刀具半徑補(bǔ)償在數(shù)控銑床加工中的精準(zhǔn)應(yīng)用
2023-8-18 來(lái)源： 上海市嘉定區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)校 作者：郟豪杰
摘要：在 FUNAC 0i 系統(tǒng)的數(shù)控銑床加工零件過(guò)程中，合理運(yùn)用刀具半徑補(bǔ)償功能可以對(duì)零件加工提質(zhì)增效起到重要作用。以典型數(shù)控銑床加工零件為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析精確使用“公式法”計(jì)算刀具半徑補(bǔ)償值保證零件的尺寸精度；對(duì)含有倒圓角或倒斜角的零件，精準(zhǔn)運(yùn)用 G10 指令結(jié)合“參數(shù)法”賦值刀具半徑補(bǔ)償進(jìn)而加工得到相應(yīng)的零件形狀輪廓。
關(guān)鍵詞：刀具半徑補(bǔ)償 數(shù)控銑床 G10 指令
1、刀具半徑補(bǔ)償?shù)母拍罴白饔?/strong>
1.1 刀具半徑補(bǔ)償?shù)母拍睢?/font>
在 FUNAC 0i 系統(tǒng)的數(shù)控銑床加工零件過(guò)程中，數(shù)控系統(tǒng)控制的是銑刀中心的運(yùn)動(dòng)軌跡，而用戶一般都是按圖紙尺寸以零件的輪廓來(lái)編制加工程序，因此需要一種能按零件輪廓編制的程序和預(yù)先設(shè)定的偏置參數(shù)，讓數(shù)控裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成刀具中心軌跡的功能，這就是刀具半徑補(bǔ)償功能。
根據(jù)規(guī)定，當(dāng)?shù)毒咧行能壽E在編程軌跡（零件輪廓）前進(jìn)方向的左邊時(shí)，稱為刀具半徑左補(bǔ)償，用 G41指令實(shí)現(xiàn)；當(dāng)?shù)毒咧行能壽E在編程軌跡（零件輪廓）前進(jìn)方向的右邊時(shí)，稱為刀具半徑右補(bǔ)償，用 G42 指令實(shí)現(xiàn)。取消刀補(bǔ)則用 G40 指令。在實(shí)際加工中，整個(gè)刀具半徑補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程分為建立刀補(bǔ)、執(zhí)行刀補(bǔ)、取消刀補(bǔ)三個(gè)階段[1]。
1.2 刀具半徑補(bǔ)償?shù)淖饔?/font>
在對(duì)零件進(jìn)行編程加工的過(guò)程中，采用刀具半徑補(bǔ)償功能，可以有效簡(jiǎn)化編程的難度與工作量。實(shí)際體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1）由于刀具半徑補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)了根據(jù)編程軌跡對(duì)刀具中心軌跡的控制，因此可以避免在加工過(guò)程中由于刀具半徑的變化（如刀具因損壞而換刀、刀具磨損等原因）而需要重新編程的麻煩，只需修改相應(yīng)的偏置參數(shù)即可。
2）由于零件輪廓在加工時(shí)往往不是一道工序能完成的，在粗加工時(shí)，一般都要為精加工預(yù)留一定的加工余量，而加工余量的預(yù)留就可以通過(guò)修改偏置參數(shù)實(shí)現(xiàn)，而不必為粗、精加工各編制一個(gè)程序，可以大大減少粗、精加工程序編制的工作量。
2、“公式法”精確修正刀補(bǔ)值保證尺寸精度
以學(xué)生在實(shí)訓(xùn)時(shí)的典型零件為例，兩個(gè)輪廓尺寸有嚴(yán)格的尺寸精度要求，分別是外輪廓尺寸 92+0.091+0.037和內(nèi)輪廓尺寸 18-0.016 -0.043。在實(shí)際加工中，學(xué)生往往會(huì)根據(jù)零件尺寸要求直接修改刀具半徑補(bǔ)償值來(lái)滿足零件的尺寸精度。因此，學(xué)生能熟練利用公式計(jì)算正確的刀具半徑補(bǔ)償值是影響零件合格的關(guān)鍵因素。在零件加工過(guò)程中，通常要按照粗、精加工的工藝順序依次完成，且對(duì)于每個(gè)輪廓，一般采用獨(dú)立的刀具半徑補(bǔ)償值，因此在粗加工外輪廓、內(nèi)輪廓時(shí)通常要預(yù)留精加工余量，并分別采用地址寄存器 D01 和D02，以“刀具半徑 + 精加工余量”刀具半徑補(bǔ)償值輸入相應(yīng)地址寄存器中來(lái)實(shí)現(xiàn)。如選用刀具直徑為 10 mm 的立銑刀進(jìn)行加工，輪廓單邊精加工余量預(yù)留 0.1 mm，地址寄存器中輸入粗加工刀補(bǔ)值 5.1 即可。
