1 引言

1952 年 3 月, 美國麻省理工學院在美空軍資助下, 研制成功了世界上第一臺三坐標數控銑床, 從此數控技術快速發展并推廣至全世界[1] 2000-2010 十年的時間里面, 國內的大型機床制造廠：如沈陽機床股份有限公司、大連機床廠、上海機床有限公司廠、北京第一機床廠等老牌企業穩步發展, 而中小規模的數控機床廠國內已有百來家, 行業之間的競爭促進了機床工業的快速發展[2]

《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020 年)》明確規定了 “逐步提高我國高檔數控機床與基礎制造成套裝備的自主開發能力, 滿足國內主要行業對制造裝備的基本需求”. 專項實施方案提出：形成以企業為主體、產學研相結合的技術創新體系 ; 培養和建立一支高素質的研究開發隊伍. 作為中國數控后備人才培養搖籃的高職和高等院校, 肩負著人才再培養這一重任.

教學中, 數控機床的應用技術分為三大塊：編程技術、操作技術和維護技術. 筆者在教學中發現：編程和基本的操作技術是學生容易理解和掌握的, 而對刀技術、刀具形狀的選擇和機械坐標系的重新設定等直接影響零件加工形狀和精度的問題卻是學生經常忽略的, 筆者把這三個問題, 統一歸結為數控機床的實用對刀技術問題.

數控車床作為數控機床中的一類, 主要功能是加工軸類零件和鉆中心孔, 是數控機床中結構最為簡單, 操作最為方便的, 熟練掌握它的實用對刀技術能觸類旁通地掌握其他類型的數控機床的對刀技術, 如數控銑床, 加工中心等.

本文以大連機床廠的CKA6136數控車床為例子, 以個人的教學經驗和實踐經驗為指導, 論述了數控車床所必須掌握的一些實用對刀技術, 包括：基本對刀, 刀具形狀選擇和機械坐標的重新設定三個問題.

2 數控車床的基本對刀技術

在數控車床加工中, 將刀具抽象看成一個運動點, 該點的軌跡即是所加工的零件形狀, 因此數控車床的對刀即是確定旋轉刀架上各把車刀的刀尖中心所在的獨立工件坐標系過程, 如圖 1 所示[3]. 圖中,

以x軸作為所加工零件的徑向坐標, 以z軸作為所加工零件的軸向坐標, 下文同.

基本的對刀技術包括：單把車刀對刀和多把車刀對刀.

2. 1 單把車刀的對刀

以刀片形狀為等邊三角形(刀桿型號：MTJNR2020K16)的外圓車刀為例子分析單把車刀對刀的過程.

在工件坐標系建立之前, 還要考慮到車刀安裝后刀尖中心是否處于軸心位置的, 因此, 單把車刀的對刀包括：刀尖中心的高度調整和工件坐標系的建立兩個過程.

2. 1. 1 刀尖中心點的高度調整

若刀尖中心點與工件對稱軸軸線處于同一水平線上, 則能正確加工出零件的形狀, 如圖2-a所示. 若刀尖中心偏離于工件軸線所在水平線, 則會直接影響到所加工零件的形狀尺寸或者對刀具產生不必要的磨削.

具體有以下兩種情況：

(1)刀尖中心偏低：該情況下, 所加工的零件端面會產生一個小凸緣, 其會直接影響所加工零件尺寸, 如圖 2-b 所示.

(2)刀劍中心偏高：該情況下會使得車刀的主切削刃的下部與待加工工件產生碰觸, 損壞車刀, 如圖 2-c所示.

對于上述兩種情況, 實際中生產中的解決辦法如下：

若刀尖中心偏低，僅僅需要采用砂紙或者薄鋼片進行高度的微調，調整至圖 2-a 所示；若刀尖中心偏高, 需先測量圖 2-c 所示的高出值 h, △ 并將車刀刀片朝上, 水平置于銑床工作臺上, 用夾具加緊后, 用盤型銑刀銑削已量出的刀桿高出值 h, △ 最后采用砂紙或者薄鋼片進行刀尖高度的微調, 直至調整至圖 2-a 所示.

2. 1. 2 工件坐標系的確立

工件坐標系的建立有兩種方法：一為使用對刀儀的方法, 二為試切對刀法. 實踐中試切法具有簡單, 經濟的特點, 本文即介紹試切法建立單把車刀的工件坐標系的過程, 具體步驟如下：

(1)MDI(Manual Data Input)模式, 在面板中輸入 M03 S650, 即設置主軸以 650r/min 的轉速正轉 ;

(2)切換至手搖脈沖模式(Handle), 選擇*100 的倍率, 即脈沖當量為 0. 1mm/脈沖, 接近試切毛坯件, 如圖 3-a 所示 ;

(3)手搖模式, 鎖定 z 軸, 選擇*1 的倍率, 勻速且快速地沿逆時針轉動脈沖轉盤, 控制車刀沿著試切毛坯件軸向切削一薄層, 如圖3-b所示. 注：軸向切削的長度 L 以量具能夠正確測量為參考值，實踐中以 L=5~10mm 長度為宜。切削層不可太厚，否則超過刀具的切削量，亦不可太薄，否則毛坯氧化層無法完全去除，造成步驟（6）中由于工件的不對稱性而產生較大的測量尺寸誤差，實踐中一般以單邊切削層厚度=0.8~1.2mm 為宜。

(4)選擇*100 的倍率, 順時針轉動脈沖轉盤, 快速地沿著軸向(徑向方向絕對不能改變)退出車刀, 按控制面板上的 RESET 按鍵, 停止主軸的轉動, 如圖 3-c 所示.

