數控銑削加工中刀具補償的應用研究
2024-7-26 來源：南陽技師學院 作者：衛黨連
摘要：在數控銑床上進行輪廓加工時，由于刀具總有一定的半徑，刀具中心的運動軌跡并不等于所需加工零件的實際輪廓，因此在進行內輪廓加工時，刀具中心偏移零件的內輪廓表面一個刀具半徑值。而在進行外輪廓加工時，刀具中心又偏離零件的外輪廓表面一個刀具半徑值，影響到產品的加工質量。針對刀具補償需注意的內容進行整理，以降低數控銑削加工誤差，提高產品的加工質量。
關鍵詞：數控銑削加工；刀具補償；加工質量
0 引言
從目前的應用情況來看，在數控銑床加工過程中，經常使用到的刀具補償方法有刀具半徑補償與刀具長度補償兩種方法[1]。兩類方法在應用中擁有不同的優勢與不足，可結合具體的加工情況，來選擇恰當的刀具補償方法，以此來提高數控加工結果的合理性，加工出滿足質量要求的產品。
1、刀具補償的意義
受到各類因素影響，使得數控銑削加工過程中，容易出現誤差偏大問題，影響到產品加工質量的合理性[2]。而有了刀具補償功能后，可以按工件實際輪廓編程，而把刀具補償量在“刀具參數設定”界面內輸入數控系統，寄存在與刀具編號相對應的存儲器中，這樣在執行程序時，數控系統按預先存入的補償量、零件輪廓尺寸和補償方式指令自動計算出刀具中心軌跡，而且在磨損或重磨后，只需改變補償量，而不必修改已編好的程序。由此可見，刀具補償方法在數控加工技術中有著良好的應用價值。
2、刀具補償分類
2.1 半徑補償
2.1.1 常用方法
在數控裝置的應用中，如果其不具備半徑自動補償功能，在產品加工中，如果想要得到質量合格的零件，需要對刀具中心跡來進行合理編程，并且需要將刀具半徑計算到每一階段的程序當中，從而得到準確的數據計算結果[3]。在半徑補償活動中，會依托 ISO 標準中的相關內容，來假設工件在加工中處于不動的狀態，只有刀具進行運動。順延刀具運動方向來看，如果刀具正在切削輪廓左側時，此時刀具則正在進行半徑左補償。相對應的，如果刀具正處于工件切削輪廓右側位置，則表示刀具正處于半徑右補償。
2.1.2 工作過程
刀具半徑補償過程可以細分為以下 3 個階段：①建立刀具補償環境，其是指刀具啟動后，開始從起點位置逐漸接近工件，此過程中刀具中心會從和編程軌跡逐漸重合的狀態，逐漸過渡到和編程軌跡偏離某個偏置量的過程，刀具半徑左補償與刀具半徑右補償則會在程序段中有效[4]；②有序開展刀具補償活動，在完成刀具補償環境的建立后，其作用也會得到一直發揮，即刀具中心和編程軌跡一直處于某個偏置量，一直到刀具半徑補償活動結束后再恢復正常，在此情況下，半徑補償活動也一直處于有效的狀態；③刀具補償狀態的取消，等待上述所有補償活動結束后，此時程序則會取消刀具半徑補償，此時刀具半徑左補償與刀具半徑右補償指令都會處于無效的狀態。
2.2 長度補償
2.2.1 常用方法
在數控銑床運行中，其使用到的刀具長度處于不一致的狀態，受到刀具磨損、其他因素影響，會影響到刀具的實際長度，因此需要使用刀具長度補償指令來調整這些因素影響，保證刀具工作狀態的穩定性[5]。在整個長度補償過程中，可以使用自動補償的方法進行處理。在具體應用中，會將不同長度的刀具，來對刀具的操作過程進行差值獲取，過程中也會使用 MDI 方式來調整刀具長度參數與輸入刀具參數，從而影響到刀具長度的補償指令。總結以往的應用經驗，在刀具長度補償活動中，其涉及的指令包括刀具長度正向補償、刀具長度負向補償以及撤銷刀具長度補償指令。在長度補償活動中，也會將數字作為長度補償值的重要符號，而且在應用中也會提前設置補償量，并將其設置在操作面板當中對應的符號位置。而已經擬定好程序的數控裝置在運行到該程序段時，此時則會對刀具長度補償值來進行讀取，同時也會使用工具來對刀具軌跡進行計算，以保證刀具補償結果的合理性。
