数控铣削加工中刀具补偿的应用研究
2024-7-26 来源：南阳技师学院 作者：卫党连
摘要：在数控铣床上进行轮廓加工时，由于刀具总有一定的半径，刀具中心的运动轨迹并不等于所需加工零件的实际轮廓，因此在进行内轮廓加工时，刀具中心偏移零件的内轮廓表面一个刀具半径值。而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，影响到产品的加工质量。针对刀具补偿需注意的内容进行整理，以降低数控铣削加工误差，提高产品的加工质量。
关键词：数控铣削加工；刀具补偿；加工质量
0 引言
从目前的应用情况来看，在数控铣床加工过程中，经常使用到的刀具补偿方法有刀具半径补偿与刀具长度补偿两种方法[1]。两类方法在应用中拥有不同的优势与不足，可结合具体的加工情况，来选择恰当的刀具补偿方法，以此来提高数控加工结果的合理性，加工出满足质量要求的产品。
1、刀具补偿的意义
受到各类因素影响，使得数控铣削加工过程中，容易出现误差偏大问题，影响到产品加工质量的合理性[2]。而有了刀具补偿功能后，可以按工件实际轮廓编程，而把刀具补偿量在“刀具参数设定”界面内输入数控系统，寄存在与刀具编号相对应的存储器中，这样在执行程序时，数控系统按预先存入的补偿量、零件轮廓尺寸和补偿方式指令自动计算出刀具中心轨迹，而且在磨损或重磨后，只需改变补偿量，而不必修改已编好的程序。由此可见，刀具补偿方法在数控加工技术中有着良好的应用价值。
2、刀具补偿分类
2.1 半径补偿
2.1.1 常用方法
在数控装置的应用中，如果其不具备半径自动补偿功能，在产品加工中，如果想要得到质量合格的零件，需要对刀具中心迹来进行合理编程，并且需要将刀具半径计算到每一阶段的程序当中，从而得到准确的数据计算结果[3]。在半径补偿活动中，会依托 ISO 标准中的相关内容，来假设工件在加工中处于不动的状态，只有刀具进行运动。顺延刀具运动方向来看，如果刀具正在切削轮廓左侧时，此时刀具则正在进行半径左补偿。相对应的，如果刀具正处于工件切削轮廓右侧位置，则表示刀具正处于半径右补偿。
2.1.2 工作过程
刀具半径补偿过程可以细分为以下 3 个阶段：①建立刀具补偿环境，其是指刀具启动后，开始从起点位置逐渐接近工件，此过程中刀具中心会从和编程轨迹逐渐重合的状态，逐渐过渡到和编程轨迹偏离某个偏置量的过程，刀具半径左补偿与刀具半径右补偿则会在程序段中有效[4]；②有序开展刀具补偿活动，在完成刀具补偿环境的建立后，其作用也会得到一直发挥，即刀具中心和编程轨迹一直处于某个偏置量，一直到刀具半径补偿活动结束后再恢复正常，在此情况下，半径补偿活动也一直处于有效的状态；③刀具补偿状态的取消，等待上述所有补偿活动结束后，此时程序则会取消刀具半径补偿，此时刀具半径左补偿与刀具半径右补偿指令都会处于无效的状态。
2.2 长度补偿
2.2.1 常用方法
在数控铣床运行中，其使用到的刀具长度处于不一致的状态，受到刀具磨损、其他因素影响，会影响到刀具的实际长度，因此需要使用刀具长度补偿指令来调整这些因素影响，保证刀具工作状态的稳定性[5]。在整个长度补偿过程中，可以使用自动补偿的方法进行处理。在具体应用中，会将不同长度的刀具，来对刀具的操作过程进行差值获取，过程中也会使用 MDI 方式来调整刀具长度参数与输入刀具参数，从而影响到刀具长度的补偿指令。总结以往的应用经验，在刀具长度补偿活动中，其涉及的指令包括刀具长度正向补偿、刀具长度负向补偿以及撤销刀具长度补偿指令。在长度补偿活动中，也会将数字作为长度补偿值的重要符号，而且在应用中也会提前设置补偿量，并将其设置在操作面板当中对应的符号位置。而已经拟定好程序的数控装置在运行到该程序段时，此时则会对刀具长度补偿值来进行读取，同时也会使用工具来对刀具轨迹进行计算，以保证刀具补偿结果的合理性。
