数控铣床实训过程中易出现撞刀原因分析

张浩峰

(淮北职业技术学院 机电工程系，安徽 淮北 235000)



数控铣床实训过程中易出现撞刀原因分析

张浩峰

(淮北职业技术学院 机电工程系，安徽 淮北 235000)

数控铣床实训是机械类相关专业实训教学中一个非常重要的环节，在数控铣床实训过程中，撞刀现象时有发生，数控机床的安全性和工件加工质量必然受到很大影响，作者结合多年数控铣床实训指导经验，通过对数控铣床撞刀现象进行分析，采取相应措施，从而使设备的安全性及工件加工质量等得以保证。

数控铣床；实训教学；撞刀；分析

数控铣床在当今机械制造等行业中应用非常广泛，特别是用来加工各种孔系、曲面具有无与伦比的优势。但在学习使用数控铣床时，如果操纵不当极易出现撞刀现象，轻则损坏刀柄和刀具，重则造成数控铣床的损毁，特别是在数控铣床实训教学中，学生在操作中经常会出现撞刀现象，所以对数控铣床撞刀的原因分析研究采取相应的措施进行预防尤为重要。

1 数控铣床撞刀的概念

数控铣床主要是用在平面类、孔类、变斜角类、曲面类等方面零配件的加工，它具有高加工精度、高加工效率、高切削速度、高尺寸稳定性、低劳动强度(与普通铣床相比较)等特点。所谓数控铣床撞刀，指数控铣床上的刀具或刀柄在操作的过程中与工件或者是机床其它部件(如：工作台、夹具等)发生碰撞现象的总称。

通常，所有的数控铣床在各个加工轴上都用行程开关进行硬限位，还可以通过机床参数进行软限位，撞刀的可能性应该较小，但由于进行数控铣实训的学生对数控铣床的基本操作、程序编制等不够熟练，极容易出现各种撞刀现象，可能造成刀具和加工零件的损坏，或者造成数控铣床部件的损坏，从而使得数控铣床降低加工精度甚至失去加工能力，有时还会造成人身安全事故。

2 数控铣实训中易出现撞刀的原因

在数控铣实训中过程中，学生出现撞刀现象不可避免，主要有以下几个方面的原因：一是编程错误或考虑不周；二是工艺安排错误或不合理；三是对刀不准确或不当；四是操作失误。

2.1 编程错误或考虑不周产生撞刀

2.1.1 进给量F值设定不当

数控铣床进给量分为两种，就是每分进给量和每转进给量，每转进给量就是主轴每转一转刀具相对工件移动的距离，而每分进给量则是每分钟刀具相对工件移动的距离，数控铣床开机后默认的进给量是每分进给量。正常情况下加工时的每分进给量设定为几十到几百毫米，比如法F30、F300等，但是如果你的进给量设定过大，如F3500等，就可能出现刀具快速切入工件的现象，由于速度过快刀具难以承受如此大的切削力而折断；另外，如果在自动加工前使用了每转进给量(如在编程时有G95代码)，此时铣床的进给方式就变成了每转进给量，假如主轴转速为S1000转/分，进给量为F200,那么换算成每分进给量则为F200000，这时刀具就会以极快的速度切入工件而引起撞刀。

2.1.2 快速点定位G00使用不当

数控铣床编程中，G代码G00的功用为快速点定位，输入G00后自动运行时，刀具会快速定位到某一点，但是它的走刀路径一般不是直线而多为折线，不同的厂家在设定快速点定位时也可能有所不同，回参考点或自动加工时要认真观察刀具相对工件的位置，不要把G00和G01搞混了，G01是直线插补指令，它的走刀路径为直线，但G00走刀路径一般不是直线，忽略了这一点，在进行快速移动或参考点返回等操作时，就可能使刀具和工件夹具等发生干涉碰撞。

2.1.3 快速点定位G00输入错误

快速点定位G00如果在输入的时候输成了GO(注意不是英文字母G和数字0，而是英文字母G和英文字母O)，这时快速点定位G00指令实际上已经变成了宏程序里的条件语句里的if……GO语句，而GO在英文中有去的意思，有些机床的数控系统可能会执行沿某一方向一直移动的动作，最终超程或撞刀。

2.1.4 对有些数控系统的编程规则不甚了解

比如我们常用的FANUC数控系统，采用的是小数点编程，就是必须在地址字等的坐标值最后要加上小数点，如：Y100和Y100.的意义其实并不相同，Y100.和Y100.0一样单位都是毫米，而Y100的单位是微米，在编程时忘记加小数点，加工时很可能出现意想不到的结果，甚至可能撞刀。