2.2.2 工作過程
刀具長度補償過程如下：①在程序執行刀具長度正向補償指令時，此時刀具刀位點會在指令推動下到達實際的點位置，而指令當中的指定點位置和長度補償寄存器順利相加在一起后，會將其抬起到某一固定值，以此來調整刀具長度；②在程序執行刀具長度負向補償指令時，此時刀具刀位點也會在既有程序推動下到達實際的點位置，此時會將指定點位置和長度補償寄存器進行相減處理，此過程則類似刀具可以直接延長一個長度補償值參數，以此為基礎來對刀具長度進行調整[6]；③在實際應用中，長度補償值也會將其設置為負值，此時在刀具長度正向補償時也會設置為負值，此時該指令則和刀具長度負向補償效果相一致，多結合實際情況來進行選擇，以保證最終的補償效果。
3、數控銑削加工中刀具補償應用要點
3.1 銑削半徑補償
3.1.1 做好編程工程
在半徑補償過程中，首要任務便是做好編程工作，這也是后續刀補過程順利進行的基礎條件。在實際應用中，為了避免刀具中心軌跡出現異常波動，在實際應用中也會使用零件輪廓尺寸編程來參與刀具補償過程。總結以往應用經驗可以得知，在對工件刀具中心軌跡進行計算時，其復雜程度相對較高，因此在實際應用中則可以直接應用刀具半徑補償，在補償作用下可以借助銑刀自動化移動，移動方向為被加工工件輪廓外側，位移距離為一個刀具的移動半徑，隨后再根據工具輪廓尺寸來進行編程，以此來作為半徑補償時的重要參考。并且在此情況下也不需要再對銑刀中心軌跡進行計算，簡化了整個計算過程。
3.1.2 粗加工與精加工
完成上述處理工作后，進入到粗加工與精加工環節，在該加工階段也需注意以下內容：在數控銑削加工過程中，會使用到同一個程序來控制整個加工過程，同時為了提高加工過程的可靠性，會使用同一把刀具來參與加工。在整個加工過程中，也會使用各種類型的刀具補償半徑值來滿足不同情況下的加工要求。并且在整個處理活動中，會根據實際需求情況來逐步減少相應的切削余量，以此來達到粗加工與精加工的目的。在具體應用中，也會使用半徑為 R 的刀具來作為主要生產工具，在進行粗加工時，所設置的刀具半徑值會設置為 R+d，其中 d 表示進行精加工時的具體余量。進入精加工環節時，也會繼續使用同一加工程序，從而完成零件的粗加工與精加工。
3.1.3 刀補值計算與補償
完成上述處理過程后，進入到刀補值計算與補償環節，一般情況下，在加工過程中，刀具會在磨損、重磨、換新刀的情況下，導致加工過程中出現刀具直徑發生變化，但是此過程中并不需要重新修改程序，只需要對其中的刀具參數進行調整，便可以滿足相應需求。在具體的生產活動中，如果出現刀具磨損或者刀具更換情況時，此時刀具的半徑尺寸也會出現變化，此時則需要對刀具半徑補償值進行計算，并根據得到的計算結果來科學設置刀具半徑值，從而解決刀具半徑變化問題。并且在調整刀具補償值之后，也會對整個零件的應用過程進行加工與修正，從而完成半徑補償處理，提高產品的生產質量。
3.2 銑削長度補償
3.2.1 進行科學編程
長度補償需要基于實際情況來做好相應的編程工作，這也是順利進行長度刀補的重要基礎。在實際加工活動中，為了避免刀具出現異常波動的情況，在具體的工件程序編寫中，需要基于標準刀具的標準長度，來進行長度編程的科學化設計。如果實際刀具長度與標準刀具長度出現不一致問題時，需要基于長度補償功能來完成刀具長度值的科學補償，而整個過程也不需要進行加工程序修改，這也為生產加工的順利進行提供良好參考。
