模具数控车削加工程序的编制基础

2.4.1　模具数控车削加工程序的编制基础

1．刀具的刀位点

（1）刀位点的概念　在NC程序中，每一把刀相当于工件的运动都是由刀具上提前选择好的一个动点为代表来实现进给移动的，所谓刀位点就是在每一把刀具中，用来代表该刀具去执行程序的选定点。

（2）刀位点的位置选择　对于具有明显刀尖的刀具来说，可以直接把刀尖确定为刀位点，但对于具有多个刀尖的刀具或者没有明显刀尖的刀具，就要提前确定一个点来代表该刀去执行程序。如图2-66所示，对于如图2-66（b）所示的切断刀或者挖槽刀，具有两个明显的刀尖，可以根据编程的具体需要选择点a或者点b作为该刀具的刀位点，当然也可以选择c点来代表该刀具来执行程序。如图2-66（c）所示的刀尖，具有较大的刀尖圆弧，该刀尖在实际切削过程中，与工件相接触的点是不确定的、随时变动的，此时就应该把刀位点选择在刀尖圆弧的圆心O点处，并需要进行适当的刀具参数补偿。其他各种刀具的刀位点的确定一般可如图2-67所示。一般情况下，每把刀的刀位点选择位置应该在刀具图和工序图等工艺文件中予以明确，以便统一编程与加工操作中的对刀测量和进行刀补参数的输入与调整。

2．假想刀尖与刀尖误差补偿

（1）假想刀尖　在利用对刀仪进行对刀时，我们瞄准的实际刀位点经常不在刀尖上，而是一个假想的点，如图2-68所示，当在对刀仪瞄准镜中对刀尖进行瞄准时，刀尖与镜头十字刻线的位置关系经常取如图2-68所示的相切关系，此时的实际瞄准点为镜头十字线的交点P，P点的坐标值将直接反映在对刀仪上，而在实际刀刃上，P点处并没有材料，所以我们把P点称为假想刀尖。

（2）假想刀尖的加工误差　在用假想刀尖进行切削加工的过程中，P点将代表刀具的刀尖来执行程序。显然，利用P点来执行程序有时会产生加工误差。

图2-66　各种车刀的刀位点

图2-67　其他刀具的刀位点选择

图2-68　实际圆弧刀尖与假想刀尖点

如图2-69所示，当刀尖切圆柱时，假想刀尖P1、P2、P3所要完成的圆柱面分别被刀尖上的A、C、E点所执行，圆柱直径不会产生大的误差；当刀尖切端面时，假想刀尖P1、P2、P3所要切削的端面分别被刀尖上的B、D、F点所执行，端面尺寸也不会产生大的误差，但此时会在台阶的尖角处产生圆弧刀尖的圆弧切削残留。当刀尖的圆弧半径较小时，这种圆弧残留是允许的，有时甚至是必要的；但当刀尖的圆弧半径较大时，会产生较大的过渡圆角。

当用这种刀尖切圆锥和圆弧面时，就不可避免地产生刀尖圆弧误差，如图2-70所示，假想刀尖P点在执行理论轨迹P1P2时，实际圆弧刀尖并没有切到批P1P2线，因此留下了切削残留，使得圆锥产生了较大的加工误差。

同样道理，在车削圆弧和球面时，也会产生刀尖圆弧误差，如图2-71所示，刀尖P点在切削理论轮廓虚线P1P2时，圆弧刀刃实际上切削的是实线的轨迹，由此产生了切削残留。

如图2-72所示为切削凹圆弧时的误差情况。

由以上分析可以看出，由于刀尖圆弧的存在，在车削加工中会造成刀尖圆弧误差，尤其在进行圆锥面和曲面车削时，如图2-73所示为刀尖圆弧对车削加工的误差影响情况。

如果加工高精度工件，需要避免刀尖圆弧误差的产生，就需要采取圆心对刀的方法，即把刀位点选择在刀尖圆弧的圆心点处进行对刀瞄准，如图2-74所示，并同时采用刀尖的圆弧半径补偿手段，在程序的执行过程中将刀尖圆弧半径补偿掉。

图2-69　假想刀尖切圆柱和端面

图2-70　切圆锥时的刀尖圆弧误差

图2-71　切削圆弧时的刀尖圆弧误差

图2-72　切削圆弧的刀尖误差2

图2-73　刀尖圆弧对车削加工的影响

图2-74　采用圆心对刀

在数控加工中经常采用三类刀具参数补偿功能，习惯上称为三大刀补，刀具参数三大补偿包括刀具圆弧半径补偿、刀尖位置偏移补偿和刀具长度补偿。其中的刀具长度补偿是数控铣床和镗铣加工中心上使用的补偿功能，在数控车削加工中，只用到前两项补偿。

