刀具补偿在数控车床零件加工中的应用
摘 要：主要就数控车床加工中的刀具补偿，以及对数控车床不具备刀具半径补偿功能时的刀具补偿计算方法进行介绍。
关键词：加工、刀尖、刀具补偿
前言：
在数控车床的生产实际加工中，车内外圆柱、端面时不会产生误差能够达到高的加工精度，但车削锥面和圆弧时，即使编程、车床和刀具都没有问题，却还是会产生误差，未能达到加工精度，究其原因是由于刀具的刀尖不可能绝对的尖，总有一个半径不大的圆弧。因此加工时会产生误差，这时我们就要灵活利用刀具补偿功能进行补偿，这样不仅使编程变得简单、快捷，还可以达到高的加工精度，数控车床中刀具补偿分两类，一类是刀具偏置补偿，一类是刀具半径补偿。
一、提出问题
加工如图1所示的零件。工艺条件：工件材质为铝，毛坯为直径55mm,长70mm的棒料。
在编程、刀具、车床都正常的情况下加工出来的
零件外圆φ20、φ52尺寸能够达到所要求的加工精度，
但是加工出来的圆锥面和R6、R5圆弧却存在不同的误
差，圆锥面的误差在X轴上相差0.04226,Z轴上相差
0.07321，而R6、R5圆弧的误差大小在X、Z轴上都多
了一个刀具刀尖圆弧半径值。R4圆弧的误差大小在X、
Z轴上都少了一个刀具刀尖圆弧半径值。
二、分析解决问题：
当数控车床存在刀具补偿问题时，有如下几点：
（1）刀具偏置补偿，数控车床加工过程中，当需要用多把刀具加工工件时，编程时取其中一把刀为基准刀具，事先测出这把刀的刀尖位置和所要用的各刀具刀尖位置。编程时则取刀尖偏置作为编程原点，同时也是程序的起始点，而在加工中实际刀具移动轨迹是由刀具偏置补偿值控制的。即以刀架A为中心，如图2（a）可见，刀具偏置补偿包含刀具几何补偿值和磨损补偿值。
从图可以知道刀具偏置补偿存在两种偏移量，而在实际运用中将几何补偿值和磨损补偿值合起来存放在存储器
中，即X轴补偿值和Z轴补偿值。
刀具补偿功能是由程序指定的T
代码来实现的，它的补偿值如图2
（b）所示，格式为：Txxxx
式中：前二个‘xx’表示刀具编号；
后二个‘xx’表示刀具补偿号
刀具补偿号有两个作用，一个是选择刀具号对应的补偿值，并执行刀具偏置补偿功能；另一个是当刀具补偿号为00时则表示取消偏置补偿值，例如T0100，表示取消1号刀具当前的补偿值。
实际加工中，如果刀具磨损或工件尺寸有误差时,只要修改每把刀具相应存储器中的数值即可。例如,某工件加工后,外圆直径比要求的直径大(或小)了0.02mm,则可以用U-0.02(或U0.02)修改相应存储器中的数值;当长度方向尺寸有偏差时,修改方法类同。因此，刀具偏置可以根据实际需要分别或同时对刀具轴向和径向的偏置实行修正，修正的方法是在程序中事先给定各刀具及其刀具补偿号，每个刀具补偿号中的X向刀补值和Z向刀补值，由操作者按实际需要输入到数控装置，每当程序调用这一刀具补偿号时，该刀补值就生效，使刀尖从偏离位置恢复到编程轨迹上，从而实现刀具偏置量的修正。
数控车床的刀具结构如图3示，P点假设为刀尖，S为刀尖圆弧的圆心，r为刀尖圆弧的半径，A为刀架中心的参考点。
左图可以知道数控车床的加工控制点是刀架的中心，所以刀具偏置补偿始终需要。刀具偏置补偿是用来实现刀尖圆弧中心轨迹与
刀架的参考点之间的转换，对应图A与S之间的转换，
但是实际上我们不能直接测得这两个中点之间的距离
矢量，而只能假设刀尖P点与刀架的参考点A之间的
距离。假设刀具半径r=0,可采用刀具长度测量装置测
出假设刀尖点P相对于刀架中心A的参考点坐标XPA
和ZPA，并存入刀具参数中。
XPA=XP-X ZPA=ZP-Z 式(1)
式中：(XP,ZP)¬¬假想刀尖P点的坐标，(X, Z)刀架中心的参考点A的坐标
刀具偏置补偿的计算公式：
X=XP-XPA Z=ZP-ZPA 式(2)
假设刀尖P的坐标为（XP,ZP）而实际上则是加工零件轨迹点的坐标，这些可从加工程序中获得。因此，零件轮廓轨迹经式（2）补偿后，即可通过控制刀架中心的参考点A来实现。
假设图3的刀具半径r≠0，刀具偏置补偿时，就需要考虑到刀尖圆弧半径的补偿值。
（2）刀具半径补偿，车床是按车刀的刀尖对刀的，实际中，由于刀具产生磨损及在精加工时车刀刀尖磨成半径不大的圆弧，因此车刀的刀尖不可能绝对的尖，实际起作用的切削刃是刀具圆弧的各切点。这时如果按假设刀尖轨迹编程，在切削内外圆及端面时，刀尖圆弧不影响加工尺寸精度和形状精度，即实际切削刃的轨迹与工件轮廓轨迹一致。切削圆锥面和圆弧时，就会使刀具的加工轨迹与编程轨迹不相合，从而产生一定的误差值。
如图4示，会使零件表面产生欠切或
过切现象。并且刀尖圆弧有半径补偿
和无半径补偿时的轨迹。从图4也可
以看出，如果假设用刀尖P的坐标来
编程时，刀具圆弧中心轨迹如图4点
划线所示，这样会使实际刀具加工轨迹与被加工工件要求的轮廓形状存在误差，误差的大小和圆弧半径r有关。如果用刀具圆弧中心编程并使用半径补偿功能时刀具圆弧中心的轨迹是图4的细实线，则会使实际刀具加工轨迹和被加工工件要求的轨迹重合。
四、总结
刀具补偿功能在数控车床生产加工零件时是不可缺少的，合理利用刀具补偿在编程时只要按照零件给定的轮廓尺寸编程，加工时只要知道实际的刀具长度、刀具的半径和确定补偿值的正、负号，把这些相关的刀具参数输入到相应存储器中，当换刀或刀具磨损带来刀具尺寸参数变化时，只要修改每一把刀具存储器内相应的数值即可，这样虽然还是原来的程序和车床，却还是可以保证加工精度，确保生产加工的质量，大大提高生产效率。
五、参考文献
［1］ 谢晓红主编 《数控车削编程与加工技术》,电子工业出版社 2005
［2］ 高凤英主编 《数控车床编程与操作切削技术》，东南大学出版社 2005