3.2.2 粗加工與精加工
完成上述處理工作后，順利進入到粗加工與精加工階段，進入到該階段的處理過程中也需要注意以下內容：在整個數控銑削加工過程中，一直可以借助同一程序來對整個粗加工和精加工過程進行動態控制；而且為了保證加工結果的合理性，需要對整個切削深度來進行動態控制，整個過程也會需要做好試切加工控制，以滿足刀具長度補償需求。在整個加工過程中，會根據刀具的變化情況，在程序當中對于刀具的具體參數進行調整，使其能夠滿足切削余量的逐步減少要求，以滿足粗加工與精加工的相關要求。
3.2.3 刀補值計算與補償
完成上述處理工作后，開始對刀具長度補償值進行計算。在整個加工過程中，刀具會在磨損、重磨、換新刀的情況下，出現刀具長度縮減的問題。而整個補償過程也會依托零件實際輪廓編程來對相關參數進行調整，整個過程也不需要調整程序內容，在加工活動開始前基于加工深度要求，分層設置刀具長度補償數值，并且在加工過程中，需要對刀具長度補償值進行計算，并根據得到的計算結果來動態調整刀具長度值，減少刀具值變動帶來的影響。另外，在整個處理活動中，基于具體需求來分層銑削，直到獲取到所需要的加工零件。
4、數控銑削加工中刀具補償應用時的注意事項
4.1 半徑補償注意事項
使用刀具半徑補償時需要注意以下內容：①借助刀具半徑補償來對刀具加工過程進行調整時，需要保證刀具一直處于補償平面內來進行移動，而且刀具的移動距離也需要超過刀具的具體補償值，以得到良好的刀具半徑補償效果；②零件加工過程中，如果其半徑不超過刀具內圓弧半徑，在刀具補償過程中也會帶來過切削問題，影響到零件加工結果的合理性。一般情況下，在刀具半徑值的選擇中，需要將其控制在過渡圓角半徑的 80%~90%，以此來保證整個切削過程的穩定性；③被銑削槽底寬需要做好科學化控制，在整個控制活動中，如果被銑削槽底寬度值小于刀具直徑，此時也會帶來過切削問題，這也是補償時需重點關注的內容；④在刀具補償環境完成建立后，此時如果出現了不于兩段的移動指令，在整個補償活動中也將帶來過切問題，這也需做好參數控制工作，以提升刀具半徑補償效果；⑤刀具補償環境完成建立后，如果在加工過程中出現軌跡夾角偏移的問題，也會帶來過切問題，影響到產品加工質量，這也是開展活動中需重點關注的內容。
4.2 長度補償注意事項
長度補償需要注意以下內容：①在零件加工活動中，每進行一次換刀處理，都需要進行一次長補償，而且此項工作在編程活動中不能忽略，以保證零件加工結果的可靠性；②在長度補償時，刀具長度正向補償、刀具長度負向補償指令后不會再有長度補償號，這也需要采取其他措施來進行長度補償，以提高長度補償結果的合理性；③在長度補償中會使用到許多長度補償號與刀具，需要保證刀具號與長度補償號的一致性，防止兩者不匹配情況的出現，影響到最終的補償效果；④在前期參數設計中，需要做好工件坐標系的科學應用，各項參數都需要做好科學設定，保證相對位置布設結果的合理性；⑤在程序結束或者換刀前必須取消刀具長度補償。由于長度正補償使刀具抬高了一把刀具的長度，取消時導致刀具下行碰撞到工件或者夾具。
5、結束語
在數控機床銑削過程中，由于刀具在長期磨損后出現半徑變小、長度縮減等情況，而且在機床銑削中也會更換多種刀具，為保證機床銑削結果的可靠性，需要基于現場的實際情況來進行刀具補償。在具體的補償中，可以在加工環節來更換刀具半徑、長度補償值，以此來對加工工件外形尺寸、加工精度進行科學控制，保證工件加工質量。
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