異型石材制品五軸數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)方法的研究

宗宇鵬，吳玉厚, 耿 聰, 趙德宏

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

0 引言

異型石材制品具有曲面構(gòu)成復(fù)雜、表面光滑度要求較高等特點(diǎn)，采用三軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工時(shí)，由于刀軸方向固定不變，加工中不可避免會(huì)產(chǎn)生刀具干涉、欠切以及過(guò)切等問(wèn)題，影響加工精度和加工效率。隨著人類(lèi)物質(zhì)文化水平的提高以及建筑裝飾業(yè)的蓬勃發(fā)展，異型石材制品越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于藝術(shù)雕刻、家居裝飾等領(lǐng)域[1～3]。五軸數(shù)控機(jī)床兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的引入，使其能夠根據(jù)加工需要靈活控制刀軸方向，在異型石材制品高精高效加工中發(fā)揮著日趨重要的作用[4]。

在異型石材制品五軸聯(lián)動(dòng)加工中，加工工藝設(shè)計(jì)的合理性是保證加工精度和加工效率的關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在五軸數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)方面開(kāi)展了大量研究，取得一系列理論科研成果[6～7]。因此，本文在對(duì)異型石材制品五軸聯(lián)動(dòng)加工特點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于異型石材制品的五軸數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)方法，該方法在克服石材制品表面多突變的基礎(chǔ)上，提高加工效率和精度。

1 異型石材制品五軸加工工藝分析

異型石材制品具有表面凹凸不平、曲面曲率變化不連續(xù)等特征。在該類(lèi)制品五軸數(shù)控加工中，加工工藝設(shè)計(jì)合理與否對(duì)加工效果的提升有著至關(guān)重要的作用。加工工藝設(shè)計(jì)部分主要包括切削用量選擇、切削參數(shù)計(jì)算以及加工策略選擇等工作。其中，工藝參數(shù)設(shè)置及切削用量的選擇不合理，會(huì)出現(xiàn)機(jī)床主軸振動(dòng)劇烈的情況，進(jìn)而帶來(lái)嚴(yán)重的刀具損耗問(wèn)題；加工策略選擇不合理，會(huì)出現(xiàn)工件表面殘料不均等情況，進(jìn)而影響加工精度。因此，以下將分別對(duì)異型石材制品五軸數(shù)控加工工藝分析部分涉及到的切削用量選擇、切削參數(shù)計(jì)算以及加工策略選擇等進(jìn)行介紹。

1.1 切削用量選擇

在實(shí)際加工中發(fā)現(xiàn)，隨著切削速度Vc增加，切削溫度不斷升高。切削溫度的升高會(huì)帶來(lái)下述兩個(gè)問(wèn)題：①工件材料的剪切強(qiáng)度和硬度不斷降低；②工件與刀具之間的摩擦系數(shù)不斷減少。上述兩個(gè)問(wèn)題均會(huì)導(dǎo)致切削力下降。

由公式Ac=ap×f 可知，在切削深度ap不變的前提下，進(jìn)給量f 增大，切削面積Ac呈線性增加趨勢(shì)。切削面積Ac的增加，說(shuō)明單位時(shí)間內(nèi)去除的材料體積增大，切削過(guò)程中需要的能耗增加，也即所需的切削力增大。因此，進(jìn)給量f 的增加會(huì)導(dǎo)致切削力的需求增加。同理可知，在進(jìn)給量f 保持不變的前提下，切削深度ap的增大也會(huì)令切削面積Ac呈線性增加趨勢(shì)，進(jìn)而導(dǎo)致所需切削力的增大。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際加工中，切削深度ap對(duì)切削力的影響程度要超過(guò)進(jìn)給進(jìn)度對(duì)切削力的影響。因此，在可行的范圍內(nèi)，減小切削深度并提高切削速度是降低切削力的有效措施。

