使用刀尖半径补偿指令与复合循环指令的简单圆锥面加工技巧

【任务描述】

本任务要求学生使用刀尖半径补偿指令（G41、G42、G40）与复合循环指令（G71/G70）进行简单圆锥面轴零件的加工。采用刀尖半径补偿功能以及修改磨耗和程序相结合的方法控制尺寸精度，独立完成图4-1所示零件的加工。

图4-1 锥面轴零件

【任务目标】

知识目标：能够认识锥度的标注，并且对锥面进行相关尺寸换算。知道刀尖半径补偿功能的意义以及G41、G42和G40指令的用法。

技能目标：采用修改磨耗和程序相结合的方法控制尺寸精度，完成零件的加工。

情感目标：培养自身的主观能动性和团队合作意识。

【相关知识】

1.锥度

（1）锥度定义 正圆锥体的锥度指锥体底圆直径与其高度之比。截头正圆锥（圆台）的锥度为其上、下底圆直径之差与圆台高之比，如图4-2a所示，即截头正圆锥的锥度C为

式中 α——锥度角。

（2）锥度的标注 锥度在图样上用1∶n的形式标注。图4-2b所示为锥度标注示例。锥度符号的方向应与圆锥方向一致。

图4-2 锥度

2.刀尖半径补偿

（1）刀尖半径补偿的目的 零件加工程序一般是以刀具的某一点（通常情况下为理想刀尖，即图4-3所示的P点）按零件图样来进行编制的。但实际加工中的车刀由于工艺或其他要求，刀尖往往不是一个理想点，而是一段圆弧。切削加工时，实际切削点与理想状态下的切削点之间的位置有偏差，会造成过切或少切，影响零件的精度。因此，在加工中进行刀尖半径补偿来提高零件精度。

图4-3 刀尖理论点和刀尖圆弧

在切削圆锥或圆弧部分时，如果仍以理论刀尖P点来编程，圆弧切削刃各切点的运动轨迹与工件要求的轨迹之间存在阴影部分的误差（图4-4），而且刀尖圆弧半径越大，加工误差就越大，因此对刀尖圆弧半径进行补偿是十分必要的。但值得特别提出的是，切削工件端面时，车刀圆弧的切点B与理论刀尖P点的Z坐标值是相同的；切削圆柱面时，车刀圆弧的切点A与理论刀尖P点的X坐标值相同，切削出的工件没有形状误差和尺寸误差，因此可以不必考虑刀尖半径补偿。

图4-4 无刀尖半径补偿时产生的误差

（2）刀尖半径补偿指令 在编制工件轮廓切削加工程序时，一般以工件的轮廓尺寸为刀具轨迹编程，这样编制加工程序简单，即假设刀具中心运动轨迹是沿工件轮廓运动的，而实际的刀具运动轨迹要与工件轮廓有一个偏移量（即刀尖半径）。利用刀尖半径补偿功能可以方便地实现这一转变，简化编程，机床可以自动判断补偿的方向和补偿值的大小，计算出实际的刀具中心轨迹，并按刀具中心轨迹运动。

1）根据刀具轨迹的左、右补偿，刀尖半径补偿指令如下：

①G41刀尖半径左补偿。如图4-5所示，沿垂直于刀具所在平面（XOZ）的第三轴负向（-Y），顺着刀具运动方向看，刀具在工件的左侧，称为刀尖半径左补偿，用G41代码编程。

②G42刀尖半径右补偿。如图4-5所示，沿垂直于刀具所在平面（XOZ）的第三轴负向（-Y），顺着刀具运动方向看，刀具在工件的右侧，称为刀尖半径右补偿，用G42代码编程。

图4-5 刀尖半径左、右补偿

③G40取消刀尖半径补偿。如需要取消刀尖半径补偿，可用G40代码编程。

初始状态CNC处于刀尖半径补偿取消方式，在执行G41或G42指令后，CNC开始建立刀尖半径补偿偏置方式。在补偿开始时，CNC预读两个程序段，执行一个程序段时，下一个程序段存入刀尖半径补偿缓冲存储器中。在单段运行时，读入两个程序段，执行第一个程序段终点后停止；在连续执行时，预先读入两个程序段，因此在CNC中有正在执行的程序段和其后的两个程序段。

2）指令格式。

3）使用注意事项。

①刀尖半径补偿的建立与撤销只能用G00或G01指令，不能用圆弧指令（G02或G03），即它是通过直线运动来建立或取消刀尖半径补偿的。

②为了避免产生加工误差，在调用新刀具或要更改刀补方向时，中间必须取消刀补。

③在程序结束前必须指定G40取消补偿模式，否则，再次执行程序时刀具轨迹偏离一个刀尖半径值。在主程序和子程序中使用刀尖半径补偿，在调用子程序前（即执行M98指令前），CNC必须在补偿取消模式，在子程序中再次建立刀补。

