数控车削加工中刀尖圆弧的应用实践

电气技术与 自动化 张化锦 数控车 削加 工中刀尖 圆弧的应用 实践 数控车削加工中刀尖圆弧的应用实践 张化锦 泸州职业技术学院 机械 系 四川 泸州 6 005 摘要 在数控车削加工含有圆锥或圆弧面的零件时 刀尖圆弧会造成零件过切或少切现象 数控车床刀具的选择 合理编程和正确测算出刀尖圆弧半径是提高零件加工品质的重要保证 也可提高数控车床的应用效率 关键词 数控车床 刀尖圆弧 加工精度 刀尖半径补偿 测量 中图分 类号 T G 5 1 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 1 0 2 0 1 4 2 0 3 App l i c a t i o n o f To o l No s e Ar c i n CNC La t he Z H A N G H u a j i n D e p a r t me n t o f Me c h a n i c a l E n g in e e r i n g L u z h o u V o c a t io n a l T e c h n ic a l C o l le g e L u z h o u 6 4 6 0 0 5 C h i n a Ab s t r a c t Wh en man u f a c t ur in g t h e p a r t s u r f a c e s o f c o n e o r a r c b y CNC lat h e it ca u ees mo r e o r le s s c u t t i n g b e c au s e of t h e e x is t e n c e o f t h e co me r r a d i u s o f la t h e t o o 1 CNC l a t h e t o o l s e l e c t io n r e a s o n a b l e p r o gr a m a n d c o r r ect ly me a s u r i n g a n d c alc u la t in g c o me r r a d i u s n o t o n l y ar e ca r d e d o u t t h e imp or t a n t g u a r a n t e e t o impr o v e t h e q u a l it y o f ma c h i n in g p a ns b u t a ls o t o imp r o v e t h e e ffic i e n t u t il iz a t ion o f CNC l a t h e Ke y wo r ds CNC l a t h e t o o l n o s e ar c mac h ining ac cu r a c y c omer r ad i u s c o mp e n s a t ion me as u r eme n t 0 引言 数控车削加工具有高效率 高精度和高柔性的特点 为了更好的体现出它的应用性 需要综合考虑数控机床 刀具 夹具 数控加工工艺和编程等因素 现仅讨论刀尖圆 弧因素 在数控车床上使用的刀具 为达到提高刀尖强 度 降低被加工工件表面粗糙度 减缓刀具磨损 提高 刀具 寿命 通常将车刀刀尖 磨成 圆弧形 圆弧半 径一般 在 0 4 1 6m m之间 刀尖圆弧的存在对数控车床的加工效率 品质有重大 的影响 在选择使用刀具 编写加工程序和操作机床加工 零件的各个环节中 都要考虑刀尖圆弧半径的影响 1 车刀刀尖圆弧半径大小的选择 刀尖 圆弧大小主要有 以下两方面 的影响 a 粗加工 中的刀刃强度 为提高刀刃强度 尽可能选择较大刀尖半径 粗加工 时 常用刀片的刀尖半径在 I 2 1 6 m m之间 如有振动 倾 向 选择 稍小 刀尖半径 较 大刀尖半径可允许使用较大进给量 这样 可提 高粗 a l to效率 作为经验法则 进 给量可 选择 为 0 5 x刀 尖半径 一般最大进给量不超过刀尖半径的2 3 b 精加工 中的表面精度 表面精度和公差受 刀尖半径 和进 给量 的影 响 如 图 1所示 从图示中可以看出较大的刀尖半径和较小的进给 量有利于提高零件的表面品质 但较大的刀尖半径容易引 起振动 所以在精加工时往往选择较小的刀尖半径和较小 的进给量 至于零件的表面精度问题可通过提高切削速度 和利用刀具的几何角度来改善 图 1 表面精度受 刀尖半径的影响 2 在数控车削加工 中针对刀尖 圆弧 的对策 2 1 刀尖圆弧影响加工精度的原因分析 