數(shù)控可轉(zhuǎn)位車刀片的刀尖圓弧及半徑補償應用

1、數(shù)控可轉(zhuǎn)位車刀片的刀尖圓弧及半徑補償應用 一、問題的引入 數(shù)控車削中，可轉(zhuǎn)位車刀得到越來越多的使用?？赊D(zhuǎn)位機夾刀具使用有多個切削刃車刀片，當?shù)镀囊粋€切削刃用鈍以后，只要松開夾緊元件，將刀片轉(zhuǎn)一個角度，換另一個新切削刃，并重新夾緊就可以繼續(xù)使用；當所有切削刃用鈍后，換一塊新刀片即可繼續(xù)切削，不需要更換刀體。 可轉(zhuǎn)位刀片的刀尖一般存在刀尖圓弧，如型號為“VBMT110308ER”的硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片，“08”為刀尖圓弧半徑代號，表示刀尖圓弧半徑0.8mm。 如圖1，盡管一般認為車刀刀尖是主副切削刃的交點 (P)，但由于刀尖圓弧的存在，這個刀尖事實是不存在的刀具外虛構(gòu)點；盡管對刀時，一般把與刀刃相

2、切的X、Z向直線的交點(P)稱為對刀刀尖，并往往用它作為刀具、工件相對運動中代表刀具的刀位點，即編程軌跡上的動點，但這個對刀刀尖事實是也是不存在的，也是個虛點，這導致的一個問題是：刀位點所在的編程軌跡與刀具切削形成的工件輪廓并不總是一致，由此產(chǎn)生加工誤差的根源是：忽視主、副切削刃間事實存在的刀尖圓弧。 車刀片的刀尖圓弧為什么存在？如何對刀尖圓弧大小進行工藝選擇？如何解決對刀刀尖軌跡不能代表刀具切削輪廓的問題？這些是應用可轉(zhuǎn)位車刀實行數(shù)控車削必須解決的問題。 二、車刀片刀尖圓弧的存在及工藝選擇 （一）數(shù)控車刀片的刀尖圓弧的存在理由 如圖2，主、副偏角和刀尖角之和為180，三者相互變化，影響加工表

3、面的粗糙度、影響刀具對系統(tǒng)剛度的適應、影響刀具壽命。 減小主、副偏角，可降低已加工表面殘留面積高度，降低表面粗糙度值，提高表面質(zhì)量；減小主、副偏角則增大了刀尖角，可提高刀尖受力強度，使散熱性能變好，有利于提高刀具的耐用度。刀尖是整個刀具最薄弱的部位，刀尖處的強度差、散熱條件差、易磨損，是突出的矛盾，從這個角度看，固然希望減小主、副偏角。 一些因素又限制了主、副偏角減小的可能。減小主偏角，總切削力在吃刀方向上的分力（背向力）增大，減小副偏角，會增加副后刀面與工件之間的摩擦，主、副偏角的減小不利于系統(tǒng)剛度，容易引起振動和加工變形；另一個限制主、副偏角減小的原因是，切削工件時不應使刀具主、副切削刃干

4、涉工件輪廓。 可見，主、副偏角增、減各有利弊，若在主、副切削刃間用圓弧過渡，形成刀尖圓弧，不失為一種解決矛盾好的折中選擇，一方面它提高了刀具耐用度，一方面刀具可適當增大主、副偏角使切削對系統(tǒng)剛度適應良好，且在一定程度上降低殘留面積高度，有利于加工表面質(zhì)量。 （二）數(shù)控車刀片的刀尖圓弧的工藝選擇 數(shù)控車刀片刀尖圓弧半徑為重要的選擇參數(shù)。車削和鏜削中最常見的刀尖圓弧半徑是：0.4、0.8mm 、1.2等。 選擇刀尖圓弧半徑的大小時，工藝考慮有以下幾點：（1）刀尖圓弧半徑不宜大于零件凹形輪廓的最小半徑，以免發(fā)生加工干涉；該半徑又不宜選擇太小，否則會因其刀頭強度太弱或刀體散熱能力差，使車刀容易損壞。（

5、2）刀尖圓弧半徑應與最大進給量相適應，刀尖圓弧半徑宜大于等于最大進給量的1.25倍，否則將惡化切削條件，甚至出現(xiàn)螺紋狀表面和打刀等問題；另一方面，又要顧慮刀尖圓弧半徑太大容易導致刀具切削時發(fā)生顫振，一般說來，刀尖圓弧半徑在0.8以下時不容易導致加工顫振；（3）刀尖圓弧半徑與進給量在幾何學上與加工表面的殘留高度有關(guān)，從而影響到加工表面的粗糙度。殘留高度與刀尖圓弧半徑、進給量的關(guān)系可用下式表示：hf2/8r。式中：h為加工殘留高度？m；f為進給量mm/r；r為刀尖圓弧半徑mm?？梢娦∵M給量、大的刀尖圓弧半徑，可減小殘留高度，得到小的粗糙度Ra值。（4）刀尖圓弧半徑還與斷屑的可靠性有關(guān)。從斷屑可靠出

