基于等殘留高度法的曲面刀路規(guī)劃及加工

謝凡

摘 要：本文在等殘留高度刀具路徑規(guī)劃方法的基礎(chǔ)上，為解決同一曲面加工后表面質(zhì)量差異大的問題，將曲面作為兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行加工，并將其劃分為陡峭區(qū)域和平坦區(qū)域本文通過在不同區(qū)域。加工過程中使其自動(dòng)更換行距（即陡峭區(qū)域的行距稍大，平坦區(qū)域的行距?。?，使同一曲面加工后表面質(zhì)量達(dá)到一致。

關(guān)鍵詞：等殘留高度法 曲面加工 表面粗糙度

中圖分類號(hào)：TG65 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2018）02（a）-100-02

數(shù)控加工較傳統(tǒng)加工而言，其加工表面質(zhì)量較好且加工效率高。在數(shù)控加工中，為獲得較好的加工效果一般采用較高的轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工，所以對(duì)機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速要求較高，且在切削刀具、刀具軌跡規(guī)劃和加工數(shù)據(jù)處理等方面也提出較高要求。實(shí)際研究表明，銑削加工中，影響零件表面質(zhì)量的主要因素還有加工過程中產(chǎn)生的振動(dòng)。

1 曲面刀具路徑規(guī)劃

本文選用的研究對(duì)象與碗形曲面類似，不同的是碗形曲面的底部為水平面，而本文采用的曲面是完整的一段圓弧。在加工過程中，當(dāng)進(jìn)行曲面底部切削的時(shí)候，其切削速度為零且刀具處于零點(diǎn)切削，導(dǎo)致加工出的工件表面質(zhì)量差以及曲面上下表面粗糙度不一致的現(xiàn)象。為解決這一現(xiàn)象（即加工后曲面陡峭區(qū)域與底部平坦區(qū)域表面粗糙度不一致），本文提出一種新的刀具路徑。在加工過程中，為使曲面上下表面質(zhì)量達(dá)到一致，本文通過同一曲面劃分區(qū)域后采用不同走刀步距的方法來提高工件的表面質(zhì)量，使得曲面的表面質(zhì)量達(dá)到一致。

1.1 定義和劃分曲面區(qū)域

分區(qū)加工的優(yōu)點(diǎn)在于，陡峭區(qū)域加工的切削三要素不必取過高就可以獲得較高的表面質(zhì)量，降低功耗、提高效率、節(jié)省成本。而在平坦區(qū)域，適當(dāng)提高切削三要素，以提高球刀在切削時(shí)的線速度，從而提高表面質(zhì)量。本文針對(duì)這一問題，對(duì)這一曲面的加工刀具路徑重新進(jìn)行規(guī)劃。將曲面分為兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行加工（即：陡峭區(qū)域和平坦區(qū)域）。

如圖1所示，在一個(gè)三維空間A中，設(shè)水平坐標(biāo)軸為X、Y，垂直坐標(biāo)為Z，圖中均勻?qū)ΨQ的凹形曲面構(gòu)成陡峭區(qū)域B，X、Y構(gòu)成近似水平面稱之為平坦區(qū)域C，陡峭區(qū)域底部與平坦區(qū)域C相切，若B，C區(qū)域上每一點(diǎn)的坐標(biāo)可由表達(dá)式求出，那么對(duì)B區(qū)域上的一些點(diǎn)必定有（表達(dá)式對(duì)X，Y求偏導(dǎo)不為0），而C區(qū)域上的所有點(diǎn)為0。

設(shè)曲面表達(dá)式為對(duì)其在x、y處求偏導(dǎo)，若兩個(gè)偏導(dǎo)數(shù)和關(guān)于x和y存在偏導(dǎo)數(shù)，則存在偏導(dǎo)：

令θ是B、C區(qū)域表面任意一點(diǎn)的切線與曲面底部的夾角，那么有

或

或

令在0≤θ≤15°或165°≤θ≤180°時(shí)，則這些區(qū)域上的點(diǎn)稱為平坦點(diǎn)，反之其他點(diǎn)稱之為不平坦點(diǎn)。若有不平坦點(diǎn)存在，則B區(qū)域稱之為陡峭區(qū)域；若對(duì)于C區(qū)域任一點(diǎn)切線與平面C的夾角θ恒為0，則C區(qū)域?yàn)槠教箙^(qū)域。如圖2所示，根據(jù)陡峭區(qū)域與平坦區(qū)域的劃分，將實(shí)例內(nèi)曲面在15°位置處進(jìn)行分割，成為兩部分。

1.2 同一曲面不同行距的刀具路徑生成

考慮到UGNX加工模塊需要選擇切削區(qū)域，因此需要將內(nèi)曲面分割開。曲面藍(lán)色部分為陡峭區(qū)域，曲面粉色部分為平坦區(qū)域。

2 實(shí)驗(yàn)加工

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備：VMC850立式加工中心，（FANUC 0i Mate-MD）。

（2）精加工刀具：刀具直徑為12mm的球頭刀具。

（3）工件材料：采用鋁料。

2.2 數(shù)控加工參數(shù)

（1）傳統(tǒng)加工方法。首先在計(jì)算出刀軌點(diǎn)以后，然后將這些點(diǎn)形成線（刀具軌跡線）。通過Powermill軟件將這些數(shù)據(jù)點(diǎn)轉(zhuǎn)化成樣條軌跡線。

將上文的刀具軌跡線，根據(jù)加工模型實(shí)際選擇加工曲面進(jìn)行裁剪，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置（具體加工參數(shù)見表1）。

（2）改進(jìn)后的加工策略。通過區(qū)域劃分，將曲面劃分為上下兩個(gè)區(qū)域（即陡峭區(qū)域和平坦區(qū)域）。采用同一曲面不同行距進(jìn)行加工，彌補(bǔ)傳統(tǒng)加工上下曲面質(zhì)量差異較大的不足，加工參數(shù)見表1。使用此方法進(jìn)行加工，可實(shí)現(xiàn)上下兩曲面區(qū)域的表面質(zhì)量基本一致。如圖4所示的改進(jìn)后加工策略的軌跡。

3 結(jié)語

本文主要針對(duì)復(fù)雜曲面加工表面質(zhì)量不一致的現(xiàn)象，提出了一種新的曲面加工策略提高表面質(zhì)量。使用球頭刀加工曲面，加工過程是刀具的球形刃部分參與切削，當(dāng)加工到曲面底部的時(shí)候是刀具的零點(diǎn)進(jìn)行切削（即擠壓現(xiàn)象），因此底部的表面質(zhì)量較差。新方法進(jìn)行加工主要是將曲面劃分為陡峭和平坦兩個(gè)區(qū)域，并且使兩個(gè)區(qū)域采用兩種行距進(jìn)行加工。使得整個(gè)曲面的質(zhì)量基本達(dá)到一致，改善曲面的粗糙度，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)加工方法的不足。

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