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一文搞懂数控加工中的“刀具补偿”

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数控编程时中,通常会将刀具刀尖假想为一个点,加工时根据刀具实际尺寸,自动改变机床坐标轴或刀具刀位点位置,使实际加工轮廓和编程轨迹完全一致,从而实现“刀具补偿”。


01

数控车床用刀具的交换功能


1. 刀具的交换


指令格式一:T0101;该指令为FANUC系统转刀指令,前面的T01表示换1号刀,后面的01表示使用1号刀具补偿。刀具号与刀补号可以相同,也可以不同。

  

指令格式二:T04D01;该指令为SIEMENS系统转刀指令,T04表示换4号刀,D01表示使用4号刀的1号刀沿作为刀具补偿存储器。



2. 换刀点


所谓换刀点是指刀架自动转位时的位置。大部分数控车床,其换刀点的位置是任意的,换刀点应选在刀具交换过程中与工件或夹具不发生干涉的位置。还有一些机床的换刀点位置是一个固定点,通常情况下,这些点选在靠近机床参考点的位置,或者取机床的第二参考点来作为换刀点。



02

刀具补偿与刀位点



所谓刀位点是指编制程序和加工时,用于表示刀具特征的点,也是对刀和加工的基准点。数控车刀的刀位点如图所示。尖形车刀的刀位点通常是指刀具的刀尖;圆弧形车刀的刀位点是指圆弧刃的圆心;成形刀具的刀位点也通常是指刀尖。


03

刀具偏移补偿


1. 刀具偏移的含义


刀具偏移是用来补偿假定刀具长度与基准刀具长度之长度差的功能。车床数控系统规定X轴与Z轴可同时实现刀具偏移。


刀具几何偏移:由于刀具的几何形状不同和刀具安装位置不同而产生的刀具偏移。


刀具磨损偏移:由刀具刀尖的磨损产生的刀具偏移。


刀具偏移补偿功能示例:




FANUC系统的刀具几何偏移参数设置如图所示,如要进行刀具磨损偏移设置则只需按下软键[磨耗]即可进入相应的设置画面。图中的代码“T”指刀沿类型,不是指刀具号,也不是指刀补号。



2. 利用刀具几何偏移进行对刀操作


(1)对刀操作的定义

调整每把刀的刀位点,使其尽量重合于某一理想基准点,这一过程称为对刀。


(2)对刀操作的过程

①手动操作加工端面,记录下刀位点的Z向机械坐标值。

②手动操作加工外圆,记录下刀位点的X向机械坐标值,停机测量工件直径,计算出主轴中心的机械坐标值。

③将X、Z值输入相应的刀具几何偏移存储器中。



(3)利用刀具几何偏移进行对刀操作的实质

利用刀具几何偏移进行对刀的实质就是利用刀具几何偏移使工件坐标系原点与机床原点重合。


3. 刀具偏移的应用


利用刀具偏移功能,可以修整因对刀不正确或刀具磨损等原因造成的工件加工误差。例如:加工外圆表面时,如果外圆直径比要求的尺寸大了0.2mm,此时只需将刀具偏移存储器中的X值减小0.2,并用原刀具及原程序重新加工该零件,即可修整该加工误差。同样,如出现Z方向的误差,则其修整办法相同。


04

刀尖圆弧半径补偿


1. 刀尖圆弧半径补偿的定义


在实际加工中,由于刀具产生磨损及精加工的需要,常将车刀的刀尖修磨成半径较小的圆弧,这时的刀位点为刀尖圆弧的圆心。


为确保工件轮廓形状,加工时不允许刀具刀尖圆弧的圆心运动轨迹与被加工工件轮廓重合,而应与工件轮廓偏移一个半径值,这种偏移称为刀尖圆弧半径补偿。圆弧形车刀的刀刃半径偏移也与其相同。