6、發(fā)，通常對?滋于小余量、小進給車加工作業(yè)可采用小的刀尖圓弧半徑，反之宜采用較大的刀尖圓弧半徑。（5）在CNC編程加工時，若考慮經(jīng)測量認定的刀具圓弧半徑，并進行刀尖半徑補償，該刀具圓弧相當于在加工輪廓上滾動切削，刀具圓弧制造精度和刀尖半徑測量精度應當與輪廓的形狀精度相適應。 三、車刀片以對刀刀尖作為刀位點的編程應用 在程序控制數(shù)控加工中，編程軌跡是代表刀具的刀位點在工件坐標系中的移動軌跡，在程序控制加工前應確定刀具在工件坐標系中的準確初始位置，出于刀具刀刃在X、Z坐標方向接觸對刀的方便性，常常把如圖1(b)中的對刀刀尖P作為刀位點，用它來代表刀具在編程軌跡上移動，但由于刀尖圓弧的存在，用對刀刀尖

7、代表刀具的刀位點卻在刀具之外，這就引起了實際刀具切削的輪廓與刀位點所在的編程軌跡存在誤差，下面將討論這種誤差如何影響加工精度。 （一）刀具車削直圓柱面及端面誤差分析 如圖3，以對刀刀尖為刀位點，刀具切削直圓柱面時，形成工件輪廓的刀刃B點雖然與刀位點P點不重合，但一前一后地在同一加工圓柱面上； 刀具切削直端面時，形成工件輪廓的刀刃A點雖然與刀位點P點不重合，但一上一下地在同一加工直端面上?？梢娦纬奢喞牡毒叩度猩系狞c雖然與刀位點不重合，但并未引起直圓柱面直端面的加工誤差，只是在階臺的根部與刀具圓弧大小一樣的圓角。因此，對臺階類圓柱形工件，當階臺根部允許這種圓面積角殘留，刀具以對刀刀尖為刀位點編程

8、加工是可行的。 （二）刀具車削錐面誤差分析 如圖4所示，以對刀刀尖為刀位點時，要加工的理想錐面輪廓線為CD，帶刀尖圓弧車刀片車削時，若對刀刀尖P點移動軌跡按照CD編程，用帶刀尖圓弧車刀實際切削出輪廓為D1C1，產(chǎn)生CDD1C1的區(qū)域殘留誤差。 （三）加工圓弧面的誤差分析與偏置值計算 以對刀刀尖為刀位點時，帶刀尖圓弧車刀片加工圓弧面和加工圓錐面基本相似。如圖5 分別加工的1/4凸、凹圓弧，理想輪廓CD， O點為圓心，半徑為R，對刀刀尖從C運動到D時，刀具實際切削出凸圓弧C1D1或圓凹弧C2D2，產(chǎn)生CDC1D1或CDC2D2殘留區(qū)域誤差。 四、以刀尖圓弧圓心為刀位點的半徑補償 （一）刀位點取在圓

9、弧圓心的理由 由上述分析可見，把對刀刀尖作為刀位點的編程應用的前提是：假定工件被切削輪廓軌跡是由刀具上的一個固定不變的點移動形成的，事實上，由于刀尖圓弧的存在，對刀刀尖的軌跡不能代表刀具切削形成的輪廓，尤其是在加工錐面和圓弧面時存在誤差。因此應在刀具上尋找一個更為恰當?shù)牡段稽c。 研究圖7a的帶刀尖圓弧刀具切削工件形成的輪廓可以發(fā)現(xiàn)：工件的輪廓是由刀尖圓弧上不同點切削而成的，或可理解為圓弧在輪廓上滾動切削，而不只是刀具上的一個固定不變的點移動形成輪廓。顯然圓弧上不斷變化著與輪廓相切的點都不具有代表刀具刀位點的可能性，但可以發(fā)現(xiàn)，不管與輪廓相切的點怎樣變化，圓弧的圓心始終與切削形成的輪廓保持一個半

10、徑的距離，只要圓弧的輪廓度準確，圓心偏離輪廓一個半徑是穩(wěn)定的，因此容易想到若要選擇刀尖圓弧的圓心為刀位點，并使編程軌跡偏離實際要加工的輪廓一個半徑，只要圓弧的圓度好，半徑準確，不管被加工輪廓是錐面還是圓弧面或是曲面，得到的加工輪廓是沒有誤差的。這就是具有刀尖圓弧的刀具在錐面、圓弧面、曲面輪廓精加工時，取圓弧圓心為刀位點半徑偏置編程的原因。 （二）找尋作為刀位點的圓弧圓心位置 盡管選擇圓弧圓心作為刀位點能夠解決錐面、圓弧面、曲面輪廓精加工的誤差，但在對刀時不容易直接測量得到；盡管刀位點在對刀刀尖時有錐面、圓弧面、曲面輪廓精加工的誤差，但對刀時容易用硬接觸法、試切法、光學對刀法等方法直接測量得到對