数控车床是按程序 自动运行来完成零件加工 的 数 控 车床的程序编制也将影响零件的加工精度 在编写数控 车削加工程序时一般是以车刀的刀尖 作为刀位 点 再按刀 位点沿零件表面轮廓编程 当车刀刀尖圆弧为零时 车刀 刀位点的运动轨迹与零件表面轮廓一致 在这种情况下 零件的加工尺寸由刀尖点决定 加工出的尺寸是准确的 但实际生产中 为了提高车刀尖的强度和耐磨性 车 刀刀尖制成圆弧 这就会对零件的加工精度造成较大的影 基金项 目 2 0 0 9年院级精品课程 数控加工工艺与编程 K C 2 0 0 9 0 5 作者简介 张化锦 1 9 6 4 男 四川简阳人 副教授 学士 从事数控加工工艺与编程的教学与研究 1 4 2 h t t p Z Z H D c h i n a j o u r n a 1 n e t c n E m a i l Z Z HD c h a i n a j o u ma 1 n e t c n 机械制造与 自动化 电气技术 与 自动化 张化锦 数控 车 削加工 中刀尖圆弧的应用 实践 响 在数控车床上对刀时 按零件的轴 向和径向对刀 决 定轴向对刀参数的是图2中的 1 点 决定径向对刀参数的 是2点 在程序编制中相对零件表面轮廓移动的刀位点只 有一个点 即程序中所描述的刀位点就是图中的假想刀尖 P点 这个 P点 实际不存 在 也就 不能 切削 所 以它不 能 决定零件的加工尺寸 而实际参加切削的是刀尖圆弧上的 动态切点 被加工 表 面与 车刀 刀尖 圆弧 的切点 为车 刀 在被加工零件上的成形点 由于假想刀尖 P点与圆弧 上 的 动态切点 之 间存 在差距 并 且差 值是 不 断变化 的 如果程序控制的刀位点 P的运动轨迹与零件表面轮廓一 致 时 实际加工轮廓与零件 表面轮廓之间就存在不 同程度 的误差 如 图 3所示 程序所描述 的刀位点 P沿零件表 面 轮廓 b c d e f g h i 移动时 在车削外圆b c d e 和 h i 段和端面 b a 时零件尺寸几乎不受影响 在加工圆锥面 e f 段时 实际 加工轮廓与零件表面理想轮廓之间存在少切现象 阴影就 是少切削的实体部分 即加工误差 在加工带圆弧面 g h 段 时 零件实际加工圆弧的半径发生了变化 出现阴影部份 的加工误差 当车刀 刀尖 圆弧半径发生变化 所产生的误 差也将发生改变 P 2 图 2圆弧 刀尖对 刀参数图 图3 加工轮廓与表面轮廓的误差 2 2 刀尖 圆弧影 响加 工精度 的解决方法 从上面对刀尖 圆弧影 响加 工精度的原 因分析 可知 由 于刀尖圆弧 的存 在 如果 程 序 中刀位 点 P 的刀具 路径 与 零件表面轮廓一致时就会造成零件的加工误差 反过来 要不出现加工误差就必须做到实际加工轮廓与零件表面 轮廓一致 显然此时刀位点 P的刀具路径与零件表面轮 廓就不 能一致 从 图 3可知 出现 的误 差都 是 由于刀 尖 圆弧造成 但 加工不 同类 型的表面时 产 生的误 差不 同 解决 的方 法也 不 同 在 b a 段加工 右端面 时 刀位点 P的刀具 路径 在过 轴线后还要 多移动一段 刀尖半 径 r 才 能把整 个端 面 的 材料去除 简易数控系统不具备刀具半径补偿功能 当零件精度 要求较高且又有圆锥和圆弧面时 只能由人工进行补偿来 消除刀尖半径 引起 的误差 人工 补偿方 法要 么按刀 尖 圆 Ma c h i n e B u i ld in g日 Au t o m a t i o n A p t 2 0 1 1 4 0 2 1 4 2 1 4 4 弧中心为刀具路径 要么在圆锥和圆弧面处进行局部补偿 修正刀具路径 再按新的刀具路径编程 这两种靠修改刀 具路径 的补偿方 法都存在共 同的缺点 刀具路径参数除 与 零件形状有关外 还 与刀尖 圆弧半 径和锥 度有 关 人工计 算很麻烦 而且当刀具半径变化后 需要重新计算刀具路 径参数并修改数控程序 不具有柔性 现代的数控车床绝大多数具有刀具半径 自动补偿功 能 在编程时不需要修改刀具路径 只需利用刀具半径补偿 功能就可按零件表面轮廓编程 大大简化编程过程 机床 在自动运行时 数控系统将自动修正刀位点的加工路径 达 到实际加工轮廓与零件 表面轮廓 在换刀或刀具磨损带来 刀尖半径尺寸变化时 也不需要修改程序 只需在数控系统 中修改刀尖半径值 就能加工出符合要求的零件 利用刀具半径补偿功能 既可保证零件加工精度 又为 编制程序提供了方便 在实际应用中要注意正确使用此功能 刀具半径补偿以及何种方式补偿 是由 G 4 0 G 4 1和 G 4 2决定 的 G 4 0为取消刀具 半径 补偿 G 4 1 是 刀具半 径 左补偿 即沿刀具 