刀具补偿在数控车床加工中的应用研究

摘 要：机床加工过程中，主轴高速旋转造成主轴轴承内外环高速摩擦产生大量热量，其温度变化比床身快，使主轴相对床身产生热伸长、热漂移和热倾斜，这些热变形又使固定在主轴上的刀具与固定在工作台上的工件相对位置发生变化，造成工件实际加工尺寸发生偏差、加工精度变差。主轴热变形是影响工件加工精度的一个重要因素，热变形补偿成为国内外机床制造商重点研究的课题之一。基于此，本文主要对刀具补偿在数控车床加工中的应用进行分析研究，希望通过本文的分析研究，给行业内人士以借鉴和启发。

关键词：刀具补偿;数控车床加工;应用

通过创新研究应用数控车床加工技术，能够为社会创造出更多的经济效益，推动我国制造业建设稳定持续的发展。在数控车床实践加工操作过程中，对于产品质量精度控制是尤为重要的，无论是编程精度，还是插补精度、伺服精度控制都会影响到机械产品加工精确度。在数控车床加工中，刀具是处于不断磨损、更换中的，应用刀具补偿能够减小因刀具磨损、更换、偏移而造成的误差，有效提高数控车床的加工精度。当刀具更换时，操作人员可使用新刀具的刀具补偿值替代现有的刀具补偿值，从而改善因数控机床刀具磨损、更换、偏移造成的加工精度降低的问题，提高机床刀具的适应性，简化数控机床操作。

1 数控车床构成与特点

数控车床构成与特点主要是到以下几个不同的方面：①主机。在数控车床设备运行中主机是其核心部分，主机所涵盖了的机械部件有床身、立柱、立柱以及用于方便切削加工的零部件;②驱动装置。驱动装置作为数控车床执行机构的基础驱动部件，其涵盖了主轴电机、主轴驱动单元、进给单元以及进给电机等。基于数控装置辅助控制作用下，使用电液或者电气伺服系统，从而完成进给驱动和主轴驱动;③数控装置。在数控车床构造中数控装置部分主要涵盖了软硬件设备，它们负责的工作内容是对数字化零部件加工程序进行有效输入和存储，并且会完成对大量数据的优化处理分析，发挥出车床控制功能的作用;④辅助装置。在数控车床中辅助装置是确保机床安全稳定持续运行的重要基础，是车床运行中不可或缺的配套设施。辅助装置在数控车床运行过程中起到的作用是照明、排屑、冷却已经润滑等。与传统车床相比较，数控车床实践应用的优势特点在于以下几点内容：①基于多坐标联动，能够科学高效完成对各种复杂零部件的加工制造;②加工制造精度高，提高零部件产品加工质量和效率;③自动化程度高，能够最大化减少员工的工作任务量，降低他们的实际劳动强度;④加工精密性要求较高，需要检修维护人员和操作人员具备良好专业能力和素质，及时优化调整数控程序和设置对应参数。

2 刀具补偿在数控车床加工中的应用

2.1 刀具磨削加工

刀具补偿在数控车床加工中的应用之一是刀具磨削加工。首先用CAD绘制刀具磨削加工图形轨迹，输出为DXF格式文件，然后通过U盘或网络接口将DXF文件导入到数控系统中，数控系统读取对应DXF文件，设置工艺参数后，根据刀具磨削处理算法自动生成加工程序，最后操作数控系统加载已生成的加工程序，控制机床完成刀具磨削加工。

2.2 误差测量

刀具补偿在数控车床加工中的应用之二是误差测量。测量热变形是为了在一定温差下的刀尖相对工件的位置偏差数据，以便通过分析找出其热变形规律。主轴热变形导致主轴刀具在x、y和z三个方向产生热伸长、热漂移和热倾斜，所以三个方向需五点测量才能确定热漂移量和热倾斜空间角度。在工作台上固定位移传感器检测主轴检棒的x/y/z向的变形，同一方向上的两个传感器相距500mm，处于检棒根部的x1/y1传感器用于测量刀具根部热变形，处于检棒前端的x2/y2传感器用于测量检棒前端（相当于刀尖位置）的热变形，Z传感器用于测量刀具轴向热伸长误差，此时测量的热变形包含了主轴和床体的综合热变形，以此测量数据做为刀长500mm的刀具的误差基准数据，系统将基于误差基准数据计算刀长为L的刀具的热变形（包含热倾斜）。以某设备为例，其最大刀具长度为500mm，故选择500mm主轴检棒进行热变形误差测量。根据主轴、床身温度差的变化和误差测量的结果，最终形成热变形误差曲线图。可以看出该设备在温升0～4℃时，热变形误差急剧变化，在温升4℃以后趋于热平衡。若想提高精度，0～4℃之间应进一步细分测量间距，4℃以后可以适当放大测量间距。

2.3 自动补偿

刀具补偿在数控车床加工中的应用之三是自动补偿。通过统计刀片每一个刀尖加工产品尺寸的变化情况，找出刀尖磨损的变化规律，设定加工多少件产品时需要补偿，补偿量是多少，补偿多少次刀尖使用寿命结束，在数控加工程序中进行控制。

2.4 数控系统的补偿功能

刀具补偿在数控车床加工中的应用之四是数控系统的补偿功能。FANUC-31i系统支持两种实时补偿功能，一种是外部数据输入功能中的外部机械原点偏移功能，另一种是扩展的外部机械原点偏移功能，都可以通过偏移机械原点实现热变形的实时补偿。首先是外部机械原点偏移功能FANUC-31i系统的外部数据输入功能可通过设置PMC地址G0（ED0～ED15）、G2（EA0～EA6、ESTB）进行外部机械原点偏移的軸选择、偏移量和功能起停的设置。预选原点偏移功能EA4～EA6、轴选择EA0～EA3和预置偏移量ED0～ED15后，激活读取信号ESTB进行外部机械原点偏移，读取结束发出EREND信号复位ESTB。其次是扩展的外部机械原点偏移功能。在FANUC-31i系统中，使扩展的外部机械原点偏移功能有效，需设置功能位参数No.1203#0[EMS]=1。扩展的外部机械原点偏移量R存储地址设定参数No.1280=3000，依据轴号分配了各轴扩展的外部机械原点偏移量地址。

3 结语

综上所述，影响数控车床技工精度的因素是多种多样的，现代企业要想全面提升数控车床加工精度，确保能够在最低成本下创造出最大的社会经济效益，就必须安排专业人员加强对车床整体结构的优化设计工作，引导操作人员科学合理运用误差防止法、补偿法等，不断提高车床加工精度，将加工误差控制在合理范围内，促进加工企业建设稳定持续发展。

参考文献

[1]蔡安江，宋仁杰，杜金健，等.五轴数控加工3D刀具补偿及其后置处理方法[J].长安大学学报（自然科学版），2018，38（1）：120-126.

[2]丁美玲.数控车床加工精度的影响因素分析及对策[J].设备管理与改造，2018（5）：95-97.

作者简介

晏丹妹（1986—），女，汉族，湖北孝昌，硕士，工程师，中石化四机机械有限公司，研究方向：石油机械。