11、刀刀尖。 一般要尋找作為刀位點圓弧圓心位置，方法是通過一些信息間接地推算得到，這些信息包括（如圖6所示）：對刀刀尖相對工件的位置；圓心相對對刀刀點的方位信息；圓弧的半徑。 （三）數(shù)控系統(tǒng)的半徑補償功能 刀位點選擇在圓弧圓心時，編程軌跡應與理想的加工輪廓相距一個半徑，理想的加工輪廓是由尺寸標注準確確定，用手工計算的方法得到與之相距一個半徑的偏離軌跡是頗麻煩的事情，隨著數(shù)控系統(tǒng)軟件的不斷進步，當編程者給定理想的加工輪廓，給定偏離的半徑、偏離的方向，由CNC自動計算圓弧圓心所在的偏離軌跡是輕而易舉的事。 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)一般都有刀具圓角半徑補償器，具有刀尖圓弧半徑補償功能（即G41左補償和G42右補償功

12、能），對于這類數(shù)控車床，編程員可直接根據(jù)零件輪廓形狀進行編程。 （四）半徑補償應用 綜上所述，要成功地讓機床計算機能夠控制刀具的刀尖圓弧圓心準確地偏離被加工輪廓一個半徑進給運動，編程人和機床操作者要做如下工作： 編程人員：編程提供工件被加工輪廓軌跡、半徑補償?shù)钠鹬裹c；偏離的方向（G41向左、G42向右）、補償值的存儲地址信息（如：T0101）。操作人員：對刀測量對刀刀尖的幾何偏置補償值或調(diào)整對刀刀尖相對工件到指定的準確位置；測量或確認刀尖圓弧的半徑值；打開CNC的幾何尺寸偏置寄存器，如表1，填寫對刀刀尖的幾何偏置補償值、刀尖圓弧半徑、圓心相對刀尖的方位。 （五）示例 如圖7所示，數(shù)控車床用半徑

13、補償精車削如圖7a工件輪廓，刀具的刀尖圓弧半徑為0.8，刀尖圓弧半徑補償值的輸入方法參見表1，刀具切入輪廓的起點設在錐面輪廓的延長線上的一點，刀具切出輪廓的點設在倒角輪廓的延長線上的一點，并計算精加工路線的各點坐標如圖7b所示，按絕對坐標編制的加工程序為： O2007 N50 G00X37.5 Z35.T0101；（刀具接近輪廓并位置補償） N60 G42G00Z10.；（建立刀具半徑補償） N70 G01X57.81Z71.24；（N70N100為刀具半徑補償加工輪廓） N80 G02X77.656Z-80.； N90 G01X92.； N100 G01X108.Z-88.； N120 G0

14、0G40X200.；（取消刀具半徑補償） 表1刀具幾何尺寸偏置寄存器刀具補正/形狀 建立刀尖半徑補償、刀尖半徑補償加工輪廓、取消刀尖半徑補償?shù)倪^程如圖7a所示。應注意的是：激活刀尖半徑補償前，刀具應定位于要工件加工輪廓的附近，并使刀具與工件輪廓的距離遠大于刀尖半徑的兩倍，同樣，取消刀尖半徑補償?shù)攸c與輪廓的距離遠也應大于刀尖半徑的兩倍。 五、結(jié)語 綜上所述，從工藝的角度看，數(shù)控可轉(zhuǎn)位刀片的刀尖圓弧有基存在的理由,并要注意圓弧半徑的大小應與工藝要求、條件相適應。帶刀尖圓弧的可轉(zhuǎn)位刀片在編程應用有兩種方法： 第一種方法，忽略刀尖半徑圓弧的存在，以對刀刀尖作為刀位點，認為它進給運動形成加工的輪廓。其優(yōu)

15、點是編程和對刀操作方便，但在錐面，圓弧曲面的精加工中存在誤差。 第二種方法，考慮到刀尖半徑圓弧的存在，以圓弧圓心作為刀位點，認為它進給運動軌跡與加工形成的輪廓始終相距一個半徑。這種方法的優(yōu)點是：在錐面、圓弧面、曲面的精加工中能消除第一種方法引起的誤差，隨著CNC技術(shù)的不斷進步，這種方法的編程和對刀也越來越方便。 可見，帶刀尖圓弧的可轉(zhuǎn)位刀片的數(shù)控車刀，不僅可作為尖形車刀使用，而且可作為圓弧車刀使用，當在錐面、圓弧面、曲面的加工要求不高時、粗加工時、加工直圓柱面直端面時，刀具直接以對刀刀尖為刀位點，刀具用作尖形車刀；在加工要求高的錐面、圓弧面、曲面的精加工時，刀具應以刀尖圓弧圓心為刀位點，刀具用作圓弧形車刀。事實上，同一把帶刀尖圓弧的可轉(zhuǎn)位刀片的數(shù)控車刀，在同一個加工程序中，可時而用作尖形車刀，時而用作圓弧形車刀，從一種使用類型轉(zhuǎn)換到另一種