2.2.2 工作过程
刀具长度补偿过程如下：①在程序执行刀具长度正向补偿指令时，此时刀具刀位点会在指令推动下到达实际的点位置，而指令当中的指定点位置和长度补偿寄存器顺利相加在一起后，会将其抬起到某一固定值，以此来调整刀具长度；②在程序执行刀具长度负向补偿指令时，此时刀具刀位点也会在既有程序推动下到达实际的点位置，此时会将指定点位置和长度补偿寄存器进行相减处理，此过程则类似刀具可以直接延长一个长度补偿值参数，以此为基础来对刀具长度进行调整[6]；③在实际应用中，长度补偿值也会将其设置为负值，此时在刀具长度正向补偿时也会设置为负值，此时该指令则和刀具长度负向补偿效果相一致，多结合实际情况来进行选择，以保证最终的补偿效果。
3、数控铣削加工中刀具补偿应用要点
3.1 铣削半径补偿
3.1.1 做好编程工程
在半径补偿过程中，首要任务便是做好编程工作，这也是后续刀补过程顺利进行的基础条件。在实际应用中，为了避免刀具中心轨迹出现异常波动，在实际应用中也会使用零件轮廓尺寸编程来参与刀具补偿过程。总结以往应用经验可以得知，在对工件刀具中心轨迹进行计算时，其复杂程度相对较高，因此在实际应用中则可以直接应用刀具半径补偿，在补偿作用下可以借助铣刀自动化移动，移动方向为被加工工件轮廓外侧，位移距离为一个刀具的移动半径，随后再根据工具轮廓尺寸来进行编程，以此来作为半径补偿时的重要参考。并且在此情况下也不需要再对铣刀中心轨迹进行计算，简化了整个计算过程。
3.1.2 粗加工与精加工
完成上述处理工作后，进入到粗加工与精加工环节，在该加工阶段也需注意以下内容：在数控铣削加工过程中，会使用到同一个程序来控制整个加工过程，同时为了提高加工过程的可靠性，会使用同一把刀具来参与加工。在整个加工过程中，也会使用各种类型的刀具补偿半径值来满足不同情况下的加工要求。并且在整个处理活动中，会根据实际需求情况来逐步减少相应的切削余量，以此来达到粗加工与精加工的目的。在具体应用中，也会使用半径为 R 的刀具来作为主要生产工具，在进行粗加工时，所设置的刀具半径值会设置为 R+d，其中 d 表示进行精加工时的具体余量。进入精加工环节时，也会继续使用同一加工程序，从而完成零件的粗加工与精加工。
3.1.3 刀补值计算与补偿
完成上述处理过程后，进入到刀补值计算与补偿环节，一般情况下，在加工过程中，刀具会在磨损、重磨、换新刀的情况下，导致加工过程中出现刀具直径发生变化，但是此过程中并不需要重新修改程序，只需要对其中的刀具参数进行调整，便可以满足相应需求。在具体的生产活动中，如果出现刀具磨损或者刀具更换情况时，此时刀具的半径尺寸也会出现变化，此时则需要对刀具半径补偿值进行计算，并根据得到的计算结果来科学设置刀具半径值，从而解决刀具半径变化问题。并且在调整刀具补偿值之后，也会对整个零件的应用过程进行加工与修正，从而完成半径补偿处理，提高产品的生产质量。
3.2 铣削长度补偿
3.2.1 进行科学编程
长度补偿需要基于实际情况来做好相应的编程工作，这也是顺利进行长度刀补的重要基础。在实际加工活动中，为了避免刀具出现异常波动的情况，在具体的工件程序编写中，需要基于标准刀具的标准长度，来进行长度编程的科学化设计。如果实际刀具长度与标准刀具长度出现不一致问题时，需要基于长度补偿功能来完成刀具长度值的科学补偿，而整个过程也不需要进行加工程序修改，这也为生产加工的顺利进行提供良好参考。
