一、任务引入
加工如图4-2-8 所示零件，毛坯选用φ26 mm×60 mm 的铝棒，试编写其FANUC 系统数控车床加工程序并进行加工。
图4-2-8 圆弧零件加工
二、相关知识
1.圆弧加工指令
（1）圆弧指令格式
以G18 平面的圆弧指令为例，其指令格式如下：
G02/G03 X_Z_R_F_； （半径方式）
G02/G03 X_Z_I_K_F_； （圆心方式）
G02 表示顺时针圆弧插补；G03 表示逆时针圆弧插补。
X_Z_为圆弧的终点坐标值，其值可以是绝对坐标，也可以是增量坐标。在增量方式下，其值为圆弧终点坐标相对于圆弧起点的增量值。R_为圆弧半径。I_K_为圆弧的圆心相对其起点并分别在X 和Z 轴上的增量值。
（2）指令说明
1）顺逆圆弧判断
圆弧插补的顺逆方向的判断方法是：处在圆弧所在平面（如平面ZX）的另一根轴（Y轴）的正方向看该圆弧，顺时针方向圆弧为G02，逆时针方向圆弧为G03。在判断圆弧的顺逆方向时，一定要注意刀架的位置及Y 轴的方向，如图4-2-9 所示。
图4-2-9 圆弧顺逆判断
（a）后置刀架，＋Y 轴朝上；（b）前置刀架，＋Y 轴朝上
2）I、K 值判断
在判断I、K 值时，一定要注意该值为矢量值。如图4-2-10 所示，圆弧在编程时的I、K 值均为负值。
例：如图4-2-11 所示轨迹AB，用圆弧指令编写的程序段如下所示：
AB1：G03 X40 Z2.68 R20；
G03 X40 Z2.68 I-10.0 K-17.32；
AB2：G02 X40 Z2.68 R20；
G02 X40 Z2.68 I10.0 K-17.32；
3）圆弧半径确定
圆弧半径R 有正值与负值之分。当圆弧圆心角小于或等于180° （如图4-2-11 中圆弧
）时，程序中的R 用正值表示。当圆弧圆心角大于180°并小于360° （如图4-2-12 中圆弧
）时，R 用负值表示。需要注意的是，该指令格式不能用于整圆插补的编程，整圆插补需用I、K 方式编程。
例：如图4-2-12 中轨迹AB，用R 指令格式编写的程序段如下：
AB1：G03 X60 Z40 R50 F100；
AB2：G03 X60 Z40 R-50 F100；
图4-2-10 圆弧编程中的I、K 值
图4-2-11 R 及I、K 编程举例
图4-2-12 圆弧半径正负值的判断
2.刀尖圆弧半径补偿（G40、G41、G42）
（1）刀尖圆弧半径补偿的定义
在实际加工中，由于刀具产生磨损及精加工的需要，常将车刀的刀尖修磨成半径较小的圆弧，这时的刀位点为刀尖圆弧的圆心。为确保工件轮廓形状，加工时不允许刀具刀尖圆弧的圆心运动轨迹与被加工工件轮廓重合，而应与工件轮廓偏移一个半径值，这种偏移称为刀尖圆弧半径补偿。圆弧形车刀的刀刃半径偏移也与其相同。
目前，较多数控车床系统都具有刀尖圆弧半径补偿功能。在编程时，只要按工件轮廓进行编程，再通过系统补偿一个刀尖圆弧半径即可。但有些数控车床系统却没有刀尖圆弧补偿功能。对于这些系统（机床），如要加工精度较高的圆弧或圆锥表面时，则要通过计算来确定刀尖圆心运动轨迹，再进行编程。
（2）假想刀尖与刀尖圆弧半径
在理想状态下，总是将尖形车刀的刀位点假想成一个点，该点即为假想刀尖（图4-2-13 中的A 点），在对刀时也是以假想刀尖进行对刀。但由于工艺或其他要求，实际加工中的车刀刀尖往往不是一个理想的点，而是一段圆弧（如图4-2-13 中的圆弧BC⌒）。
所谓刀尖圆弧半径是指车刀刀尖圆弧所构成的假想圆半径（图4-2-13 中的r）。实践中，所有车刀均有大小不等或近似的刀尖圆弧，假想刀尖在实际加工中是不存在的。
图4-2-13 假想刀尖示意
（3）未使用刀尖圆弧半径补偿时的加工误差分析
用圆弧刀尖的外圆车刀切削加工时，圆弧刃车刀（图4-2-13）的对刀点分别为点B和C，所形成的假想刀位点为点A，但在实际加工过程中，刀具切削点在刀尖圆弧上是有变动的，从而在加工过程中可能产生过切或少切现象。因此，采用圆弧刃车刀在不使用刀尖圆弧半径补偿功能的情况下，加工工件会出现以下几种误差情况。
①加工台阶面或端面时，对加工表面的尺寸和形状影响不大，但在端面的中心位置和台阶的清角位置会产生残留误差，如图4-2-14 （a）所示。
②加工圆锥面时，对圆锥的锥度不会产生影响，但对锥面的大小端尺寸会产生较大的影响，通常情况下，会使外锥面的尺寸变大，而使内锥面的尺寸变小，如图4-2-14 （b）所示。
