異型石材制品五軸數(shù)控加工工藝設(shè)計方法的研究

宗宇鵬，吳玉厚, 耿 聰, 趙德宏

（沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 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，采用三軸數(shù)控機床進行加工時，由于刀軸方向固定不變，加工中不可避免會產(chǎn)生刀具干涉、欠切以及過切等問題，影響加工精度和加工效率。隨著人類物質(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)控機床兩個旋轉(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)動加工中，加工工藝設(shè)計的合理性是保證加工精度和加工效率的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)外學者在五軸數(shù)控加工工藝設(shè)計方面開展了大量研究，取得一系列理論科研成果[6～7]。因此，本文在對異型石材制品五軸聯(lián)動加工特點進行分析的基礎(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。在該類制品五軸數(shù)控加工中，加工工藝設(shè)計合理與否對加工效果的提升有著至關(guān)重要的作用。加工工藝設(shè)計部分主要包括切削用量選擇、切削參數(shù)計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，會出現(xiàn)機床主軸振動劇烈的情況，進而帶來嚴重的刀具損耗問題；加工策略選擇不合理，會出現(xiàn)工件表面殘料不均等情況，進而影響加工精度。因此，以下將分別對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)計算以及加工策略選擇等進行介紹。

1.1 切削用量選擇

在實際加工中發(fā)現(xiàn)，隨著切削速度Vc增加，切削溫度不斷升高。切削溫度的升高會帶來下述兩個問題：①工件材料的剪切強度和硬度不斷降低；②工件與刀具之間的摩擦系數(shù)不斷減少。上述兩個問題均會導(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，進給量f 增大，切削面積Ac呈線性增加趨勢。切削面積Ac的增加，說明單位時間內(nèi)去除的材料體積增大，切削過程中需要的能耗增加，也即所需的切削力增大。因此，進給量f 的增加會導(dǎo)致切削力的需求增加。同理可知，在進給量f 保持不變的前提下，切削深度ap的增大也會令切削面積Ac呈線性增加趨勢，進而導(dǎo)致所需切削力的增大。通過觀察發(fā)現(xiàn)，在實際加工中，切削深度ap對切削力的影響程度要超過進給進度對切削力的影響。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)的計算

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

其中：fZ—每齒進給速度 （mm/tooth）；z—銑刀刃數(shù)；vf—進給速度（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，其計算公式：

其中：h—殘余高度（mm）；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—切削點處曲面法矢。切削速度Vc表示刀具切削刃上的某一點相對于待加工表面在主運動方向上的瞬時速度（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)控加工工藝過程分為粗加工和精加工兩個階段。

（1）粗加工策略的選擇。衡量粗加工策略好壞的關(guān)鍵指標是加工時間，同時應(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)置特點為： 去除材料多、切削速度小、進給量和切深大。

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，但步進方向一致。采用這種切削模式，可以通過允許刀具在步進間保持連續(xù)的進刀來最大化切削運動，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，編程時要選上島清理與壁清理，否則會漏刀。跟隨周邊適用于簡單的零件，對于復(fù)雜零件，特別是大型復(fù)雜零件二次開粗過程中容易出現(xiàn)小問題?！案S部件”通過從整個部件幾何體中偏置來創(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幾何體進行切削，從而無需設(shè)置島清理刀路?！案S部件” 雖然多余刀路少跳刀多，降低了加工效率，但是將 “開放刀路” 選項變?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”，這樣刀路雖然會變成順逆銑混合，但會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)用于大余量開粗且形狀比較復(fù)雜（凸、凹特征或開放、封閉區(qū)域并存） 的零件，刀路計算準確。

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，進給量小等特點。

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，該策略無需手動劃分加工邊界，自動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。該策略的缺點在于存在某些不是連續(xù)的刀軌，存在的抬刀和進退刀次數(shù)明顯多于平行加工策略。刀軌不連續(xù)，刀路跳轉(zhuǎn)過多會導(dǎo)致機床急劇地加減速，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)勢在于無論模型表面曲率如何變化，步距都是均勻的。（c）策略對三維偏置出的刀軌沒有進行光順，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，因此機床加工過程中可能突然加減速，刀具上所承受的徑向力也急劇變化，對表面加工質(zhì)量肯定有影響。（d）圖對三維偏置出的刀軌進行了優(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 實驗驗證

為驗證上文內(nèi)容的有效性，本部分以異型石材制品立體佛像模型為實驗對象，結(jié)合石材粗、精加工的特點對工藝參數(shù)以及切削用量等值進行設(shè)置，采用UG、PowerMILL 編程軟件自動生成刀位軌跡，并對加工結(jié)果進行對比。

2.1 佛像粗加工編程

針對異型石材制品立體佛像模型粗加工特點，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立體佛像模型進行粗加工編程，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，且用時最長，顯然往復(fù)式切削模式不適用石材工藝品的粗加工，通過表1 加工時間比較上來看，跟隨周邊耗時最短為17h54min19s，跟隨部件耗時較長18h15min28s，跟隨部件切削模式比跟隨周邊且學模式多用時21min8s,盡管跟隨部件從加工效率上來講沒有優(yōu)勢，移刀和抬刀占用很多時間，比較費時，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講要優(yōu)于跟隨周邊（佛像頭頂有未去除殘料），所以對于形狀復(fù)雜的石材工藝品開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 不同切削模式耗時比較Tab.1 Processing time comparison between different cutting mode

對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 進行開粗，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。從加工效率上來看，對于使用同一直徑的刀具開粗，平底刀耗時更短、加工效率更高。綜合考慮，所以對于像立體人像這種立體異形石材開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

在實際精加工操作中，因為精加工時幾乎去除所有殘料，刀具一般都選用直徑小的球刀，避免在一些細小的凹陷部位發(fā)生欠切。加工刀具類型選擇球頭刀，切入角連續(xù)變化，那么切削力也就處在一個連續(xù)的變化過程，切削過程穩(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)果對比Fig.5 Simulation comparison of finish machining

3 結(jié)論

本文通過對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)控加工特點得出： 對于異型石材模型的五軸加工編程，粗加工時，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，對比其他加工策略，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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