3.2.2 粗加工与精加工
完成上述处理工作后，顺利进入到粗加工与精加工阶段，进入到该阶段的处理过程中也需要注意以下内容：在整个数控铣削加工过程中，一直可以借助同一程序来对整个粗加工和精加工过程进行动态控制；而且为了保证加工结果的合理性，需要对整个切削深度来进行动态控制，整个过程也会需要做好试切加工控制，以满足刀具长度补偿需求。在整个加工过程中，会根据刀具的变化情况，在程序当中对于刀具的具体参数进行调整，使其能够满足切削余量的逐步减少要求，以满足粗加工与精加工的相关要求。
3.2.3 刀补值计算与补偿
完成上述处理工作后，开始对刀具长度补偿值进行计算。在整个加工过程中，刀具会在磨损、重磨、换新刀的情况下，出现刀具长度缩减的问题。而整个补偿过程也会依托零件实际轮廓编程来对相关参数进行调整，整个过程也不需要调整程序内容，在加工活动开始前基于加工深度要求，分层设置刀具长度补偿数值，并且在加工过程中，需要对刀具长度补偿值进行计算，并根据得到的计算结果来动态调整刀具长度值，减少刀具值变动带来的影响。另外，在整个处理活动中，基于具体需求来分层铣削，直到获取到所需要的加工零件。
4、数控铣削加工中刀具补偿应用时的注意事项
4.1 半径补偿注意事项
使用刀具半径补偿时需要注意以下内容：①借助刀具半径补偿来对刀具加工过程进行调整时，需要保证刀具一直处于补偿平面内来进行移动，而且刀具的移动距离也需要超过刀具的具体补偿值，以得到良好的刀具半径补偿效果；②零件加工过程中，如果其半径不超过刀具内圆弧半径，在刀具补偿过程中也会带来过切削问题，影响到零件加工结果的合理性。一般情况下，在刀具半径值的选择中，需要将其控制在过渡圆角半径的 80%~90%，以此来保证整个切削过程的稳定性；③被铣削槽底宽需要做好科学化控制，在整个控制活动中，如果被铣削槽底宽度值小于刀具直径，此时也会带来过切削问题，这也是补偿时需重点关注的内容；④在刀具补偿环境完成建立后，此时如果出现了不于两段的移动指令，在整个补偿活动中也将带来过切问题，这也需做好参数控制工作，以提升刀具半径补偿效果；⑤刀具补偿环境完成建立后，如果在加工过程中出现轨迹夹角偏移的问题，也会带来过切问题，影响到产品加工质量，这也是开展活动中需重点关注的内容。
4.2 长度补偿注意事项
长度补偿需要注意以下内容：①在零件加工活动中，每进行一次换刀处理，都需要进行一次长补偿，而且此项工作在编程活动中不能忽略，以保证零件加工结果的可靠性；②在长度补偿时，刀具长度正向补偿、刀具长度负向补偿指令后不会再有长度补偿号，这也需要采取其他措施来进行长度补偿，以提高长度补偿结果的合理性；③在长度补偿中会使用到许多长度补偿号与刀具，需要保证刀具号与长度补偿号的一致性，防止两者不匹配情况的出现，影响到最终的补偿效果；④在前期参数设计中，需要做好工件坐标系的科学应用，各项参数都需要做好科学设定，保证相对位置布设结果的合理性；⑤在程序结束或者换刀前必须取消刀具长度补偿。由于长度正补偿使刀具抬高了一把刀具的长度，取消时导致刀具下行碰撞到工件或者夹具。
5、结束语
在数控机床铣削过程中，由于刀具在长期磨损后出现半径变小、长度缩减等情况，而且在机床铣削中也会更换多种刀具，为保证机床铣削结果的可靠性，需要基于现场的实际情况来进行刀具补偿。在具体的补偿中，可以在加工环节来更换刀具半径、长度补偿值，以此来对加工工件外形尺寸、加工精度进行科学控制，保证工件加工质量。
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