通過(guò)上述分析可知，選擇合適的切削速度、切削深度，使切削力的變化在可控區(qū)間之內(nèi)，是提高加工精度，避免刀具折斷等不良結(jié)果發(fā)生的有效途徑。

1.2 切削參數(shù)的計(jì)算

在異型石材加工中，主要涉及每齒進(jìn)給速度、行距以及切削速度等參數(shù)的計(jì)算。每齒進(jìn)給速度f(wàn)Z表示多齒刀具每旋轉(zhuǎn)一個(gè)齒間角時(shí)，銑刀相對(duì)工件在進(jìn)給方向上的位移，單位為mm/tooth，其計(jì)算公式：

其中：fZ—每齒進(jìn)給速度 （mm/tooth）；z—銑刀刃數(shù)；vf—進(jìn)給速度（m/min）；n—主軸轉(zhuǎn)速（r/min）。行距L 表示兩相鄰切削行刀具軌跡之間的距離，單位為mm，其計(jì)算公式：

其中：h—?dú)堄喔叨龋╩m）；Re—刀具有效切削半徑（mm）；Rb—曲面局部曲率半徑（mm）；O—刀軸矢量；Z—切削點(diǎn)處曲面法矢。切削速度Vc表示刀具切削刃上的某一點(diǎn)相對(duì)于待加工表面在主運(yùn)動(dòng)方向上的瞬時(shí)速度（m/min）：

其中：D1—銑刀直徑（mm）。

1.3 加工策略選擇

走刀方式是指刀具在切削工件時(shí)的刀位軌跡規(guī)劃方式，典型的走刀方式如圖1 所示。異型石材制品的五軸數(shù)控加工工藝過(guò)程分為粗加工和精加工兩個(gè)階段。

（1）粗加工策略的選擇。衡量粗加工策略好壞的關(guān)鍵指標(biāo)是加工時(shí)間，同時(shí)應(yīng)兼顧考慮殘料均勻程度，以方便下一步精加工。因此，粗加工工藝參數(shù)的設(shè)置特點(diǎn)為： 去除材料多、切削速度小、進(jìn)給量和切深大。

粗加工策略的選擇也即是加工部件切削模式的定義。在UG/CAM 模塊所提供的切削模式中，適用于異型石材制品模型粗加工的切削模式有往復(fù)、跟隨周邊、跟隨部件，分別如圖1（a）、（b）、（c）所示。其中，“往復(fù)”是創(chuàng)建一系列平行的線性刀路，這些刀路彼此切削方向相反，但步進(jìn)方向一致。采用這種切削模式，可以通過(guò)允許刀具在步進(jìn)間保持連續(xù)的進(jìn)刀來(lái)最大化切削運(yùn)動(dòng)，在相反方向切削結(jié)果是生成一系列的交替順銑和逆銑，切削效率高，可以大量的去除材料，但加工剩余殘料較多。“跟隨周邊” 切削模式就是按照邊界或者最大輪廓的外形走刀的方式，此方式生成的刀路整齊，抬刀次數(shù)少，編程時(shí)要選上島清理與壁清理，否則會(huì)漏刀。跟隨周邊適用于簡(jiǎn)單的零件，對(duì)于復(fù)雜零件，特別是大型復(fù)雜零件二次開(kāi)粗過(guò)程中容易出現(xiàn)小問(wèn)題。“跟隨部件”通過(guò)從整個(gè)部件幾何體中偏置來(lái)創(chuàng)建切削模式，而不管該部件幾何體環(huán)周邊、島還是型腔模式，因此，它可以保證刀具沿著整個(gè)幾何體進(jìn)行切削，從而無(wú)需設(shè)置島清理刀路。“跟隨部件” 雖然多余刀路少跳刀多，降低了加工效率，但是將 “開(kāi)放刀路” 選項(xiàng)變?yōu)?“變換切削方向”，將 “切削參數(shù)” —“連接” 中的 “切削順序” 改成“優(yōu)化”，這樣刀路雖然會(huì)變成順逆銑混合，但會(huì)明顯減少了抬刀次數(shù)，提高了加工效率。UG 型腔銑中 “跟隨部件” 切削模式主要應(yīng)用于大余量開(kāi)粗且形狀比較復(fù)雜（凸、凹特征或開(kāi)放、封閉區(qū)域并存） 的零件，刀路計(jì)算準(zhǔn)確。

