关于数控铣削加工中刀具半径补偿问题的探讨
作者：许飞邢 殷亦男
来源：《读写算·基础教育研究》2017年第21期
【摘要】 本文主要是关于数控铣削加工中刀具半径补偿问题的探讨。刀具半径补偿是数控铣削加工中的常用功能，本文就数控铣削加工中刀具半径补偿的建立和取消、刀具半径补偿量的指定和计算方法、刀具半径补偿功能的应用等进行了介绍。 【关键词】 数控铣削 刀具半径补偿 探讨 1.刀具半径补偿功能的简介
在轮廓加工过程中，由于刀具总有一定的半径（如铣刀半径或线切割机的钼丝半径等）， 刀具中心的运动轨迹与所需加工零件的实际轮廓并不重合。在进行外轮廓加工时，刀具中心又偏离零件的外轮廓表面一个刀具半径值。这种偏移，称为刀具半径补偿。 1.1一般编程方法
无论是车削还是铣削，在对轮廓加工时，用刀具半径补偿功能可以简化编程。当车削加工时，若采用假象刀尖作为刀位点，在加工锥度或圆弧时，会产生欠切或过切现象。
用立铣刀进行轮廓铣削时，由于刀位点在铣刀底面与回转中心的交点处，只有当刀位点与轮廓偏离一个刀具半径时，才能加工出合格的尺寸来。
具备刀具半径补偿功能的数控系统，编程时不需要计算刀具中心的运动轨迹，只按零件轮廓编程。使用刀具半径补偿指令，并在控制面板上手工输入刀具 半径，数控装置便能自动地计算出刀具中心轨迹，并按刀具中心轨迹运动。即执行刀具半径补偿后，刀具自动偏离工件轮廓一个刀具半径值，从而加工出所要求的工 件轮廓。操作时还可以用同一个加工程序，通过改变刀具半径的偏移量，对零件轮廓进行粗、精加工。
在数控铣床上进行工件轮廓的数控铣削加工时，由于存在刀具半径，使得刀具中心轨迹与工件轮廓（即编程轨迹）不重合。如果数控系统不具备刀具半径自动补偿功能，则只能按刀心轨迹，即在编程时给出刀具的中心轨迹点划线轨迹。其计算相当复杂，尤其是当刀具磨损、重磨或换新刀而使刀具直径变化时，必须重新计算刀心轨迹，并修改程序。这样既复杂繁锁，又不易保证加工精度。现代CNC系统均具有刀具半径补偿功能，维修人员只需要按工件加工轮廓进行数值计算和编写程序，系统能根据输入的刀具直径计算刀具中心轨迹坐标，指令刀具偏
离工件一个刀具半径值的距离，即进行刀具半径补偿。刀具半径补偿功能是简化编程的重要手段。本文主要是关于数控铣削加工中刀具半径补偿问题的探讨。刀具半径补偿是数控铣削加工中的常用功能，本文就数控铣削加工中刀具半径补偿的建立和取消、刀具半径补偿量的指定和计算方法、刀具半径补偿功能的应用等进行了介绍。 2.刀具半径补偿计算 2.1.刀具半径补偿原理
从原理上讲，只要根据零件轮廓计算出刀具的中心轨迹，并按中心轨迹编写数控加工程序，就可以加工出合格的零件来。至于计算手段，可以是人工演算，也可以是通过计算机辅助计算。显然，人工演算的计算工作量很大，特别是较复杂的计算过程极容易出错，且效率很低。这里提到的计算机辅助计算，就是利用数控系统中控制软件自动进行这种补偿计算，从而为数控加工程序的编写提供了极大的方便。
对于同一条刀具中心轨迹，刀具的运动方向有两个，为了便于分析问题，ISC标准规定：沿编程轨迹（零件轮廓）前进方向看去，当刀具中心轨迹始终在编程的左边时称为左刀补，用指令G41表示，轮廓内部虚线轨迹。反之，当刀具中心轨迹在编程轨迹的右边时称为右刀补，用指令G42表示，轮廓外部虚线轨迹。当不需要进行刀具半径补偿时，可用指令G40来撤销由G41或G42建立的刀具半径补偿。 2.2 刀具半径补偿的相关问题 2.2.1.刀具半径补偿量的变化
在刀具半径补偿代码中输入的刀具半径补偿量是一个标量数值，而数控系统内部认定的补偿量是一个补偿矢量，补偿矢量由数控系统自行计算。补偿矢量的大小与刀具补偿代码指定的补偿量相等，其方向在每个程序段中随刀具的移动不断变化。
刀具半径补偿量的变化一般在换刀时出现。对连续的程序段，當刀具半径补偿量变化时，某一程序段终点的矢量（同时也是下一程序段起点的矢量）要用该程序段指定的刀具补偿量进行计算。
2.2.2刀具半径补偿量的正负与刀具的刀心轨迹
在数控程序的编制中，一般我们把刀具的半径补偿量在补偿代码中输入为正值（+ ），如果把刀具半径补偿量设为负值（—）时，在走刀轨迹方向不变的情况下，则相当于把数控程序中的补偿位置指令，G41、G42互换，即加工工件外侧的刀具变为在内侧加工。 2.2.3.刀具半径补偿的开始与Z轴的切入操作
开始切削加工前，在离开工件的位置预先加上工刀具半径补偿（通常在XOY平面或与XOY平面平行的平面上），之后进行Z轴方向的切入。为保证程序运行后得到正确的工件轮廓而不产生过切，编程时必须注意加工程序的结构。 2.2.4.刀具半径补偿类型
实际加工过程中，随着前后两段编程轨迹的连接方式不同，所产生的刀具中心轨迹转接情况也不尽相同。大多数CNC系统所处理的基本轮廓线型是直线与圆弧。因此，前后两段编程轨迹的连接方式有四种：直线连直线、直线接圆弧、圆弧接直线、圆弧接圆弧。
对于连接部分的过渡处理与相邻两轮廓的夹角a（称为转接角或拐角）有关。所谓拐角，是指相邻两轮廓交接点处的切线在工件实体一侧的夹角，其变化范围为： 。其中，当时，a称为外拐角；当时，a称为内拐角。
根据拐角类型的不同，刀具半径补偿在此处的转接过渡方式也有所不同。一般可分为三种类型：
a）当时，刀具半径补偿在此处的转接方式为插入型。 b）当时，刀具半径补偿在此处的转接方式为伸长型。 c）当时，刀具半径补偿在此处的转接方式为缩短型。
在刀具半径补偿执行的三个步骤中，均有转接过渡问题，下面将分别进行介绍。 3.刀具半径补偿过程中应注意的问题
刀具半径补偿中出现的过切现象（即干涉）指的是在零件加工过程中，刀具按照程序设定的轨迹运动，由于使用了刀具补偿功能，在执行某些指令时，出现或可能出现刀具过渡切削零件的现象。
数控系统在启用刀具补偿功能后，一般情況下会出现两种情况的过切。一种情况是使用半径补偿时，输入到数控机床控制系统刀具补偿中的预设刀具半径值大于被加工零件轮廓曲线的最小凹圆半径，在加工过程中控制系统执行到这段程序语句时，数控系统计算后会发生过切现象，机床停止运动，并给出刀具过切的警报信息，也称之为假过切现象。
另一种情况是加工程序完全可以执行，数控机床控制系统没有显示刀具过切的警报信息。但在加工过程中刀具运动出现过切现象，导致工件报废。这种过切现象是由编程不当所引起的。编程不当产生过切现象一般有如下两种情况。
关于数控铣削加工中刀具半径补偿问题的探讨
