浅析数控车削加工中的刀具半径补偿

王刘菲+曹著明+纪文龙

摘要：本文全面介绍了在数控车削加工过程中的刀具半径补偿产生的原理和解决方案。数控车刀具半径补偿是数控系统中的重要功能，正确地使用该功能，能有效保证产品质量并提高生产效率。通过在数控车削加工中的刀具半径补偿原理分析，介绍了在编程刀具半径补偿中的使用方法。在实际车削加工过程中，由于不同种类的刀具在尺寸、形状上是不一样的，在加工中会产生欠切、过切的加工误差。因此，在数控车削加工中加入刀具半径补偿指令，数控机床能根据实际使用的刀具尺寸及规格，自动调整个刀具的走刀轨迹，避免欠切和过切现象的产生，同时能提高编程效率并保证零件的加工质量和精度。所以，通过刀具半径补偿能实现，在数控编程时根据刀具中心的轨迹进行编程；在数控系统中先设定偏置的相关参数，数控系统就能自动计算轮廓轨迹，使刀具加工出符合图纸要求的合格零件。

关键词：数控车削加工；刀具半径补偿；原理；方案

中图分类号：G712 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）15-0184-02

一、刀具半径补偿产生的原因

如图1所示，实际数控车刀刀尖和理想数控车刀刀尖的是存在区别的，理想刀具的刀尖处是一个点，但在实际切削过程中使用的数控车刀的刀尖为圆弧形状，主要是为了提高刀尖强度和刚性，提高被加工零件的表面质量。因此，数控车刀的刀尖一般设计为圆弧过渡刃。一般的机夹车刀刀片（不重复磨削）的刀尖处均设计为圆弧形状，且将半径值标注在刀片上；即使是重复磨削的车刀，其实际刀尖处还将是圆弧形状，绝对的刀尖“尖角”是不可能存在的。因此，所谓的刀尖只是一个“假想刀尖”，实际车刀均有刀尖半径，即在车刀刀尖部分存在一段圆弧，构成假想圆的半径值。

在数控车削编程时，主要是让刀具上的刀位点沿着工件轮廓形状进行程序编制。那么，车刀的刀位点一般情况下指的是刀尖圆弧的圆心点或假想刀尖点（理想状态下）。但在实际加工中使用的车刀，由于数控车削加工工艺和结构要求，刀尖处是一个理想点是不可能存在的，而是一段圆弧形状。当车削端面轮廓或车削与轴线平行圆柱面时，零件尺寸和形状不会受到刀尖圆弧的影响；但若加工其他与轴线不垂直或不平行的轮廓时，由于在车削过程中刀具的切削点是在刀尖圆弧上变动的，这将使零件得加工尺寸和形状产生误差，造成欠切削或过切削现象。这种由于车刀刀尖圆弧产生的尺寸及形状误差，可以通过刀具半径补偿功能来补偿。在数控车削加工过程中，编程人员一般按照零件的轮廓进行程序编制。由于刀具存在一定的半径是必然存在的，在加工锥面或者圆弧面等零件零件时，实际轮廓与刀具中心的运动轨迹将不完全相同，而将根据刀尖半径尺寸在加工轨迹上进行相应的延伸或者缩短，从而保证加工精度，这就是所谓的数控车削刀具半径补偿。

二、数控车削刀具半径补偿指令

刀具半径补偿能实现在控制刀具中心的轨迹按照零件轮廓来编制程序，同时在刀具半径发生变化时（如刀具磨损），可对刀具半径作出相应的补偿，而不需要调整程序从而保证零件的加工精度。刀具半径补偿指令有三个，分别是G40、G41、G42。其中G40指的是：取消刀具半径补偿。其中G41指的是：刀具半径左补偿，在车削时沿着走刀方向看，刀具在零件左侧偏置进给。其中G42指的是：刀具半径右补偿，在车削时沿着走刀方向看，刀具在零件右侧偏置进给。

刀具左补偿（G41）和刀具右补偿（G42）的判断方法为：从与加工坐标轴构成的平面相垂直的坐标轴的正方向往负方向看，沿着刀具的走刀方向，刀具在工件轮廓轨迹的左边时，用G41——刀具半径左补偿；从与加工坐标轴构成的平面相垂直的坐标轴的正方向往负方向看，沿着刀具的走刀方向，刀具在工件轮廓轨迹的右边时，用G42——刀具半径右补偿。根据该判断方法，在车削加工内轮廓时应使用刀具左补偿指令——G41；在车削加工外轮廓时应使用刀具右补偿指令——G42；在车削加工结束时应使用G40取消半径补偿。