3．刀具圆弧半径偏移补偿（G41、G42、G40）

刀具圆弧半径偏移补偿简称为刀具圆弧半径补偿或者直接称为刀具圆弧补偿。它是指在刀具采用圆心对刀时，为了避免实际刀尖对工件的过切，需要在程序执行中，对刀具刀位点的坐标位置相对于实际工件轮廓进行偏移补偿，使实际刀刃走在程序给出的走刀路线上，以便切出正确的工件轮廓。

（1）刀具圆弧半径补偿的基本原理　选择刀心做刀位点的刀具，如果直接用刀具的刀位点刀心去执行程序，对于按照工件实际轮廓尺寸所编制的加工程序和刀具走刀路线，必然会造成刀刃对工件的过切而产生废品。我们利用刀具圆弧半径补偿功能，把程序的执行点由刀心转换到刀尖上来，让实际刀尖去执行程序。具体方法是：把刀具圆弧的半径量平移补偿到刀具的路径上去，即令实际刀具在走刀移动时相对于程序给定的走刀路线向远离工件的方向始终偏移一个刀具的半径距离，这样，刀心就离开了实际切削轮廓，而运动在一个处处与编程路线保持一个刀具半径的路线上，从而达到了令实际刀尖去切削工件轮廓的目的，或者说，把程序的实际执行点转移到了刀尖上。

（2）刀具圆弧半径补偿指令　刀具圆弧半径补偿指令采用程序字G40、G41、G42。其中G41表示刀具半径左补偿，G42表示刀具半径右补偿，G40表示对刀具半径左右补偿参数的清除。

（3）刀具半径补偿指令格式　刀具半径补偿编程指令格式根据机床所配置的系统功能有所区别，一般在数控车床上采取选刀指令调用法，例如：

N50　G40　（T0101）；　（补偿前清零）

N60　G41　G01　X　Y　F； （G41调用刀具半径左补偿）

……　；

程序执行到第60句时，调用刀具半径左补偿功能，系统将根据当前01号刀具参数库中的刀尖圆弧半径R值和刀具工作方位信息进行自动判断，并在相应的方向上将刀尖移动坐标叠加上一个半径值。

在数控铣床和镗铣加工中心上，刀具圆弧半径补偿时要同时调用半径参数库号D，例如：

N50　G40　；

N60　G42　G01　X　Y　F　D；　（刀具半径右补偿）

……　；

其中，G42为刀具半径右补偿。X、Y为本程序段给出的目标点坐标，D为刀具的半径补偿参数的存储库号，其中储存记忆着当前刀具的圆弧半径值。我们习惯上也把D称为刀具半径补偿号。

（4）刀具半径左补偿与右补偿的区分　按照刀具半径偏移补偿的原理，如果刀心相对于编程路径向左偏移一个刀具的半径，称为刀具半径的左偏移补偿；如果刀心向右偏移，就称为半径的右补偿。这里的左右区分方法的视线方向规定如下：规定沿着刀具走刀运动F的方向为辨别左右偏移的视线方向，如图2-75所示。在图2-75（a）中，沿着刀具进给运动的方向看，刀心偏向工件的左侧，称为刀具半径的左偏移补偿，应在程序中使用G41指令。而图2-75（b）中沿着走刀方向看，刀心向工件的右侧进行偏移，需要应用G42指令。这里强调沿走刀方向看刀心，即在辨别半径补偿的左右方向时，以走刀方向F为视线方向。

图2-75　刀具圆弧半径补偿的左右方向规定

（5）刀具半径补偿的取消　刀具半径补偿的取消采用半径补偿清除指令G40来实现，例如前面程序段中的G40。程序中一旦出现G40指令，则会将当前的刀具半径补偿参数冲消干净。

刀具半径补偿参数的另外一种清除办法是调用一次D00指令，因为我们规定，D00参数存储库中是不允许存储任何数值，调用一次D00就意味着用0去冲消掉原有的刀补参数。

（6）刀具半径补偿应用注意事项　在使用刀具半径补偿功能时，要特别注意以下几点：

① 注意刀补参数库号与当前刀具号的对应　一般，我们在使用02号刀具T0202时应同时调用02号刀补号（D02），这种刀具号与刀补库号相对应的编程方法，可以避免刀具参数使用上的混乱和错误。尽管NC程序允许刀补库号与当前刀具的编号不相同，但我们还是提倡调用相同的刀补库编号，这是程序语法的要求。

