石料浮雕數(shù)控加工的路徑規(guī)劃研究

朱炳任 劉陽

摘 要：隨著社會的不斷發(fā)展，人們對雕刻產(chǎn)品的需求不斷增長，數(shù)控浮雕加工技術(shù)應(yīng)運而生。該技術(shù)完美解決了人們對浮雕產(chǎn)品日益增長的需求和手工加工浮雕的產(chǎn)量低的突出矛盾。本文以篆刻石料為加工材料，采用對比實驗的方式，對環(huán)切進給加工、往復進給平行加工、單向進給平行加工三種不同的加工路徑進行加工。對加工成品的時間，粗糙度，與原圖對比精確度進行統(tǒng)計測量并得出最優(yōu)加工路徑。

關(guān)鍵詞：浮雕加工;數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用;路徑規(guī)劃

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.025

0 引言

經(jīng)濟社會飛速發(fā)展，數(shù)控銑床、CAXA制造工程師等自動編程軟件的出現(xiàn)使數(shù)控加工浮雕成為可能，為滿足日益增長的浮雕產(chǎn)品需求開辟一條新路[1-2]。數(shù)控切削加工刀具運動軌跡優(yōu)化是發(fā)揮數(shù)控加工設(shè)備生產(chǎn)效率的有效途徑。在路徑規(guī)劃方面，應(yīng)用于刀具軌跡的拓撲結(jié)構(gòu)一般有環(huán)切與行切，而行切走刀模式又分為單向進給模式與往復進給模式[3]。本文以實驗為依托，對篆刻石料平面加工的路徑規(guī)劃進行研究。

1 實驗器材與方法

1.1 實驗器材

實驗選擇的加工毛坯石料為莫氏硬度2-4度的篆刻石料;采用CAXA制造工程師數(shù)控加工編程軟件進行代碼生成。該軟件為CAD/CAM一體化設(shè)計，可生成加工路徑，實體仿真出加工效果，自動生成加工復雜曲面所需的加工代碼，也有可對復雜曲面加工代碼進行逆向讀取，檢驗自動生成的加工代碼是否出現(xiàn)錯誤的功能;其運行環(huán)境是Windows[4];加工設(shè)備選擇高精度小型臺式數(shù)控金屬加工銑床SW-180M進行加工。其主要性能參數(shù)：（1）主軸最高轉(zhuǎn)速：正轉(zhuǎn)：2000rpm，反轉(zhuǎn)：1000rpm;（2）進給速率：5-1517mm/min;（3）快速移動速度：1540mm/min;（4）最大加工范圍：x軸方向100mm，y軸方向80mm，z軸方向60mm。

1.2 實驗方法

為檢驗加工路徑對加工效率和加工精度的影響，本課題選用較為苛刻的加工參數(shù)，以便能使加工結(jié)果有明顯的優(yōu)劣區(qū)分度。加工參數(shù)設(shè)定如下：刀距為0.1mm;切削速率為1500mm/m;深度為1mm;層數(shù)為3。其它參數(shù)設(shè)定如下：加工精度設(shè)置為0.01mm，最小步距設(shè)置為0.5慢速下刀速度，切入與切出速度均設(shè)定位x軸向進給速率的百分之75，退刀速度與切削速度相同。為提高加工質(zhì)量與加工效率，主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為所用設(shè)備的最大轉(zhuǎn)速2000R/m，考慮到加工的垂直方向范圍在0.8mm以內(nèi)，為減少刀具控行程，提高加工效率，安全高度設(shè)置為2，慢速下/退刀高度設(shè)置為1。刀具為雕刻用硬質(zhì)合金銑刀，具體參數(shù)如下：刀桿直徑3.175mm，刀具錐角7.5度，桿長45mm，刃長10mm。刀尖寬0.2mm。

依照以上設(shè)定的參數(shù)換用環(huán)切進給加工、往復進給平行加工、單向進給平行加工三種不同的加工路徑進行加工。記錄加工過程所需時間，測量加工成品的粗糙度，和與原圖的對比度相似度。然后兩兩對比選出最優(yōu)的加工路徑。

2 實驗結(jié)果與對比分析

將待加工原圖經(jīng)過圖片處理后利用CAXA生成加工代碼。按環(huán)切進給、平行單向進給、平行往復進給進行加工，每種進給方式進行20次加工實驗，將每組實驗結(jié)果求平均值并進行對比分析。

2.1 環(huán)切進給加工與平行單向進給加工對比分析

對環(huán)切進給加工與平行單向進給加工結(jié)果測量和統(tǒng)計如表1。對這兩種刀具路徑的加工時間、表面粗糙度、與原圖對比相似度進行比較可以看出：環(huán)切進給加工與平行單向進給加工相比表面粗糙度無較大差別;加工效率方面，環(huán)切進給加工明顯優(yōu)于平行單向進給加工;而與原圖對比相似度方面，平行單向進給加工明顯優(yōu)于環(huán)切進給加工。

2.2 平行往復進給加工與平行單向進給加工對比分析

對平行往復進給加工與平行單向進給加工結(jié)果測量和統(tǒng)計如表2。對這兩種具路徑加工時間、表面粗糙度、與原圖對比相似度進行比較可以看出：平行單向進給加工與平行往復進給加工相比表面粗糙度無較大差別;加工效率方面，平行往復進給加工明顯優(yōu)于平行單向進給加工;而與原圖對比相似度方面，平行單向進給加工與平行往復進給加工無明顯差別。

2.3 環(huán)切進給加工與平行往復進給加工對比分析

對環(huán)切進給加工與平行往復進給加工結(jié)果測量和統(tǒng)計如表3。對這兩種具路徑加工時間、表面粗糙度、與原圖對比相似度進行比較可以看出：環(huán)切進給加工與平行往復進給加工相比表面粗糙度無較大差別;加工效率方面，環(huán)切進給加工與平行往復進給加工相比無較大差別;而與原圖對比相似度方面，平行往復進給加工明顯優(yōu)于環(huán)切進給加工。

3 結(jié)語

通過對三組實驗的結(jié)果進行對比，不難發(fā)現(xiàn)：三組加工結(jié)果粗糙度沒有明顯區(qū)別;環(huán)切進給加工效率高，但石料加工過程中出現(xiàn)崩裂現(xiàn)像且行面積較大，導致結(jié)果與原圖對比相似度較低;平行單向進給加工在石料加工過程中雖出現(xiàn)崩裂現(xiàn)像但行面積較小，導致結(jié)果與原圖對比相似度較高，但加工效率較低;平行往復進給加工效率與環(huán)切進給加工類似，但與原圖對比相似度也較高，與平行單向進給加工相差不大。由此可見，平行往復進給加工在相同的加工條件下，加工性能優(yōu)于其它兩種加工方法。

參考文獻：

[1]張黨飛.基于 CAXA 的數(shù)控雕刻 CAD/CAM 技術(shù)研究[D].西安：西安建筑科技大學，2012.

[2]申麗國，張昆，黃征.國外數(shù)控技術(shù)的研究動向和發(fā)展趨勢[J]. 制造業(yè)自動化，1996（02）：19-23.

[3]周虹.數(shù)控加工工藝與編程[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[4]http：//baike.baidu.com/link？url=31h2YrkTotdl65DUsIvIBWIB53oVu7lwF1K7xpThtUgnBB3sskFidn4zJ1wbAwZ2vC2qiABMVWmZBdzDTPhWrK.

作者簡介：朱炳任（1994-），男，吉林伊通人，碩士研究生，研究方向：固體力學。