2. 假想刀尖与刀尖圆弧半径


在理想状态下,我们总是将尖形车刀的刀位点假想成一个点,该点即为假想刀尖(图中的A点)。



在对刀时也是以假想刀尖进行对刀。但实际加工中的车刀,由于工艺或其他要求,刀尖往往不是一个理想的点,而是一段圆弧(如图中的BC圆弧)。


所谓刀尖圆弧半径是指车刀刀尖圆弧所构成的假想圆半径(图中的r)。实践中,所有车刀均有大小不等或近似的刀尖圆弧,假想刀尖在实际加工中是不存在的。



3. 未使用刀尖圆弧半径补偿时的加工误差分析


(1)加工台阶面或端面时,对加工表面的尺寸和形状影响不大,但在端面的中心位置和台阶的清角位置会产生残留误差,如图所示。



(2)加工圆锥面时,对圆锥的锥度不会产生影响,但对锥面的大小端尺寸会产生较大的影响,通常情况下,会使外锥面的尺寸变大,而使内锥面的尺寸变小,如图所示。



(3)加工圆弧时,会对圆弧的圆度和圆弧半径产生影响。加工外凸圆弧时,会使加工后的圆弧半径变小,其值=理论轮廓半径R–刀尖圆弧半径r,如图所示。



加工内凹圆弧时,会使加工后的圆弧半径变大,其值=理论轮廓半径R+刀尖圆弧半径r,如图所示。



4. 刀尖圆弧半径补偿指令


1)指令格式

G41 G01/G00 X_Y_F_;刀尖圆弧半径左补偿


G42 G01/G00 X_Y_F_;刀尖圆弧半径右补偿


G40 G01/G00 X_Y_;取消刀尖圆弧半径补偿


2)指令说明

刀尖圆弧半径补偿偏置方向的判别:


a)后置刀架,+Y轴向外

b)前置刀架,+Y轴向内


5. 圆弧车刀刀沿位置的确定


根据各种刀尖形状及刀尖位置的不同,数控车刀的刀沿位置如图所示,共有9种。


a)后置刀架,+Y轴向外

b)前置刀架,+Y轴向内

c)具体刀具的相应刀沿号

P–假想刀尖点 S–刀沿圆心位置 r–刀尖圆弧半径


部分典型刀具的刀沿号:


a)后置刀架的刀沿位置号

b)前置刀架的刀沿位置号


6. 刀尖圆弧半径补偿过程

刀尖圆弧半径补偿的过程分为三步:刀补的建立、刀补的进行、刀补的取消。

O0010;

N10 G99 G40 G21;

(程序初始化)

N20 T0101;

(转1号刀,执行1号刀补)

N30 M03 S1000;

(主轴按1000r/min正转)

N40 G00 X85.0 Z10.0;

(快速点定位)

N50 G42 G01 X40.0 Z5.0 F0.2;

(刀补建立)

N60 Z-18.0;

(刀补进行)

N70 X80.0;

(刀补进行)

N80 G40 G00 X85.0 Z10.0;

(刀补取消)

N90 G28 U0 W0;

(返回参考点)

N100 M30;


(1)刀补的建立

刀补的建立指刀具从起点接近工件时,车刀圆弧刃的圆心从与编程轨迹重合过渡到与编程轨迹偏离一个偏置量的过程。该过程的实现必须与G00或G01功能在一起才有效。


N50 G42 G01 X40.0 Z5.0 F0.2;

(刀补建立)


FC–刀补建立 CDE–刀补进行 EF–刀补取消


(2)刀补进行

在G41或G42程序段后,程序进入补偿模式,此时车刀圆弧刃的圆心与编程轨迹始终相距一个偏置量,直到刀补取消。


N60 Z-18.0;

(刀补进行)

N70 X80.0;

(刀补进行)


FC–刀补建立 CDE–刀补进行 EF–刀补取消


(3)刀补取消

刀具离开工件,车刀圆弧刃的圆心轨迹过渡到与编程轨迹重合的过程称为刀补取消,如图中的EF段(即N80程序段)。刀补的取消用G40来执行,需要特别注意的是,G40必须与G41或G42成对使用。


N80 G40 G00 X85.0 Z10.0;

(刀补取消)


FC–刀补建立 CDE–刀补进行 EF–刀补取消


7. 进行刀具半径补偿时应注意的事项


1)刀具圆弧半径补偿模式的建立与取消程序段只能在G00或G01移动指令模式下才有效。


2)G41/G42不带参数,其补偿号(代表所用刀具对应的刀尖半径补偿值)由T指令指定。该刀尖圆弧半径补偿号与刀具偏置补偿号对应。


3)采用切线切入方式或法线切入方式建立或取消刀补。对于不便于沿工件轮廓线方向切向或法向切入切出时,可根据情况增加一个过渡圆弧的辅助程序段。


4)为了防止在刀具半径补偿建立与取消过程中刀具产生过切现象,在建立与取消补偿时,程序段的起始位置与终点位置最好与补偿方向在同一侧。


5)在刀具补偿模式下,一般不允许存在连续两段以上的补偿平面内非移动指令,否则刀具也会出现过切等危险动作。补偿平面非移动指令通常指仅有G、M、S、F、T指令的程序段(如G90、M05)及程序暂停程序段(G04 X10.0)。


6)在选择刀尖圆弧偏置方向和刀沿位置时,要特别注意前置刀架和后置刀架的区别。

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