② 及时取消半径补偿功能及补偿值　刀具半径补偿指令G41、G42和D02、D01等都属于模态制指令，具有续效作用，我们既强调在调用刀具半径补偿功能的同时要调用相应的半径补偿值，也强调在使用下一把刀具之前，必须及时地把前一把刀具的所有补偿参数在系统的缓冲区中清除干净。所以，在NC程序中，G40与G41/G42总是成对地出现，如前面的G41程序格式中，凡是要调用一把新的刀具，要用到刀具半径补偿G41或者G42，其前面一定有一个G40指令，这样做比较安全，同时也成为编程时良好的语法习惯。

另一方面，每一把刀在使用完后，需要返回到刀具的起点位置，以便于换下一把刀的进入，而刀具在返回到起刀点时的前提条件是必须要将各项刀补参数清理干净，实际上是令刀具的基准点返回到起刀点。所以，在刀具使用完毕，返回起刀点的运动过程中，必须使用G40指令将所用的半径补偿参数清理干净。如下述刀具返回程序段所示：

G40　G00　X200.0　Z300.0　T0100；

③ 注意提前补偿　刀具半径补偿G41/G42的实际补偿效果是需要通过一个移动程序段G00或者G01来完成的，所以，在需要进行半径补偿的程序段之前，就要提前进行刀具的半径补偿的指定，以便使刀具在前面一段的移动完成时，使刀心定位于新的偏移位置。

④ G41/G42指令对后两个程序段的要求　为了避免刀具半径补偿对下一个程序段造成不必要的过切，系统在执行一个具有G41/G42半径补偿的程序段时，必须同时把后两个程序段一起读完，以便判断本程序段应该执行到达的具有偏移量的目标点的坐标。如果G41/G42程序段后面的连续两个程序段都没能够及时给出后面的移动路线，系统将不能够确定本次移动的目标点，系统将会报警。

（7）刀具半径补偿值的存储　在数控车床上，刀具半径补偿值可以直接储存在刀具参数库中，如图2-76所示为刀具参数库的界面，其中的刀具半径RADIUS位置即可以填写刀具的半径值。

图2-76　刀具参数库的界面

（8）刀尖工作方位　刀尖工作方位信息用来向数控系统提供刀尖的半径补偿方向，工作方位用数码0～9 来表示，该代码是根据刀尖的工作方向来确定的，具体编码规则如图2-77所示。如图2-78所示为后置刀架的功能型数控车床各种车刀的工作方位编码情况。

图2-77　车刀的工作方位编码

（9）刀具半径补偿的其他作用　利用刀具半径补偿功能，可以及时地对刀具的径向磨损量进行补偿，而不必对程序本身进行修改。

利用刀具半径补偿功能，通过修改不同的半径值，还可以用同一个程序的刀具路径分别用两把刀完成同一表面的粗加工和精加工。

另外，利用刀具半径补偿功能，还可以应用同一个加工程序，分别加工出一对相互配合的内外型面。例如模具行业中的凸模和凹模，只要把半径补偿中的偏移补偿值的正、负号做一个转换，就可以达到目的。

4．刀尖位置偏移补偿

刀尖位置偏移补偿又叫做刀尖位置偏置补偿或者直接称为刀尖偏移补偿，是数控机床上为将多把不同刀具的刀位点统一到同一个起刀点上的重要手段。

（a）左偏车刀　（b）右偏车刀　（c）螺纹车刀　（d）镗孔刀　（e）左偏镗刀　（f）球头镗刀　（g）右切刀　（h）左切刀　（i）内挖槽刀

图2-78　常用车刀的工作方位编码

（1）刀尖位置偏移补偿的作用　数控加工是一种典型的自动化多刀多工序集中加工，机床的自动回转刀架、刀塔上同时安装有多把刀具，为了把同一刀架上不同刀位点位置的多把刀具都统一到一个基准点上进入程序，数控切削加工中采用了刀尖位置偏移补偿的手段。

刀具位置偏移补偿具有以下三个作用：

① 程序执行点的转移作用　如图2-79所示为数控车床应用刀尖位置偏移补偿的基本原理示意图。当一把刀具的刀尖切削工件轮廓时，它与对刀基准点O点间的运动轨迹始终相差一个偏置的关系，如图2-79（a）所示。当采用01号刀尖切削工件时，刀架中心O点的运动轨迹始终与01号刀尖轨迹保持着ΔX1和ΔZ1的偏移关系，而在加工程序的编写中，用来执行程序的基准点是刀架的几何中心O点，因为我们是用刀架中心O点来确认机床参考点位置并建立工件坐标系的，所以在实际执行程序时，需要把执行程序的点转移到刀尖上来；否则就会发生刀架的碰撞。这需要从程序的每一个轨迹点坐标值中减掉刀尖相对于O点的偏置量，这就是刀尖位置的转移作用。