③加工外凸圆弧时，会对圆弧的圆度和圆弧半径产生影响。加工外凸圆弧时，会使加工后的圆弧半径变小，实际值为理论轮廓半径R 减去刀尖圆弧半径r，如图4-2-14 （c）所示。
④加工内凹圆弧时，会使加工后的圆弧半径变大，实际值为理论轮廓半径R 加上刀尖圆弧半径r，如图4-2-14 （d）所示。
图4-2-14 未使用刀尖圆弧补偿功能时的误差分析
（a）加工台阶面或端面；（b）加工圆锥面；（c）加工外凸圆弧；（d）加工内凹圆弧
（4）刀尖圆弧半径补偿指令
1）指令格式
G41、G42、G40 的指令格式如下：
G41 G01/G00 X_Z_F_；（刀尖圆弧半径左补偿）
G42 G01/G00 X_Z_F_；（刀尖圆弧半径右补偿）
G40 G01/G00 X_Z_；（取消刀尖圆弧半径补偿）
2）指令说明
编程时，刀尖圆弧半径补偿偏置方向的判别如图4-2-15 所示。向着Y 轴的负方向并沿刀具的移动方向看，当刀具处在加工轮廓左侧时，称为刀尖圆弧半径左补偿，用G41 表示；当刀具处在加工轮廓右侧时，称为刀尖圆弧半径右补偿，用G42 表示。
图4-2-15 刀尖圆弧半径补偿偏置方向的判别
（a）前置刀架，＋Y 轴朝外；（b）后置刀架，＋Y 轴朝内
在判别刀尖圆弧半径补偿偏置方向时，一定要沿Y 轴由正向负观察刀具所处的位置，故应特别注意前置刀架［图4-2-15（a）］和后置刀架［图4-2-15（b）］对刀尖圆弧半径补偿偏置方向的区别。对于前置刀架，为防止判别过程中出错，可在图样上将工件、刀具及X 轴同时绕Z 轴旋转180°后再进行偏置方向的判别，此时正Y 轴向内，刀补的偏置方向则与后置刀架的判别方向相同。
（5）圆弧车刀刀沿位置的确定
数控车床采用刀尖圆弧补偿进行加工时，如果刀具的刀尖形状和切削时所处的位置（即刀沿位置）不同，那么刀具的补偿量与补偿方向也不同。根据各种刀尖形状及刀尖位置的不同，数控车刀的刀沿位置共有9 种，如图4-2-16 （a）如图4-2-16 （b）所示。图4-2-16 所示的为部分典型刀具的刀沿号。
图4-2-16 数控车床的刀具刀沿号
（a）后置刀架；（b）前置刀架
除9 号刀沿外，数控车床的对刀均是以假想刀位点来进行的。也就是说，在刀具偏移存储器中或G54 坐标系设定的值，是通过假想刀尖点进行对刀后所得的机床坐标系中的绝对坐标值。
数控车床刀尖圆弧补偿G41、G42 的指令后不带任何补偿号。在FANUC 系统中，该补偿号（代表所用刀具对应的刀尖半径补偿值）由T 指令指定，其刀尖圆弧补偿号与刀具偏置补偿号对应。
在判别刀沿位置时，同样要沿Y 轴由正向负方向观察刀具，同时也要特别注意前、后置刀架的区别。前置刀架的刀沿位置判别方法与刀尖圆弧补偿偏置方向判别方法相似，也可将刀具、工件、X 轴绕Z 轴旋转180°，使正Y 轴向内，从而使前置刀架转换成后置刀架来进行判别。例如当刀尖靠近卡盘侧时，不管是前置刀架还是后置刀架，其外圆车刀的刀沿位置号均为3 号，如图4-2-17 所示。
在FANUC 车削系统中，刀具半径补偿号由T 指令指定，如T0202。其刀尖圆弧补偿号与刀具偏置补偿号对应，如图4-2-18、图4-2-19 显示的画面。“G002”中相对应的“T3”即是指该刀具的刀沿号是3 号，对应的“R0.4”即是指该刀具的半径补偿值（刀尖圆弧半径）为0.4 mm。
（6）刀尖圆弧半径补偿过程(www.xing528.com)
刀尖圆弧半径补偿的过程分为三步：刀补的建立、刀补的进行和刀补的取消。下面通过图4-2-20 （外圆车刀的刀沿号为3 号）和加工程序O0010 共同说明其补偿过程。
图4-2-17 部分典型刀具的刀沿号
（a）后置刀架＋Y 轴向外时的刀沿号；（b）前置刀架＋Y 轴向外时的刀沿号
图4-2-18 刀具圆弧半径的输入
图4-2-19 刀具刀沿号的输入
补偿过程的加工程序如下：
O0010；
N10 G99； （程序初始化）
N20 T0101； （转1 号刀，执行1 号刀补）
N30 M03 S1000； （主轴按1 000 r·min-1正转）
N40 G00 X0 Z10； （快速点定位）
N50 G42 G01 X0 Z0 F0.2； （刀补建立）
N60 X40；
N70 Z-18； （刀补执行）
N80 X80；
N90 G40 G00 X85 Z10； （刀补取消）
N100 M05； （返回参考点）
N110 M30；
%
图4-2-20 刀尖圆弧半径补偿过程