2.1.5 程序的传输过程及调用中出现错误

有时候程序编制是完全正确的，但是传输参数错误等原因，使得程序在从储存介质向机床的传输过程中出现错乱、增加、减少，而在加工前又没有仔细核对，可能出现撞刀现象。另外程序有时虽然正确，但是一个工件的加工可能需要数个程序，每个程序的调用都有一定的先后顺序，如果程序的先后顺序有误也可能出现撞刀现象，比如钻孔程序和攻丝程序，必须是先调用钻孔程序再调用攻丝程序才能正常进行，如果是先调用攻丝程序只能会出现撞刀的情况。

2.2 工艺安排错误或不合理产生撞刀

2.2.1 工件的装夹方式不合理

在数控铣床实训中，由于工件不会太大，选择的夹具一般多为平口钳和三爪卡盘，实训中要根据工件的不同选择合适的夹具，比如圆柱形、三棱柱形、六棱柱形等工件一般选择三爪卡盘，而方形及近似方形工件一选择般平口钳，如果夹具选择不合理就可能出现夹持不稳的现象，轻则工件滑动、振刀而使工件加工质量下降，重则工件翻转甚至掉落而发生意外撞刀事故。

2.2.2 毛坯的选择不合理

在加工工件时毛坯的选择非常重要，如果实际选择的毛坯与设计的毛坯相比小很多，那么预想中的工件此时就变成了夹具，在加工时刀具就有可能碰到夹具，相反如果实际选择的毛坯与设计的毛坯相比大很多，那么预想中合适的快速定位点就会变成工件毛坯上的某个位置，在加工时刀具就有可能快速撞上工件。另外毛坯的材质也可能使加工出现意外，如毛坯有硬质点或大的气孔存在都有可能使加工不能进行，断刀现象时有发生。

2.2.3 刀具的选择不正确或安装不合理

刀具的选择不正确非常容易出现撞刀现象，由于学生对刀具不熟悉，把钻头当铣刀用，或把立铣刀当钻头用，亦或者未能考虑刀具直径的大小，这样撞刀现象就难免发生。刀具的安装不合理也是学生容易出现撞刀现象的一个重要原因，刀具伸出太长或太短都易发生撞刀，刀具伸出太长强度降低明显比较容易断刀，刀具伸出太短刀柄很容易碰到工件，比如加工凸台或凹槽时要求刀具的伸出长度多出2～5mm为宜。

2.2.4 切削参数不合理

切削参数包括切削速度、进给量、背吃刀量，切削速度过大或过小、进给量及背吃刀量过大都会使加工不能正常进行，轻则出现振刀现象或异常噪声，重则使刀具折断。另外在自动编程中二次开粗、三次开粗等如果余量不合适以及手工编程中刀具半径补偿不正确都可能使刀具意外折断。

2.2.5 坐标系的选择有误

在编程中编程坐标系选择在工件底部，而实际加工时工件坐标系选择在工件顶部，这种坐标系的不统一使得加工时极有可能出现撞刀现象。另外，我们知道数控铣床一般有6个基本工件坐标系G54～G59，分别对应表示第1工件坐标系～第6工件坐标系，G54是第1工件坐标系，也是大多数机床开机默认的工件坐标系， 还有某些机床如FANUC数控系统机床另外配有48个局部坐标系，如果加工时坐标系选择不正确就可能出现意外，撞刀现象也有可能发生。

2.2.6 进退刀的路线设定不合理

加工时进退刀的路线要合理，比如使用压板装夹工件顶层又需要加工时，刀具要想办法避开压板，否则刀具就会撞上压板。又比如精密镗孔时如果选择手动退刀，必须先让刀具离开工件内壁再沿+Z向退刀，而在反镗时是沿-Z方向退刀，搞混退刀方向就可能发生撞刀现象。另外在铣削凸台及钻孔时如果抬刀高度不够，或者退刀的方向及大小不合理都会使刀具撞上工件。还有，在凹槽加工时，对于立铣刀等不能直接下刀的工件，一般会在下刀处提前打好引导孔，而学生在加工时未从此处下刀或忘记打引导孔都会造成撞刀现象的发生。

2.2.7 加工起始点设置不合理

在铣削加工时，加工起始点设置不合理也易发生撞刀现象，比如凸台加工时，起刀点一般设置在工件外围某一点(如图1所示)，凹槽或内孔加工时，起刀点一般设置在工件内孔轴线方向并离工件有一定距离的某一点(如图2所示)，凸台形工件加工时刀具起始点所设的X、Y轴坐标值太小，凹槽及内孔形工件加工时起刀点离端面太近或离内控壁太近，都会极易发生撞刀现象。