调用一把刀时，同时要调用该刀具的刀尖位置偏移补偿值，以便从程序的尺寸坐标值中，减掉刀尖相对于程序点的偏移量，这就相当于将执行程序的对象由刀架中心O点即对刀点转移到了具体的每把刀的刀尖刀位点上来。

② 统一对刀基准的作用　刀具位置偏移补偿可以将不同位置的刀具统一到同一个位置来进入程序的执行，如图2-79（b）所示。当换用04号刀具时，它的刀尖当前空间位置与刚才调用01号刀具时的刀尖空间位置是不同的，这是由于两把刀的长度、宽度都不同，相当于O点的偏移量ΔX4和ΔZ4与01号刀的ΔX1和ΔZ1值不同，而采用刀具位置偏移补偿手段后，我们将每一把刀尖相对于对刀基准点O点的偏移值测量出来，并存储到该刀具的参数库中存储和随时调用，这就把所有刀具的刀尖刀位点统一到了对刀基准点O点上来，这是刀具位置偏移补偿的又一个重要作用。

图2-79　刀具位置偏移补偿原理

③ 简化磨损补偿操作的作用　采用刀尖位置偏移补偿，还可以很好地解决实际加工中由刀具的磨损所带来的NC程序尺寸值的修改问题。

刀尖在切削过程中要不断地产生磨损，从而造成加工误差，为了及时地消除这类刀具磨损误差，需要对刀具的磨损量进行及时补偿。这一补偿不能用修改NC程序尺寸字的办法来解决，我们可以利用修改机床刀具参数库中的刀具补偿值的方法来及时地对刀具的磨损量进行补偿。

同样，当刀具在使用过程中产生了意外破损，在更换了新的刀具后，可以利用刀尖位置偏移补偿值的修改功能使新更换的刀尖与对刀基准点的位置相重合。

（2）刀尖位置偏移补偿的方法　刀尖位置偏置补偿的方法是，首先在刀架上确定一个对刀基准点，在小型方刀架上一般是直接选择方刀架的几何中心来作为对刀基准点，如图2-80所示。将对刀基准点O选择在刀架中心位置，而该点在机床返回参考点的状态下将与机床参考点R点在空间保持重合，分别将各个刀尖的刀位点相对于该基准点的偏移距离进行测量和输入，例如，01号刀测得两个偏移值分别为ΔX1和ΔZ1，03号刀的两个偏移值为ΔX3和ΔZ3，将各刀尖的偏移值输入到该刀的刀具参数库中，例如，前面图2-75的刀具参数库界面中的X偏移项和Z偏移项中，即完成了该刀具的刀尖位置偏移补偿值的输入设置。这样，以后只要数控系统调用01号刀具，系统就会自动把01号刀具的这两个偏移参数与R点的当前两个坐标值相叠加，便产生了01号刀尖的当前坐标值。

通过刀尖位置偏移补偿，可以将上述方刀架上的各个刀尖的刀位点都统一到同一个点，即刀架的几何中心点上，来执行程序，解决了各个刀尖进入程序时空间位置不统一的问题。当然，在调用每一把刀时，必须同时调用各刀具刀位点相对于对刀基准点的偏移补偿值；否则，就是真正的刀架几何中心去执行程序了。

如图2-81所示为全功能型数控车床的回转刀架和大型刀塔的基准刀位设置情况。大型刀或刀塔多半有一个专用的基准刀位，基准刀的刀位点O点就是所有刀尖的对刀基准点，其他的每一把刀具的刀位点都可以与该基准点O产生一组X方向和Z方向的偏移值ΔXi和ΔZi。这样，每一把刀的刀尖移动坐标都会在基准刀尖坐标的基础上叠加一个偏移值，使得实际产生移动的对象由基准点转换到实际刀尖上来。

图2-80　方刀架的刀具基准点与各刀尖偏移补偿值

图2-81　转塔刀架的刀具基准点

（3）刀尖位置偏置量的调用　在数控车床的NC程序中，采用刀具功能字T来调用刀尖位置偏移补偿参数，例如T0101，这是一个选刀指令，表明选择01号刀具并同时调用01号刀具补偿参数库中的所有刀具补偿参数。在这里，地址T最后两位数码01就用来表示调用01号刀具补偿参数库中的补偿参数。习惯上称其为刀具补偿号，简称为刀补号。

采用这种方法的另外一个好处是可以在加工过程中随时根据刀具的磨损情况来打开刀具参数库并对刀具的磨损量进行调整补偿，而不必对加工程序进行任何更改。