(5)控制面板切換至 OFFSET 界面, 按軟件選擇坐標系選項. 在 G54 坐標系中, 將光標移至 X 坐標位置, 輸入 X0, 按軟件測量, 系統自動將車刀當前所在的徑向位置, 即機械坐標OXZ中的X數值讀入, 作為該把車刀的工件坐標系x=0的位置 ; Z軸的操作亦相同. 至此預先建立一個如圖 3-c 所示的工件坐標系 ox1z1.

(6)用螺旋測微器量出圖 3-b 中試切毛坯件的直徑 Φd, 將步驟(5)中的 X 坐標值減去 Φd, 作為該把車刀

G54 工件坐標系的 x=0的位置, 即可建立出圖 3-c中所示的工件坐標系 ox2z2.

注：數控系統中的徑向尺寸, 不論是機械坐標系, 還是工件坐標系, 均以雙邊尺寸, 即直徑作為操作數

值, 即所量出的 Φd 無須除 2. (7)將車刀的刀尖中心, 置于工件右端面內軸向距離1~2mm處, 重新切換至OFFSET界面, 將該把車刀的 G54 坐標系 z=0 設置于該位置. 至此建立出圖 3-d 所示的工件坐標系 oxz.

注：將 z 軸置于工件右端面內 1~2mm, 并用手動或者程序的方法去除 z>0 的氧化層部分, 可以使得零件不受到氧化層的影響, 保證端面的粗糙度.

單把車刀的工件坐標系按照以上步驟(1)-(7)建立后, 在單把車刀的加工中, 無需再采用試切法確定x=0. 但是由于每次毛坯件的裝夾長度不同, z=0 需重新設定, 設定方法如步驟(7). 實踐中, 筆者在每條加工程序中加入 G94的軸向切削循環命令, 即可令機床自動去除右端面的氧化層, 而無需再手動切除 z>0部分.

2. 2 多把車刀的對刀

數控車床加工中需要用到多把車刀, 以 CKA6136 為例, 四工位旋轉刀架上可裝夾四把車刀, 多把車刀的對刀即是建立獨立工件坐標系之間互相聯系的過程：

具體有兩種方法：

a. 采用 1. 1 的單把車刀的對刀方法, 分別確定四把車刀所在的工件坐標系, 設定為 G54、G55、G56、G57, 并在數控程序中不同車刀的工藝段選擇相應的坐標系. 但該種方法對刀繁瑣, 特別對于新裝夾的工件, 每次都需要重新校核四把車刀的 z=0 位置, 嚴重影響批量生產的生產效率, 為此在實際生產中一般不采用該方法.

b. 采用刀具偏移量補正的方法：該方法以刀架上的某一把車刀為基準刀, 其余刀具與第一把刀具所在的坐標系相同(均可設為G54), 而通過設置x與z偏移量 x △ 和 z △ 的方法確定獨立坐標之間的關系, 如圖4所示.

對于新裝夾的工件, 采用該法后, 只需重新校核基準刀具的 z=0 位置, 而由于非基準刀具與基準刀具的 x 與 z 方向的偏移量為定值, 則無需再校驗非基準刀具的 z=0 和 x=0 的位置, 提高的批量生產的生產效率, 在實際生產中均采用此法進行多把車刀的對刀. 現以 2. 1 中的外圓車刀為基準刀, 建立多把車刀的工件坐標系, 具體做法如下：

(1)對基準刀, 步驟如 2. 1 ;

(2)MDI 模式輸入換刀指令 T0200, T指令中的前兩位表示刀號, 后兩位表示刀偏(00 為默認刀偏, 01 為一號刀偏等), 由于系統刀偏尚未設定, 此時二號車刀默認為無刀偏. 然后分別進行 x 方向和 z 方向刀偏量補正：

x 方向刀偏量補正：按 2. 1 中單把車刀對刀步驟(1)~(5)試切一軸向尺寸, 并量出該數值, 記住該數值, 設其為 2 x′ , 讀出控制面板中的工件坐標系的徑向數值, 設其為 2 x , 則非基準刀具所在的工件坐標系需往 x正方向偏移 2 X ? = 2 x - 2 x′方能與基準刀具所在的 G54 坐標系在徑向尺寸上完全相同, 若該數值小于零, 則偏移量取負號. 控制面板切換至OFFSET界面, 按軟件至刀具尺寸偏移界面, 在02號刀具X偏移量中輸入2 X ? = 2 x - 2 x′的代數值. z 方向刀偏量補正：用基準刀具 1, 手動切削試切工件 z>0 的端面部分. T指令切換至非基準刀 2, 采用手搖的模式, 緩慢接近工件右端面. 接近工件右端面后, 選擇*1 的脈沖倍率, 微微碰觸工件已加工的右端面, 記下此時的控制面板 2 z 數值, 而此時的非基準刀具的軸向尺寸 k z′ =0, 則非基準刀具所在的工件坐標系需往z正方向偏移 2 Z ? = 2 z - 2 z′ = 2 z 方能與基準刀具所在的G54坐標系在軸向尺寸上完全相同, 若該數值小于零, 則偏移量取負號. 控制面板切換至 OFFSET 界面, 按軟件至刀具尺寸偏移界面, 在 02 號刀具 Z 偏移量中輸入 2 Z ? = 2 z - 2 z′ = 2 z 的代數值.