圖1 粗加工策略Fig.1 Rough machining strategy

（2）精加工策略的選擇。理想的精加工刀路具有軌跡連續(xù)且不存在方向突變，精加工去除材料少，主軸轉(zhuǎn)速大，切削速度大，進(jìn)給量小等特點(diǎn)。

在PowerMILL 所提供的精加工策略中，適用于異型石材制品模型精加工的切削模式有平行精加工、陡峭和淺灘、無(wú)光順的三維偏置、有光順的三維偏置，如圖2 所示。圖2（a）圖所示的是平行走刀加工策略，與行切近似，刀具走到陡峭的區(qū)域易折斷刀具，而且這種策略從圖上就可看出，在局部陡峭處的刀軌分布稀疏不均，加工質(zhì)量不好。圖2（b）圖所示是陡峭和淺灘策略，該策略無(wú)需手動(dòng)劃分加工邊界，自動(dòng)在陡峭處走等高的刀軌，在平坦處走平行的刀軌，不僅有效的提高了編程人員的編程效率，加工質(zhì)量明顯好于圖2（a）策略，而且刀具在陡峭處不易折刀。該策略的缺點(diǎn)在于存在某些不是連續(xù)的刀軌，存在的抬刀和進(jìn)退刀次數(shù)明顯多于平行加工策略。刀軌不連續(xù)，刀路跳轉(zhuǎn)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致機(jī)床急劇地加減速，降低刀具壽命，也不利于加工質(zhì)量控制。該策略適合三軸加工的石材浮雕制品的精加工，也適合表面平坦與陡峭共存的立體石材工藝品的加工，但不適合曲率變化不連續(xù)的異型石材制品五軸加工。

圖2（c）、圖2（d）圖中顯示的均是三維偏置加工策略。該策略在異型石材制品五軸加工領(lǐng)域的應(yīng)用要優(yōu)于（a）、（b）策略，其優(yōu)勢(shì)在于無(wú)論模型表面曲率如何變化，步距都是均勻的。（c）策略對(duì)三維偏置出的刀軌沒(méi)有進(jìn)行光順，刀軌雖均勻且等距，但存在明顯的尖角，刀路突然轉(zhuǎn)向，刀路中存在尖點(diǎn)，因此機(jī)床加工過(guò)程中可能突然加減速，刀具上所承受的徑向力也急劇變化，對(duì)表面加工質(zhì)量肯定有影響。（d）圖對(duì)三維偏置出的刀軌進(jìn)行了優(yōu)化，刀軌已經(jīng)不是純等距，但非常光順，適合立體人頭像等表面曲率變化不連續(xù)且有劇烈突變的模型的加工。

圖2 精加工策略Fig.2 Finish machining strategy

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上文內(nèi)容的有效性，本部分以異型石材制品立體佛像模型為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，結(jié)合石材粗、精加工的特點(diǎn)對(duì)工藝參數(shù)以及切削用量等值進(jìn)行設(shè)置，采用UG、PowerMILL 編程軟件自動(dòng)生成刀位軌跡，并對(duì)加工結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2.1 佛像粗加工編程

針對(duì)異型石材制品立體佛像模型粗加工特點(diǎn)，在UG/CAM 程序順序視圖窗口下，創(chuàng)建加工程序。下文將從加工時(shí)間和殘料均勻程度的角度，比較石材粗加工策略的加工效果。

