高速切削中數(shù)控銑床的刀具半徑補(bǔ)償功能的研究與應(yīng)用

戶春影，宋江，張吉軍，韓霞

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319）

高速切削技術(shù)可以促進(jìn)制造工藝及制造裝備的更新?lián)Q代，使切削效率和切削質(zhì)量得到顯著提高，通過高速切削技術(shù)還可以可使加工成本、加工時(shí)間降低50%以上。高速切削技術(shù)加工為機(jī)械制造業(yè)帶來了一場(chǎng)影響深遠(yuǎn)的技術(shù)革命。但是高速切削作為一種先進(jìn)加工技術(shù)，采用傳統(tǒng)的編程思想和方法，勢(shì)必造成了一方面高速切削所固有的高效、高精度和低成本的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有在機(jī)械制造業(yè)中體現(xiàn)出來，另一方面，也嚴(yán)重制約了高速切削技術(shù)的推廣應(yīng)用。將數(shù)控加工中的刀具半徑補(bǔ)償功能引入高速切削過程中，可以解決這個(gè)問題。

數(shù)控系統(tǒng)控制的是刀具中心的運(yùn)動(dòng)軌跡，零件的加工可能要經(jīng)過粗加工、半精加工、精加工等步驟，每個(gè)工步的加工余量不同，會(huì)出現(xiàn)不同的刀心軌跡。如果按照刀心軌跡進(jìn)行編程，將給編程帶來不少的麻煩。數(shù)控系統(tǒng)一般具有刀具半徑補(bǔ)償功能，數(shù)控編程人員通常根據(jù)被加工零件輪廓尺寸進(jìn)行編寫程序，預(yù)先設(shè)定刀具偏置參數(shù)，給編程帶來極大地簡(jiǎn)化。

1 刀具半徑補(bǔ)償指令G40、G41、G42

1.1 含義

在編制數(shù)控銑床加工程序時(shí)，為了編程方便，通常將刀具假想成一個(gè)點(diǎn)（刀位點(diǎn)），認(rèn)為刀位點(diǎn)與編程軌跡重合，但實(shí)際由于刀具存在一定的直徑兩者并不重合。數(shù)控系統(tǒng)提供刀具半徑補(bǔ)償功能，根據(jù)所選用的刀具半徑和地址表中補(bǔ)償量，將編程零件輪廓數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成刀具中心軌跡[1]。

1.2 格式

G17/G18/G19 G41/G42/G40 G00/G01 X＿Y＿Z＿D＿；

G17：刀具半徑補(bǔ)償平面為XY 平面；

G18：刀具半徑補(bǔ)償平面為ZX 平面；

G19：刀具半徑補(bǔ)償平面為YZ 平面；

G41：刀具半徑左補(bǔ)償（左刀補(bǔ)）；

G42：刀具半徑右補(bǔ)償（右刀補(bǔ)）；

G40：取消刀具半徑補(bǔ)償；（G40、G41、G42 都是模態(tài)代碼，可相互注銷）

X，Y，Z：G00/G01 的參數(shù)，即刀補(bǔ)建立或取消的終點(diǎn)；

D：G41/G42 的參數(shù)，即刀補(bǔ)號(hào)碼（D00～D99），它代表了刀補(bǔ)表中對(duì)應(yīng)的半徑補(bǔ)償值。

1.3 刀具半徑補(bǔ)償?shù)呐袛喾椒?/h3>

“順著刀具運(yùn)行的方向”上看去刀具在工件的左面為左補(bǔ)償，使用G41 指令；刀具在工件的右面為右補(bǔ)償，使用G42 指令[2]。補(bǔ)償可以為“負(fù)”，當(dāng)?shù)毒甙霃窖a(bǔ)償取負(fù)值時(shí)，G41 和G42 的功能互換。

圖1 刀具半徑補(bǔ)償?shù)呐袛喾椒‵ig.1 Judgement method of cutter radius compensation

由于采用刀具半徑左補(bǔ)償時(shí)刀具自動(dòng)向左偏移一個(gè)半徑值，采用刀具半徑右補(bǔ)償時(shí)刀具自動(dòng)向右偏移一個(gè)半徑值，所以，順時(shí)針切削外輪廓或者逆時(shí)針切削內(nèi)輪廓時(shí)應(yīng)采用G41 指令，順時(shí)針切削內(nèi)輪廓或者逆時(shí)針切削外輪廓時(shí)應(yīng)采用G42 指令。

2 刀具半徑補(bǔ)償指令G40、G41、G42 的研究

（1）建立刀具半徑補(bǔ)償或者取消刀具半徑補(bǔ)償時(shí)，G41、G42、G40 指令必須與G00 或G01 指令共段，即使用G41、G42、G40 指令的程序段中必須同時(shí)使用G00 或G01 指令[3]。G41、G42、G40 指令不能與圓弧插補(bǔ)指令G02 或G03 共段，編程時(shí)出現(xiàn)這種格式就是不允許的G41/G42/G40 G02/G03 X＿Y＿Z＿D＿。