图1 凸台形工件加工时刀具定位点

图2 凹槽或内孔加工时刀具定位点

2.2.8 程序的运行和调用不正确

程序的运行和调用要正确，在程序进行空运行校验程序时必须锁住机床运行，否则就会使刀具以极快的速度切入工件而发生撞刀现象，在校验后要取消空运行指令并进行参考点返回，否则在随后的加工中就可能出现意外甚至撞刀。在使用后台编辑功能时，后台编辑的程序没有调到前台，在进行加工时自动执行了别的前台程序而导致意外发生。在进行断点恢复的加工时，一般从中间某个程序段开始执行，而中间这些程序段多为直线或圆弧插补，常常没有主轴旋转指令，此时如果忘记加入主轴旋转指令，就会使静止的刀具撞上工件。在加工带有子程序的工件时，应该先执行主程序，如果加工工件从子程序开始执行程序，就会出现意想不到的结果甚至撞刀。另外，在加工时调用了与加工工件不符的程序也是极有可能撞刀的。

2.3 操作不当或错误产生撞刀

2.3.1 刀具或工件装夹不牢

工件装夹不牢是实训学生比较容易出现的问题，工件的夹紧力如果不够就会使工件加工时震动、翻转或掉落，出现撞刀现象也很有可能。刀具的装夹不牢也是学生实训学生中一个比较容易出现的问题，由于实训学生对各种扳手使用不熟练兼之许多学生力量较小使得刀具的夹紧力不够，加工时刀具松动或掉落现象也时有发生，撞刀情况就不可避免了。

2.3.2 对刀操作时手轮进给倍率使用不当

在数控铣床实训中，学生大多采用的是试切法对刀(精确对刀一般采用寻边器、Z轴设定仪等)。试切时进给采用的大多是手轮(也称手摇脉冲发生器)，多数学生在试切对刀时都对会忘记对手轮进给倍率的快慢档位进行转换，在没接近工件之前可以使用较大的进给倍率，当刀具靠近工件后必须换成较小的进给倍率，否则就会致造成刀具和工件的快速接触而发生碰撞。

2.3.3 对刀操作时数据输入不正确或者输入位置不对

在数控铣实训的对刀操作中，有学生会在数据输入时输入一个错误的值，比如FANUC系统小数点的有无会使输入的值也不同。如下图坐标系界面X坐标值，输入100时，实际值为0.1(如图3所示)，当输入100.或100.0时，实际值和输入值相同也为100(如图4所示)。或者是数据输入位置不对，如把X的坐标值输入到Y上，一旦输入值不正确或数据输入位置不对，那么在运行数控铣床切削加工工件时，就极有可能出现撞刀现象。

图3输入100时系统记录的实际值

图4输入100.或100.0时系统记录的实际值

2.3.4 零点偏移和刀具长度补偿方式混合使用有误

在数控铣削加工时我们大多采用零点偏移法对刀，对刀时把对刀值输入到工件坐标系G54～G59，实现零点偏移(如图5所示)，另外在加工时有时使用多把刀具，这时可以使用如下方法输入对刀值，工件坐标系G54内X、Y不变，Z值改为0，而在刀补界面长度补偿(H)相应位置输入原G54内的Z值(如图6所示)，加工时调用相应的长度补偿指令即可，比如把值输入到001位时，调用时可用G43 H01……，把不同的刀具长度补偿值输入到不同的位置，这时换刀加工时不需要重新对刀，只要调用不同的长度补偿值就可以接着加工，但是如果G54内的Z值和刀补界面长度补偿(H)值同时使用，以及你调用和输入的长度补偿(H)值不能对应，就有可能造成撞刀。

图5零点偏移法对刀

图6刀具补偿界面

3 数控铣床实训中减少撞刀的措施

通过对数铣实训中撞刀的原因进行分析，为减少撞刀现象发生可以采取措施：

3.1 确保程序正确及合理的调用和运行程序

数控铣削加工时要确保程序正确，不同数控系统G代码并不相同，都有各自相应的编程规则，为了保证程序的正确无误，加工之前可以采用多种方法进行检验，常用的检查方法有：数控仿真检查法、人工检查法、锁住机床程序校验法、空运行检查法、单段试切检查法等，通过以上方法进行检查，可以基本证程序的正确，并能消除相应的撞刀隐患；另外还必须能正确的调用和运行程序，在学生数控铣实训中，经常会出现加工使用的每个程序都正确，而调用顺序不正确的现象，特别是加工多程序工件或者带有子程序的工件时，都要特别注意程序的正确调用顺序，尽可能以减少撞刀现象的发生。