當(dāng)粗加工輪廓結(jié)束后，理論上零件輪廓尺寸與圖紙尺寸單邊有 0.1 mm 余量差值，但由于粗加工時(shí)切削量比較大，伴隨著機(jī)床的振動(dòng)，以及刀具、夾具、對(duì)刀精度等方面的因素影響，實(shí)際精加工余量的大小要經(jīng)過(guò)具體測(cè)量后才能得到。如果測(cè)量后零件的外輪廓尺寸為 92.32 mm，由于測(cè)量得到的是雙邊余量，因此最終精加工時(shí)刀具半徑補(bǔ)償修正值等于粗加工刀補(bǔ)值減去實(shí)際測(cè)量尺寸與圖紙尺寸中間值差值的一半。
對(duì)于內(nèi)輪廓來(lái)說(shuō)，由于粗加工后測(cè)量的尺寸通常是小于圖紙理想尺寸，因此精加工時(shí)刀具半徑補(bǔ)償修正值等于粗加工刀補(bǔ)值減去實(shí)際測(cè)量尺寸與圖紙尺寸中間值差值絕對(duì)值的一半。如零件的內(nèi)輪廓經(jīng)粗加工后，測(cè)得實(shí)際尺寸為 17.72 mm，那精加工刀補(bǔ)修正
經(jīng)過(guò)“公式法”精確修正刀補(bǔ)并完成精加工后，如果測(cè)量到的零件尺寸還存在偏差，還可以用相同的方法繼續(xù)修正刀補(bǔ)，并再次調(diào)用加工程序，直至完成加工。“公式法”比較適合初學(xué)者更深刻地理解刀具半徑補(bǔ)償在保證零件尺寸精度時(shí)的作用，在實(shí)際生產(chǎn)中更適合單件、小批量、精度要求較高的加工場(chǎng)合。
3、“參數(shù)法”精準(zhǔn)賦值刀補(bǔ)實(shí)現(xiàn)特征加工
倒圓角及倒斜角是零件上常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)特征，在以FUNAC 0i 系統(tǒng)為基礎(chǔ)的更高級(jí)的數(shù)控教學(xué)及校企合作生產(chǎn)加工時(shí)經(jīng)常需要面對(duì)這類特征加工。倒圓角及倒斜角的主要功能是去除零件毛刺，也能便于安裝和配合。加工倒圓角及倒斜角在數(shù)控車床上用 G01 或G02/G03 的插補(bǔ)功能指令非常容易實(shí)現(xiàn)，但在數(shù)控銑床上加工倒圓角或倒斜角就比較復(fù)雜。
在數(shù)控銑床加工中通常可以用三種方法實(shí)現(xiàn)：第一種方法是利用軟件自動(dòng)編程，編程省力，但后處理生成的程序比較冗長(zhǎng)，空刀行程較多，需要人為進(jìn)行優(yōu)化，難度大，且尺寸如果有變動(dòng)需重新編程；第二種方法是利用成形刀具直接加工，簡(jiǎn)單方便，但一種刀具只適合一種尺寸的圓角或者斜角，使用范圍較窄，零件尺寸越多，加工成本就越高；第三種方法是采用通用刀具如立銑刀或者球頭銑刀，靈活應(yīng)用宏程序中變量給刀具半徑補(bǔ)償?shù)刂焚x值來(lái)實(shí)現(xiàn)，程序短而精煉，只需改變相應(yīng)變量值就可以加工不同尺寸的圓角或者斜角，且能熟練編制基礎(chǔ)宏程序是職業(yè)學(xué)校學(xué)生踏上工作崗位的必備技能之一。
3.1 可編程參數(shù)輸入指令 G10
G10 為可編程參數(shù)輸入指令，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具半徑補(bǔ)償寄存器中的補(bǔ)償量進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)倒圓角或倒斜角的加工。G10 指令格式 如下：G10L12P_R_；其中 P 為刀具補(bǔ)償?shù)刂诽?hào)，R 為刀具半徑補(bǔ)償值。例如 G10 L12 P2 R6.；表示將數(shù)值 6 設(shè)定為刀具半徑補(bǔ)償量，放入刀具補(bǔ)償?shù)刂诽?hào) D02 中；G10L12 P5 R#1；表示將變量 #1 的值設(shè)定為刀具半徑補(bǔ)償量，放入刀具補(bǔ)償?shù)刂诽?hào) D05 中。在手工編程中，G10 是宏程序用以解決各種倒圓角、倒斜角以及其他必須使用刀具半徑補(bǔ)償?shù)募庸ぞ幊趟豢苫蛉钡?/span>利器 。
3.2 動(dòng)態(tài)參數(shù)修正刀補(bǔ)值