（2）切削零件之前建立刀補(bǔ)，切削完成脫離工件取消刀補(bǔ)，否則產(chǎn)生過切。由于建立刀補(bǔ)和取消刀補(bǔ)是在刀具移動(dòng)過程中進(jìn)行的，如果刀具接觸工件后建立刀補(bǔ)或脫離工件前取消刀補(bǔ)，勢(shì)必由于刀具偏移使切削形成弧線，給零件帶來過切，引起干涉現(xiàn)象[4]。所以，需要加入刀補(bǔ)建立的程序段和刀補(bǔ)取消的程序段。

（3）銑削外表面輪廓時(shí)，為了保證加工質(zhì)量，銑刀的切入和切出點(diǎn)應(yīng)沿零件輪廓曲線的延長線上切入和切出零件表面，而不應(yīng)沿法向直接切入零件，以避免加工表面產(chǎn)生劃痕，保證零件輪廓光滑[5-6]。如圖2 所示，建立、取消刀補(bǔ)時(shí)所運(yùn)行的直線段的長度要大于所要補(bǔ)償?shù)牡毒甙霃街?，否則補(bǔ)償功能不起作用。在OA 和OB 段直線長度大于刀具半徑值。圓弧插補(bǔ)方式銑削外整圓時(shí)當(dāng)整圓加工完畢時(shí)，不要在切點(diǎn)處退刀，而應(yīng)讓刀具沿切線方向多運(yùn)動(dòng)一段距離，以免取消刀補(bǔ)時(shí)，刀具與工件表面相碰，造成工件報(bào)廢。

圖2 刀具切入和切出時(shí)的外延Fig.2 Extension of cutting of cutting tool

（4）如果在零件的數(shù)控加工程序中，既有刀具長度補(bǔ)償又有刀具半徑補(bǔ)償（在控制器中補(bǔ)償）指令時(shí)，必須把含有長度補(bǔ)償?shù)某绦蚨螌懺诤邪霃窖a(bǔ)償?shù)某绦蚨吻懊?，否則半徑補(bǔ)償無效。

（5）在刀具半徑補(bǔ)償?shù)挠行?zhí)行過程中，不允許出現(xiàn)轉(zhuǎn)移加工G25/G26 指令、鏡像加工G11/G12/G13指令、比例縮放G51 指令。

3 刀具半徑補(bǔ)償指令的巧妙應(yīng)用

3.1 刀具半徑補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)粗精加工

工件材料為Q195，選用Φ5 的立銑刀，精加工余量為0.5 mm 在XK0816 數(shù)控銑床編寫粗、精加工程序。

圖3 數(shù)控銑床粗、精加工零件Fig.3 Coarse and fine processing parts of NC milling machine

O500

N0010 G54 G00 X0 Y0 Z10 M03 S1000；N0020 G41 G00 Z5 D01；（建立刀補(bǔ)，01 地址里存3 mm）

N0030 G01 Z-10 F90；

N0050 G01 Z-20 F90；

N0060 G20 N05.1；

N0070 G40 G00 X100 Y100 Z50 M03 S1200；N0080 G41 G00 Z5 D02；（建立刀補(bǔ)，02 地址里存2.5 mm）

N0090 G01 Z-10 F70；

N0100 G20 N05.1；

N0110 G01 Z-20 F70；

N0120 G20 N05.1；

另外，談及“月嫂+”，劉珺則興奮地說道，“剛剛舉辦的‘月嫂+’新品發(fā)布會(huì)，上百位媒體記者參與，反饋很好。高科技設(shè)備輔助月嫂決策的新服務(wù)模式得到了幾乎所有新手媽媽的認(rèn)可?！?/p>

N0130 G40 G00 X50 Y50；（取消刀補(bǔ)）

N0140 G28 X100 Y100 Z50；

N0150 M30。

3.2 刀具半徑補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)凸凹模加工

完成如圖4 所示模板零件的數(shù)控編程與加工（毛坯100X100X30）。

程序如下：

N0010 G01 G41 D02 X-40 Y-40 F100；（建立左刀補(bǔ)，02 地址里存8 mm）

N0020 Y35，C15；

N0030 X40，R15；

N0040 G01 Y-10；

N0050 G03 X15 Y-35 R25；

N0060 G01 X-40。

圖4 凸模零件Fig.4 Parts of punch

N0070 G40 G01 X-60 Y-60；（取消刀具半徑）

對(duì)于這個(gè)例子中如果子程序中修改刀具左補(bǔ)償指令G41 修改為G42，能實(shí)現(xiàn)凹模零件的加工。

O0100 程序段修改為：

N0010 G01 G42 D02 X-40 Y-40 F100。

4 結(jié)論

數(shù)控系統(tǒng)采取刀具半徑補(bǔ)償功能，編程人員不必計(jì)算刀具中心軌跡，使編寫程序變得直觀、簡(jiǎn)單；由于刀具磨損、更換也不需重新編程；可以采用同一程序代碼進(jìn)行粗、精加工；采用同一程序代碼進(jìn)行加工凸凹模具。針對(duì)刀具半徑補(bǔ)償功能進(jìn)行了研究，論證數(shù)控銑床編程時(shí)刀具半徑補(bǔ)償功能的作用。

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