铣削中心中刀具半径补偿的使用

• 1
  刀具半径补偿的使用：为什么刀具中心要偏置
• 2
  G41、G42 和 G40：左、右与取消
• 3
  切入移动与控制系统无法切削的转角
• 4
  用同一程序粗加工和精加工，以及寄存器中存什么
• 5
  半径补偿在哪些情况下不再有用
• 6
  何时使用补偿，何时直接编程刀具中心路径

铣刀在俯视图中是一个圆。当控制系统沿编程直线驱动刀具时，它移动的是主轴轴线，而不是切削刃。在直线走刀时误差不可见。在转角处，真正起作用的是接触侧壁的那条刃，而刀具中心距它一个半径。编程刀具中心，每个外轮廓的零件都会小一个半径。编程切削刃，控制系统就必须知道切削刃在哪里。

这就是全部问题所在。编程路径是零件几何形状。机床移动的是刀具中心。两者之间的差距等于刀具半径，在每个点沿路径法向测量。Ø12 mm 立铣刀上该差距为 6 mm。3 mm 刀具上为 1.5 mm。忽略它，用 Ø12 刀具加工 50 mm 方形会变成 38 mm。

刀具半径补偿在控制系统内、在运行时弥补这一差距。编程员编写零件轮廓。操作员告诉控制系统主轴中装的是哪把刀、其半径是多少。控制系统将每个运动沿路径向左或向右偏移该半径，然后重新计算两条偏移线相交处的转角。操作员从不修改几何形状。

这种分离正是该功能存在的原因。几何形状留在程序中。刀具尺寸留在偏置寄存器中。更换刀具或修磨刀具，只需改寄存器。程序原样再运行，零件仍能到尺寸。对于在多台机床上加工同一系列零件的车间，这种分离能节省实际的装夹时间。

三个代码完成全部工作。G41 是左补偿。G42 是右补偿。G40 取消补偿。左右由进给方向定义，而不是由你切削零件的哪一侧定义。站在刀具后方，沿进给方向看，G41 把偏置放在你的左侧。G42 放在你的右侧。

工程师使用的实用规则：顺铣外轮廓、刀具绕零件逆时针走时，偏置在进给方向左侧，所以是 G41。反向走刀，同样的切削就变成 G42。搞反了，控制系统会把刀具偏置进零件。第一次移动通常会折断刀具，或把侧壁过切两个半径。

在任何不需要偏置的移动之前，必须先激活 G40。换刀、快速移动到安全平面、移动到下一特征，都应放在 G40 之后。在定位移动中保持补偿激活是立式铣床上最常见的撞机原因之一，因为控制系统会继续对快速移动施加半径。

控制系统还需要知道哪个寄存器存放半径。在大多数控制系统上这是 D 字，例如 G41 D01。D01 指向偏置寄存器 1。在几乎所有 Fanuc 风格的控制系统上，寄存器内的值是半径，不是直径。Ø12 mm 刀具输入 6.0。输入 12.0，零件每侧会小 6 mm。

刀具位于最终轮廓上时不能开启补偿。控制系统需要至少一个长于半径的移动，把刀具从编程路径滑到偏置路径。该移动就是切入。典型的切入是直线或四分之一圆弧，长度为刀具半径的 1.5 到 2 倍，与轮廓成小角度。

切入过短是真实的失效模式。如果切入短于半径，控制系统没有空间到达偏置路径，会报警，或到达过晚而在侧壁上留下痕迹。Ø12 mm 刀具上，切入保持大于 9 mm。Ø3 mm 刀具上，大于 5 mm 通常足够。

内角有第二个限制。控制系统在尖锐内角中能放置的最大半径是刀具半径。Ø12 mm 刀具无法留下 3 mm 内角半径，无论偏置寄存器怎么说。刀具物理上无法到达。图纸必须允许至少等于刀具半径的转角半径，否则该特征需要更小的刀具。这是几何限制，不是控制系统限制。

外角是相反的情况。控制系统必须在两条偏移线相交处插入转角圆弧，圆弧半径等于刀具半径。在尖锐外角上，该圆弧使刀具绕该点扫过。如果切出与切入交叉，控制系统可能报警或留下痕迹。给退出移动留出清晰空间，并让重叠部分避开已加工侧壁。

补偿最有力的理由是同一程序完成粗加工和精加工。精加工几何形状只写一次。粗加工时，把寄存器设为刀具半径加余量，例如 Ø12 mm 刀具留 0.4 mm 时设为 6.4 mm。精加工时，把寄存器设回 6.0 mm。一个程序，两次走刀，不改几何形状。

寄存器值不总是名义半径。重磨过的刀具会变小，磨损偏置应跟随这一变化。测量刀具，或试切一个特征并测量结果，然后按每边误差的一半调整寄存器。这是任何能保证 ±0.005 mm 的机床上的常规做法，尤其在 6061-T6、7075、17-4PH 和 Ti-6Al-4V 中，刀具磨损变化更快。

径向跳动也很重要。跳动 0.02 mm 的刀具，一个刃切得偏大，其余刃切得偏小。补偿无法修正不圆的切削，只能修正尺寸误差。在归咎于偏置之前，先检查刀柄处的跳动。精加工走刀时，为获得 Ra 0.8–1.6 μm 的侧壁，跳动应保持在 0.01 mm 以下。

制定书面规则，明确谁可以修改寄存器。如果操作员为了追一个因热原因漂移的尺寸而调整半径，机床冷却后下一件可能就加工错了。热引起的尺寸漂移应记入磨损偏置，并在装夹单上注明，而不是写进半径字段。

补偿是 2D 工具。它在 G17、G18 或 G19 选定的平面内工作。在 3D 轮廓曲面上，正确的偏置方向逐程序段变化，单个寄存器值无法描述。多数 CAM 系统通过直接输出补偿后的中心路径来处理这类刀路。这不是操作员的短板，而是用错了工具。

五轴联动运动同样如此。刀轴倾斜，接触点绕刀具移动，固定的左偏或右偏没有一致的含义。五轴刀路以中心路径输出，每个程序段都包含刀矢量。在五轴程序中对 2.5D 特征使用补偿，然后在轮廓运动开始前取消。

预读是另一个限制。控制器必须先找到两条偏置线的交点才能移动。如果引入后的程序段很短，或几何形状有接近相切的拐角，一些老控制器会报干涉错误。现代控制器处理得更好，但安全的习惯是让第一个补偿移动保持长而简单。

这些都不能免除在循环开始前检查寄存器。D 字写错、把直径当半径输入，或上一把刀留下的 G41 仍处于激活状态，都会在第一次切削时产生废件。每次装夹都值得花十秒钟看一眼偏置画面。