1）刀补的建立
刀补的建立指刀具从起点接近工件时，车刀圆弧刃的圆心从与编程轨迹重合过渡到与编程轨迹偏离一个偏置量的过程。该过程的实现必须与G00 或G01 功能在一起才有效。
刀具补偿过程通过N50 程序段建立。当执行N50 程序段后，车刀圆弧刃的圆心坐标位置由以下方法确定：将包含G42 语句以下的两个程序段（N60、N70）预读，并连接在补偿平面内最近两个移动语句的终点坐标（图4-2-20 中的BC 连线），其连线的垂直方向为偏置方向，根据G41 或G42 来确定偏向哪一边，偏置的大小由刀尖圆弧半径值（设置在图4-2-18 所示画面中）决定。经补偿后，车刀圆弧刃的圆心位于图4-2-20 中的B 点处，其坐标值为［0，（0 ＋刀尖圆弧半径）］。
2）刀补进行
在G41 或G42 程序段后，程序进入补偿模式，此时车刀圆弧刃的圆心与编程轨迹始终相距一个偏置量，直到刀补取消。
在该补偿模式下，机床同样要预读两段程序，找出当前程序段所示刀具轨迹与下一程序段偏置后的刀具轨迹交点，以确保机床在下一段工件轮廓向外补偿一个偏置量，如图4-2-20 中的C 点、D 点等。
3）刀补取消
刀具离开工件，车刀圆弧刃的圆心轨迹过渡到与编程轨迹重合的过程称为刀补取消，如图4-2-20 中的EF 段（即N90 程序段）。
刀补的取消用G40 来执行，需要特别注意的是，G40 必须与G41 或G42 成对使用。
（7）进行刀具半径补偿时应注意的事项
①刀具半径补偿模式的建立与取消程序段只能在G00 或G01 移动指令模式下才有效。
②G41、G42 不带参数，其补偿号（代表所用刀具对应的刀尖半径补偿值）由T 指令指定。该刀尖圆弧半径补偿号与刀具偏置补偿号对应。
③采用切线切入方式或法线切入方式建立或取消刀补。对于不便于沿工件轮廓线的切向或法向切入/切出时，可根据情况增加一个过渡圆弧的辅助程序段。
④为了防止在刀具半径补偿建立与取消过程中刀具产生过切现象，在建立与取消补偿时，程序段的起始位置与终点位置最好与补偿方向在同一侧。
⑤在刀具补偿模式下，一般不允许连续两段以上为补偿平面非移动指令，否则刀具也会出现过切等危险动作。补偿平面非移动指令通常指仅有G、M、S、F、T 指令的程序段（如G90，M05）及程序暂停程序段（G04 X10.0）。
⑥在选择刀尖圆弧偏置方向和刀沿位置时，要特别注意前置刀架和后置刀架的区别。
三、任务实施
1.编程准备
（1）分析零件图样
本任务加工内容主要为圆弧连接面的切削加工，加工后零件的尺寸精度为IT14 级，表面粗糙度达Ra3.2 μm。
本例工件的编程较为简单，只需掌握数控编程规则、常用指令的指令格式等理论知识及简单的G02 及G03 指令即可完成编程。
（2）选择数控机床
本任务选用的机床为CKA6150 型FANUC 0i 系统数控车床。
加工本例工件时，由于涉及干涉，选择如图4-2-21 所示93°外圆车刀（又称93°正偏刀，副偏角47°）进行加工，采用三爪自定心卡盘进行装夹。切削用量推荐值如下：粗加工切削速度n=750 r·min-1，进给量f=0.15 mm·r-1，背吃刀量ap=1～2 mm；精加工切削进度n=1 000 r·min-1，进给量f=0.15 mm·r-1。
图4-2-21 93°外圆车刀
2.编写数控加工工艺
填写数控加工工序卡如表4-2-4 所示。
表4-2-4 圆弧零件数控加工工序卡
续表
3.编写加工程序
（1）选择编程原点
如图4-2-22 所示，选择工件右端面的中心作为工件编程原点。
（2）设计加工路线
加工本例工件时，刀具的运动轨迹见图4-2-22 （S-O-A-B-C-D-H），S为起刀点。
图4-2-22 圆弧零件加工路线
（3）编制数控加工程序
采用基本编程指令编写的数控车床加工程序见表4-2-5。
表4-2-5 圆弧零件数据加工程序
注意：
①从换刀点快速进刀至切入点，应考虑进刀的安全性，切入点位置取在距右端面5 mm处。
②编程时通过判断圆弧的顺逆，确定插补指令G02 或G03。
③圆弧插补指令G02/G03 的指令中不要漏掉圆弧半径R 地址。
四、加工练习
加工图4-2-23 所示的零件，毛坯选用φ40 mm×80 mm 的45 钢，试编写其FANUC 系统数控车床加工程序并进行加工。
图4-2-23 圆弧零件
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