(3)第 k 把車刀的徑向尺寸和軸向尺寸偏移量的補正方法與步驟 a, b 相同, 偏移量的尺寸關系如圖 4 所示.

3 數控車床刀具形狀的選擇

基準車刀的工件坐標和多把車刀的刀偏量設定后, 基本對刀過程就完成, 該過程的測量步驟越準確, 所加工的零件尺寸就越精確.

但由于實際刀片形狀和刀桿安裝角度的影響, 導致即使建立一個完整而準確的坐標系, 某些零件形狀也是無法實現的.

對于 CKA6136 型號數控車床, 以 2. 1中的等邊三角形形狀的外圓車刀為例, 分斜線與弧線兩種情況論述刀具形狀與零件形狀的關系, 如圖 5 所示.

(1)斜線的影響, 若零件縱向截面的為倒梯形, 如圖 5-a 所示, 則梯形母線與垂線的夾角 β 必須大于刀片夾角, 否則車刀的副切削刃的高于軌跡 AB, 軌跡 AB 無法加工.

(2)弧線的影響, 對于圖 5-b 所示的外凸圓弧, 假設刀具夾角為 γ, 所加工圓弧的半徑為 r, 則刀具加工的極限位置為d=rcosγ, -(r+d)<z<0 區域為弧線可加工生成的區域. 對于5-c所示的內凹圓弧, 刀具加工的理論其極限位置為 P=r(1- cosγ), 但是由于副切削刃長度的影響, 如圖 5-d 所示, 假設刀桿的寬度 b, 為實際刀具加工的極限位置為 Q=b+d=b+(b-P)=2b-P=2b-r(1-cosγ), -(2r-Q)<z<-Q區域為弧線可加工生成的區域.

4 數控車床機械坐標的設定

數控車床的機械坐標系是為了確定工件坐標系而設定的, 初始位置由廠家預設, 一般處于坐標平面內遠離卡盤的邊角位置, 通過存儲電池提供掉電記憶保護.

當存儲蓄電池電壓低的時候, 機床會自動報警, 所有的操作均無法進行, 而重新更換存儲蓄電池會改變廠家預設的機械坐標系位置, 因此機械坐標系的重新設定應該屬于對刀的過程, 是操作人員必須掌握的.

CKA6136 數控車床使用單組串聯 6V 存儲蓄電池, 對于長期不使用的數控車床, 系統內的存儲器備份電池會因為內部的氧化還原反映導致電能的消失, 包括數控車床在內的需要使用存儲器備份電池的機床, 均需要定期開機, 以每周 1~2 個小時為宜.

存儲器備份電池更換后, 機械坐標的原點需要重新設立, 否則機床出現需要重新設置機械坐標系的報警提示, 經查找機床說明書[4]

和實踐操作的檢驗, 正確的操作過程描述如下：

(1)控制面板程序保護開關的旋鈕旋轉至位置 1 ;

(2)System-第 3292 參數第八位設置為 0, (該位為系統參數可寫的保護位) ;

(3)Offset-參數-可寫選項設置為 1, (0為 Offset 參數不可寫, 1為可寫) ;

(4)Offset-參數-八位參數 1815-第五位, 設置為 0(該位為 0 表示將之前的機械坐標系信息清零), 關機重啟 ;

(5)將數控機床的刀具移至所需要的機械坐標原點 ;

(6)Offset-參數-八位參數 1815-第五位, 設置為 1(該位為 1 表示系統開始設置機械坐標系), 關機重啟 ;

(7)Offset-參數-八位參數 1815-第四位, 設置為 1(該位為 1 表示機械坐標設置為刀具當前位置) ;

(8)Offset-參數-可寫選項設置為 0, 參數不可改寫;

(9)System-第 3292 參數第八位設置為 1(保護所有系統參數);

(10)控制面板程序保護開關的旋鈕旋轉至位置 0.

5 結論

綜上, 本文論述的實用數控車床實用對刀技術能有效地提高零件的加工精度, 方便操作人員合理地選擇刀具, 對實際生產具有重義. 全文的知識框架如圖6所示：

數控機床是典型的機電一體化的產品, 對于從事操作工作、教學工作和設計工作的人員都必須詳細了解其功能、原理和各種特性, 才能更好地利用數控機床這一已經普及的產品為生產加工服務.

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淺談數控車床上實用對刀方法

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