(gè)圓弧，需要多次走刀，使用一般的編程方法，編程工作量大、程序內(nèi)容多且易出現(xiàn)錯(cuò)誤，但是坐標(biāo)容易計(jì)算和判斷。也可以使用調(diào)用子程序方式進(jìn)行粗車，能夠減少編程內(nèi)容，但是需要準(zhǔn)確計(jì)算出補(bǔ)償?shù)奈恢米鴺?biāo)，否則會(huì)出現(xiàn)圓弧小徑尺寸超差、切削軌跡出現(xiàn)錯(cuò)誤、報(bào)警等問題。

繩輪采用調(diào)用子程序的編程方法如下（數(shù)控系統(tǒng)為DASEN-3i）：

凸輪采用調(diào)用子程序的編程方法如下（數(shù)控系統(tǒng)為DASEN-3i）：

7.結(jié)語

在數(shù)控車床上加工工件，使用刀尖圓弧半徑補(bǔ)償指令時(shí)，因?yàn)檠a(bǔ)償?shù)臅r(shí)機(jī)和位置很難確定，在模擬仿真過程中是否過切不易判斷，導(dǎo)致實(shí)際加工時(shí)，出現(xiàn)工件輪廓錯(cuò)誤。需要選擇刀頭半徑合適的車刀，選擇補(bǔ)償?shù)奈恢茫屑?xì)仿真和校驗(yàn)程序并進(jìn)行試切。