3.2 合理安排数控铣削加工工艺

首先，要选择合适的工件毛坯，毛坯的余量大小、形状、粗糙度、材质等要和加工工件相符合，毛坯确定后要选择合理的工件装夹方式，正确合理的装夹方式是工件能正常加工的必要条件。其次，要选择合适的刀具切能牢固的装夹，还要根据选定的刀具、毛坯等选择合理的切削参数。最后，为了避免各种刀具干涉现象，要合理安排加工起始点、加工路线、进退刀路线等，象凸台加工、凹槽加工、镗孔加工等，不管是起刀点、进刀路线还是退刀路线等都要仔细斟酌。

3.3 确保操作熟练以后再进行工件的加工

在加工工件前，学生要能熟练的操作数控铣床。首先，对各坐标轴的正负方向要特别熟悉，否则在手工解除超程、驶离工件等时候，就会因为搞反运动方向而拉坏丝杠或撞上工件。其次，要能熟练的进行对刀操作，对刀方法有许多种，实训老师可能会介绍3到4种，不同的同学可能会选择不同的对刀方式，加工工件时切莫几种对刀方法混和使用，另外，对刀结束后要选择合适的验刀方式对对刀值进行校验。最后，加工前要仔细查看机床所处的状态，如果处在空运行状态时要及时取消、处在后台编辑状态时要把程序调到前台、处在MDI状态时要调到自动运行状态。

3.4 根据工件、夹具等设置合适的机床的软、硬限位

数控铣床的限位分为硬限位和软限位，硬限位由挡块及行程开关共同控制，行程开关的位置一般都是固定的，挡块可以根据工件等作适当的调整，操作时一般不会出现刀具和工作台等碰撞的现象，但因震动等原因可能会使行程开关或挡块出现松动，硬限位失灵现象时有发生，加工前要经常对这些部位进行检查，确保限位的可靠性。数控铣床的软限位由系统的某些参数来控制，如FANUC系统，其各轴的正、负极限位置分别由1320#、1321#参数来设定，在实际加工时，大多用参数对Z轴负向进行限位，确保刀具不会撞上工件和夹具，数控床铣不同限位轴及限位值也会不同，当然使用时要注意两种限位的使用条件，对于需要返回参考点的数控铣床，回零后软限位才能起作用，而硬限位一直都起作用，但刀具或工作台移动速度不能太快，否则，会因为刀具或工作台惯性太大而使行程开关失灵或挡块滑动，从而使硬限位不能起到应用的保护出现飞车事故。

3.5 提高学生应对突发故障的能力

在加工过程中会出现各种突发现象(如超程、急停、断电等)，学生要能正确的处理。出现突发故障时要仔细观察故障现象，不要盲目移动机床或刀具，待故障解除后再让刀具慢慢离开工件，注意退刀的方向，切莫搞反方向而撞上工件，离开工件后仔细检查刀具及工件情况，出现工件或刀具损坏时要及时更换，一般首先要对数控铣床进行回零操作，必要时还须重新对刀，采用合适的方法继续进行加工。

4 结论

工艺安排不合理、编程及对刀不正确、操作不当、工件及毛坯不合适等，都是数铣实训中几种较为常见的撞刀原因，在数控铣床实训中还有很多其他原因会导致撞刀现象发生，对应的解决措施也有很多，通过以上对数控铣床撞刀原因进行分析及提出的解决措施可以帮助实训学生，尽量减少撞刀现象的发生，使他们能用数控铣床独立的完成对工件的加工，这对保证实训人身和设备的安全，保持数控铣床加工精度及延长设备使用寿命，提高数控铣床学生实训教学的质量等都具有重要的现实意义。

[1] 刘美玲.浅谈数控铣床实训教学中的撞刀现象及对策[J].机械管理开发,2012(5).

[2] 刘玉宾.数控实训中常见数控加工中心撞刀的原因及防止办法[J].现代制造技术与装备,2013(2).

[3] 周振阳.数控实训中常见的撞刀原因及防止办法[J].中国科技博览,2015(3).

责任编辑：力 草

2016-08-5

张浩峰(1973—)，男，安徽淮北人，工程师，讲师，研究方向：数控技术。

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1671-8275(2016)05-0051-04