④G41/G42指令的判断是以沿着刀具所在平面（XOZ）的垂直轴负向（-Y）看为依据的。

⑤在G41方式中，不要再指定G41，否则补偿会出错。同样，在G42方式中，不要再指定G42。在使用G41和G42之后的程序段中，不能出现两个或两个以上的不移动指令，否则G41和G42会失效。

⑥当补偿量取负值时，G41和G42互相转换。

⑦G71、G72、G73、G74、G75和G76指令不执行刀尖半径补偿，暂时撤销补偿模式。G90和G94指令在执行刀尖半径补偿时，无论是G41方式还是G42方式都一样偏移一个刀尖半径进行切削。

4）刀位号。如图4-6所示，对应每个刀具补偿，都有一组刀具偏置量X、Z，刀尖半径补偿量R和刀尖方位号TIP（表4-1）。

图4-6 刀具偏置

表4-1 刀尖方位号

【引导操作】

1.任务分析

（1）零件图分析 图4-1所示为带有简单锥面的高台阶轴零件，材料为铝棒，选用ϕ40mm×60mm的圆棒料为工件毛坯。零件表面有两处外圆ϕ26_-⁰_0.05mm、ϕ38⁺⁰₀^.05mm和一个锥面需要加工。当外圆刀具有刀尖圆弧时，刀具需要补偿，否则圆锥面会产生几何误差。一个外圆直径为正偏差，另一个为负偏差，其中ϕ26_-⁰_0.05mm用修改磨耗值控制，ϕ38⁺⁰₀^.05mm通过修改程序值和磨耗值相结合控制。

该零件为直径尺寸单调增大的高台阶轴，采用外圆粗车循环和精车循环指令（G71和G70）来完成加工。

（2）工件原点 选用数控车床加工，以工件右端面与轴线的交点作为工件原点，建立工件坐标系。

2.任务准备

1）量具选用见表1-12。

2）刀具选用见表4-2。

表4-2 刀具的选用

3）数控加工工艺卡见表4-3。

表4-3 数控加工工艺卡

(www.xing528.com)

4）数控加工程序单见表4-4。

表4-4 数控加工程序单

3.任务实施

1）启动车床前检查车床的外观和润滑油箱的油位，清除车床上的灰尘和切屑。

2）启动车床后在手动模式下检查主轴箱和进给轴的传动是否顺畅，是否有异响情况。

3）回车床参考点。

4）装夹工件并找正。

5）装夹刀具并找正。

6）对刀建立坐标系，并且在[OFS/SET][偏置形状]界面的“G001”位置输入刀尖半径补偿量“0.8”和外圆车刀“-Z”方向走刀的刀尖方位号“3”，如图4-6所示。

7）将图4-1所示零件的加工程序（程序名为O4001）输入车床，具体程序见表4-4。

8）校验运行程序。

9）运行程序进行加工。

10）完成工件加工并检测。

11）进行车床维护和保养。

【应用训练】

试加工如图4-7所示锥面配合件，完成以下步骤。

图4-7 锥面配合件

1）选用量具，填写表4-5。

表4-5 量具的选用

2）选用刀具，填写表4-6。

表4-6 刀具的选用

3）填写数控加工工艺卡。

①件一数控加工工艺卡见表4-7。

表4-7 件一数控加工工艺卡

②件二数控加工工艺卡见表4-8。

表4-8 件二数控加工工艺卡

4）编写数控加工程序。

①编写件一加工程序。

分析：A.件一外径尺寸单调增大，采用内/外径粗车循环指令G71。

B.件一的外锥面采用左刀补G42，刀位号3。

C.件一有两处外圆ϕ15_-⁰_0.02mm和ϕ30_-⁰_0.02mm都为负偏差，程序中坐标值分别为X15.和X30.，精度采用修改磨耗值统一控制。

D.配合件锥面的锥度为（图4-8）

锥面轮廓的加工程序段如下：

图4-8 件一圆锥面

…

Z-15.；

X20.， R2.；

X30. W-20.；

W-5.；

…

②编写件二加工程序。

分析：A.件二内径尺寸单调减小，采用内/外径粗车循环指令G71，退刀方向与轴相反。

B.件二的内孔锥面采用右刀补G41，刀位号2。

5）加工配合件。

①加工件一。

②加工件二。

6）进行检验和质量分析。

7）思考：如何保证配合间隙。