分別采用往復(fù)、跟隨周邊、跟隨部件切削模式對(duì)立體佛像模型進(jìn)行粗加工編程，UG 仿真效果如圖3（a）、（b）、（c）所示。由圖3 可發(fā)現(xiàn)，采用往復(fù)切削模式得到的表面殘料均勻程度最差，且用時(shí)最長(zhǎng)，顯然往復(fù)式切削模式不適用石材工藝品的粗加工，通過(guò)表1 加工時(shí)間比較上來(lái)看，跟隨周邊耗時(shí)最短為17h54min19s，跟隨部件耗時(shí)較長(zhǎng)18h15min28s，跟隨部件切削模式比跟隨周邊且學(xué)模式多用時(shí)21min8s,盡管跟隨部件從加工效率上來(lái)講沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，移刀和抬刀占用很多時(shí)間，比較費(fèi)時(shí)，但從跟隨部件切削模式加工質(zhì)量最好，殘料比較均勻，加工殘料均勻程度上來(lái)講要優(yōu)于跟隨周邊（佛像頭頂有未去除殘料），所以對(duì)于形狀復(fù)雜的石材工藝品開(kāi)粗切削模式最好選擇跟隨部件。

圖3 不同切削模式殘料模型仿真比較Fig.3 Simulation comparison of residual material between different cutting mode

表1 不同切削模式耗時(shí)比較Tab.1 Processing time comparison between different cutting mode

對(duì)于同一模型均采用跟隨部件策略，分別采用平底刀D10 和環(huán)形刀D10R2 進(jìn)行開(kāi)粗，其余編程參數(shù)設(shè)置相同的情況下，3D 仿真結(jié)果比較如圖4（a）、（b）所示。從圖中可看出，使用平底刀加工后模型表殘料較多，光潔度不高；使用環(huán)形刀加工后的模型表面要比使用平底刀加工的模型表面光順平整一些，表面殘料更均勻，加工質(zhì)量更好，如表2 所示。從加工效率上來(lái)看，對(duì)于使用同一直徑的刀具開(kāi)粗，平底刀耗時(shí)更短、加工效率更高。綜合考慮，所以對(duì)于像立體人像這種立體異形石材開(kāi)粗宜選用帶有下角半徑的環(huán)形刀。

2.2 佛像精加工編程

圖4 使用不同刀具殘料模型仿真比較Fig.4 Simulation comparison of residual material using different cutter

表2 不同刀具效率比較Tab.2 Processing time comparison between different cutter

在實(shí)際精加工操作中，因?yàn)榫庸r(shí)幾乎去除所有殘料，刀具一般都選用直徑小的球刀，避免在一些細(xì)小的凹陷部位發(fā)生欠切。加工刀具類(lèi)型選擇球頭刀，切入角連續(xù)變化，那么切削力也就處在一個(gè)連續(xù)的變化過(guò)程，切削過(guò)程穩(wěn)定，表面光潔度更高，創(chuàng)建精加工程序，選擇D4R2 球頭刀，主軸轉(zhuǎn)速為6000r/min，進(jìn)給率500mm/min，殘余高度0.01mm 控制步距。在其余編程參數(shù)設(shè)置相同的情況下這里從加工精度角度考慮如何選擇石材精加工策略。從圖5 仿真結(jié)果看出，光順后的三維偏置模型表面光潔度更高，小區(qū)域加工更加徹底，與圖5（a）仿真結(jié)果相比，圖5（b）圖佛像口部殘料清理更加徹底，加工質(zhì)量更高。

圖5 精加工仿真結(jié)果對(duì)比Fig.5 Simulation comparison of finish machining

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)三維佛像立體模型粗、精加工五軸編程及加工仿真，結(jié)合石材制品的數(shù)控加工特點(diǎn)得出： 對(duì)于異型石材模型的五軸加工編程，粗加工時(shí)，跟隨部件加工策略殘料比較均勻，加工質(zhì)量最好，利用環(huán)形刀代替平底刀可提高加工質(zhì)量及加工效率；精加工時(shí)，對(duì)比其他加工策略，光順后三維偏置加工策略仿真效果最佳，表面光潔度更高。

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