在數(shù)控銑床上加工零件時(shí)，編程者只要給出合適的參數(shù)并結(jié)合 G10 指令即可動(dòng)態(tài)改變地址寄存器中刀具補(bǔ)償值大小，從而實(shí)現(xiàn)零件上倒圓角和倒斜角的輪廓特征加工。
3.2.1 角度參數(shù)動(dòng)態(tài)修正刀補(bǔ)值加工倒圓角
譬如在零件外輪廓上加工 R 的倒圓角，為提高零件的加工工藝性，得到良好的表面粗糙度，建議采用球頭銑刀加工倒圓角。球頭銑刀加工倒圓角變量模型如圖 1 所示，設(shè)銑刀刀具直徑 D 為 #1 變量，倒圓角半徑 R 為 #2 變量，以初始角度 α 為自變量，角度變化區(qū)間為[0°，90°]，同時(shí)設(shè)定 α 為 #3 變量，刀具Z 向深度為 #4 變量，其參數(shù)值的大小為 #4=[#1/2+#2]sin[#3]-#2，刀具半徑補(bǔ)償量為 #5 變量，其參數(shù)值的大小為 #5=[#1/2+#2]cos[#3]-#2。在手工編寫(xiě)程序的時(shí)
候，以 α 為自變量，每 5°為一個(gè)增量，計(jì)算出相應(yīng)的Z 向深度變量 #4 和刀具半徑補(bǔ)償量 #5 參數(shù)值的大小，結(jié)合 G10 L12 P01 R#5；指令功能導(dǎo)入數(shù)控系統(tǒng)，使刀具每切削一層，便產(chǎn)生一個(gè)新的刀具半徑補(bǔ)償值，隨著初始角度從 0°~90°逐漸每 5°變大，刀具半徑補(bǔ)償變量不斷減小，Z 向深度也不斷減小，加工出沿輪廓等距的加工軌跡，從而實(shí)現(xiàn)切削軌跡的等距偏移，如此循環(huán)直至加工出整個(gè)倒圓角輪廓特征。
圖 1 球頭銑刀加工倒圓角變量模型
3.2.2 倒角長(zhǎng)度參數(shù)動(dòng)態(tài)修正刀補(bǔ)值加工倒斜角
譬如在零件外輪廓上加工 3×45°的倒角輪廓，為了教學(xué)需要，讓同學(xué)們更好地理解和掌握編程思路和技巧，建議采用平底銑刀來(lái)加工倒角輪廓。平底銑刀加工倒斜角變量模型如圖 2 所示，設(shè)銑刀直徑 D為 #1 變量；倒角直角邊長(zhǎng)度為 #2 變量，其初始值為3，變化范圍是從 3 逐漸減小到 0；倒角角度為 #3 變量，其始終為恒定值 45°；刀具 Z 向深度為 #4 變量，其參數(shù)值的大小為 #4=-#2tan[#3]；刀具半徑補(bǔ)償量為#5 變量，其參數(shù)值的大小為 #5=#1/2-#2tan[#3]。在加
工 3×45°倒斜角時(shí)，隨著倒角直角邊長(zhǎng)度依次遞減0.1，加工深度從底部 Z-3.到 Z0，刀具半徑補(bǔ)償變量#5 不斷變化并減小，結(jié)合 G10 L12 P02 R#5；指令功能導(dǎo)入數(shù)控系統(tǒng)，使刀具每切削一層，便產(chǎn)生一個(gè)新的刀具半徑補(bǔ)償值，隨著 #2 的變化，刀具半徑補(bǔ)償變量不斷減小，Z 向深度也不斷減小，加工出沿輪廓等距的加工軌跡，從而實(shí)現(xiàn)切削軌跡的等距偏移，如此循環(huán)直至加工出整個(gè)倒斜角輪廓特征。
圖 2 平底銑刀加工倒斜角變量模型
4、結(jié)語(yǔ)
通過(guò)本文兩個(gè)實(shí)例可以看出，在不同的場(chǎng)合下使用刀具半徑補(bǔ)償功能可以實(shí)現(xiàn)不同的加工效果。通過(guò)“公式法”精確計(jì)算并得到確切的刀補(bǔ)修正值，可以嚴(yán)格保證零件輪廓的尺寸精度；而利用“參數(shù)法”并結(jié)合G10 指令編制宏程序給刀具半徑補(bǔ)償值精準(zhǔn)賦值，就可以加工復(fù)雜內(nèi)外輪廓的倒圓角、倒斜角，甚至球面的加工等。雖然目前利用軟件自動(dòng)編制加工程序越來(lái)越普及，但手動(dòng)編程仍具有簡(jiǎn)潔、靈活、快速的優(yōu)勢(shì)。因此，在教學(xué)過(guò)程中，教會(huì)學(xué)生各種編程方法及技巧，不僅有益于他們深刻領(lǐng)會(huì)數(shù)控加工的專業(yè)知識(shí)，也能拓展學(xué)生的編程思路，靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，更能為同學(xué)們將來(lái)立足企業(yè)奠定良好的理論及實(shí)踐基礎(chǔ)。
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