三、刀具半径补偿流程

数控机床具有了刀具半径补偿功能，既可以保证机床的高精度，又可以极大地简化编程工作量。无论哪一类的刀具半径补偿技术，在使用中都需要建立刀补、执行刀补、取消刀补三个步骤。建立刀具半径补偿：刀具在起刀点移动至加工工件时，G41（刀具左补偿）或G42（刀具右补偿）将确定刀具的补偿方向，然后将伸长或缩短一个距离（在原来程序产生的轮廓轨迹的基础上），这个距离的数值就等于车刀刀尖半径值。执行刀具半径补偿：刀具半径补偿被建立后，这种状态将得到保持，直到刀具半径补偿功能被取消为止。在执行刀具半径补偿期间，被加工零件的轮廓将始终距离刀具的中心轨迹一个刀具半径值的距离。取消刀具半径补偿：在车削加工结束时，刀具需要离开工件回到退刀点，此时必须取消刀具半径补偿功能，防止执行其他不需要半径补偿功能的程序时，还留有半径补偿功能从而导致误差。同建立刀具半径补偿的过程相似，取消半径补偿时的退刀点的位置一般设计在被加工零件轮廓之外，同时还应距离被加工零件轮廓的退出点较近的位置或者设计在零件轮廓延长线上，根据需要也可设置成与起刀点相同。

在数控车削系统自动进行刀具半径补偿时，刀尖圆弧半径、刀位点的变化都不影响编程，都是用同样的方法——按零件图纸上的轮廓轨迹直接进行编程，在车削零件轮廓前加入刀具半径补偿指令；在车削加工结束后取消刀具半径补偿指令。在数控车削加工时，数控系统将根据程序中的刀具半径补偿指令自动偏置相应的距离，确保切削刃的轨迹与零件图纸的轨迹一致。数控车刀具补偿功能的建立需要输入两个参数，分别是刀具号和刀具半径补偿值地址两项。在FANUC数控系统中T表示刀具调用，格式为：T****。T后面用四个数字表示，前两个**表示刀具号，后两个**表示刀具补偿值地址号。如T0202表示使用第2号刀具，和第2号刀具补偿值地址的值。当输入的刀具补偿号为00时表示取消刀具半径补偿。刀具半径补偿的主要内容包括如下。

1.刀具半径补偿参数。在数控车削刀具半径补偿中一共用到4个参数，刀具半径补偿号对应刀具位置补偿坐标（X和Z值）和刀尖圆弧半径补偿值（R：刀尖半径和T：刀尖位置号）。这四个参数应在加工之前输入到相应的存储位置（OFFSETTING/形状）。在执行数控程序的过程中，数控系统将自动补偿刀具移动的相关偏差（具体补偿量由X、Z、R、T四个参数来确定），进行刀具半径补偿，加工出合格的零件。

2.刀具圆弧半径补偿；在编写数控车削程序时，车刀的刀尖被想象成一个点进行编程，但实际上为了降低工件表面粗糙度值和提高刀具的使用寿命，车刀刀尖被设计成半径不大的一个过渡圆弧，这个过渡圆弧会导致被加工零件产生误差。同时数控车削加工时影响零件的加工尺寸的因素还有：刀尖圆弧所处的位置（车刀刀尖指向）、车刀的形状、尺寸等。车刀刀尖所指的方向称为刀尖方位，用0～9的数字来表示。其中内孔车刀对应的刀尖位置号为2，外圆车削时对应的刀尖位置号为3。因为有刀具半径补偿功能，这些问题都能通过调整相关参数得到解决。

3.刀具位置补偿。在实际车削加工过程中，当重新安装车刀或者长期使用刀具后将会使刀具的机械坐标值产生变动，由于有了刀具半径补偿功能，就不需要修改加工程序同样也能加工出合格的零件。具体操作步骤为先将每把刀具的机械坐标值测出，然后在数控系统指定的存储位置存储机械坐标值，这样，在执行刀具补偿指令时刀具的实际坐标值将代替原来的机械坐标值。

四、小结

在进行数控车削刀具半径补偿时，应注意如下几个事项：G41、G42不能与G02、G03写在同一个程序段，可与G00、G01连用；在建立、取消刀具半径补偿的程序段内，G40、G41、G42数控指令必须与G00或G01指令写在一个程序段内；当输入刀具半径补偿值地址的值为负值时，G41和G42的功能发生转换；车削零件轮廓前应建立好半径补偿，加工完零件后应取消半径补偿；G40、G41、G42都是模态代码，可相互注销；在切入工件之前，应建立好刀具半径补偿，同时应保证直线移动的距离不为零；在切出工件之后应撤销刀具半径补偿。若需要改变刀具半径补偿值时，应在撤销刀具半径补偿状态的情况下改变相关参数；G40与G41、G42必须成对使用；在刀补进行阶段避免刀具作Z轴运动。

参考文献：

[1]许镇宇.机械零件[M].北京：高等教育出版社，1983.

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