运动 方 向看 刀 具位 于工件 左侧 G 4 2 是刀具半径 右补偿 即沿 刀具运 动方 向看 刀具 位于工 件 右侧 在图 3中很容易错误地判断为刀具半径左补偿 在判断刀具半径补偿方式时 前置刀架的数控车床与后置 刀架的数控车床要在不同的视图中进行判断 定义为从不 在加工平 面内哪个坐标 轴 的正 方 向往 负方 向看 的哪个视 图 中判断 一般数控 车床只有两个坐标轴 在加工平面 内 的是 和 轴 不在 加 工 平 面 内哪 个 坐 标 轴是 虚 拟 的 Y 轴 从 Y轴正方向往负方向看 后置刀架的数控车床从俯 视图中判断半径补偿方式 而前置刀架的数控车床应该从 仰视图中判断 所以图 3所示应该为刀具半径右补偿 在编写程序时 要在刀具切人工件前建立刀具半径补 偿 否则会引起加工误差 在加工完成后要取消刀具半径 补偿 否则会影响后续对刀参数 由于刀具半径补偿的建 立或取消要在刀具移动过程中逐渐完成 并且在该移动段 端点才结束 所以 通常在切入工件前单独设置切入直线 段 在此段编入建立 刀具半 径补 偿指令 在 加工完 成后 单 独设置切出直线段 在此段编入取消刀具半径补偿指令 为简化数控车削编程 经常采用复合循环指令 但在利 用复合循环指令进行粗 加工 时 F A N U C系统 的刀具半 径补 偿是无效的 这样就会造成零件 上不 同类型表面上的精加 工余量相差较大 影响零件的表面粗糙度 实际中可分采 用两组刀具长度补偿值 第二组是准确的 第一组增 加一个 精加工余量 在程序中先用第一组刀具长度补偿值进行粗 精加工循环 此时的精加工相当于完成的是半精加工 在程 序中接着用第二组刀具长度补偿值再进行精加工循环 这 样既方便操作以能保证加工零件的表面品质 操作数控车床时 在数控系统面板上不仅要输入正确 的刀尖半径值 还要输入刀尖方位代号 因为假想刀尖 P 点相 对圆弧 中心 的方位 与刀具 移动方向有关 它直接影响 圆弧车刀补偿计算结果 半径补偿功能可以对由于刀尖圆弧引起的误差进行 补偿 但如果车刀刀尖的切削部分磨制成非圆弧刀尖将影 响零件的加工精度 为了提高数控车床 的加工精度和效 率 数控车床上广泛 采用机夹式可转位刀具 1 43 电气技术与 自动化 张化锦 数控 车削加 工 中刀尖圆弧 的应用实践 3 车刀刀尖圆弧半径的测算 在加工零件之前需要知道所使用刀具的刀尖圆弧半 径值 这可以查刀片参数表或现场测量计算获得 3 1 查刀片参数表 如果使用的是机夹式刀具可以从刀片的代号中获得刀 尖圆弧半径值 例如 刀片代号为 C N MG 0 9 0 3 0 8 一 P G 则代号 中的第 7位 0 8代表此刀片 的刀尖 圆弧半径为 0 8 m l n 当 刀尖磨损后和手工磨制刀具的刀尖半径值都只能测量 3 2 测量 目前 刀尖圆弧半径的准确值大多通过工具显微镜或 样板法测量 利用工具 显微镜测 量是把 刀具放在 工具显 微镜下 放大几十倍 后测出刀尖圆弧半 径 这种方法 较可 靠 直观 但实际使用中 它必须依赖显微镜测量 而工具 显微镜一般不能在生产现场使用 必须把刀具从机床上拆 下送计量室测量 在很多情况下是不允许或不经济的 样 板法是依靠一套离散的圆弧样板值逼近套取刀尖圆弧半 径 这种方法不够精确 更难以解决千变万化的手工磨制 刀具 的测量 这两种测 量方法都 与数控 车床加工 没有联 系 测量结果未必与刀具 实际加工 状况吻合 测量 结果 不 一 定符合 实际切削情况 3 3 测算 在数控车床上加工试件 再利用测量值计算出刀尖圆 弧半径值 如图4所示 为圆锥半角 利用圆锥面斜线 来测量刀尖半径值 细斜线为没有刀具半径补偿时假想刀 尖 P点轨迹 编程轨迹 实线为实际加工轮廓线 为了 便 于测量在右 端设置 了圆 柱面 D1 d 1比 D 1大一 个 固定 值 0 测量出D1 后 得出 d 2 Dl 0 2 Lt a n s 1 n 从 图 4中得出h c o s 2 图 4 测量值 算出刀尖圆孤半径值 图 5为局部放大图 D 曰 一 一 O A O B c o s 4 5 一 O t r c o s 4 5 C O S O s i n 4 5 s i n a r c o s d s i n a 图5放大 图 h O A r r C O S 9 s i n o t 一1 r s l n o 3 CoS 十 一l 从试件 上测量 出 D1 D 2和 L三 个尺 寸 通过 式 1 式 3 就可计算 出刀尖 圆弧半径值 下面是测算实例 程序中不设置刀具半径补偿 精加工程序的一部分如下 G0 0 X2 0 0 Z 2 0 G01 W 一7 0 G9 9F 0 1 U5 0 W 一1