氧化鋯義齒銑削工藝參數優化及其加工實驗

劉俊偉, 楊曉鈞

(1.哈爾濱工業大學 機電工程學院, 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工業大學深圳研究生院 機電工程與自動化學院, 廣東 深圳 518055)

氧化鋯義齒銑削工藝參數優化及其加工實驗

劉俊偉1, 楊曉鈞2

(1.哈爾濱工業大學 機電工程學院, 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工業大學深圳研究生院 機電工程與自動化學院, 廣東 深圳 518055)

摘要:為合理選擇初次燒結氧化鋯陶瓷義齒在銑削加工時的工藝參數以及加工路徑規劃方式，以提高加工效率及質量，建立以提高材料去除率和降低表面粗糙度為目標的函數，采用理想點法、最小偏差法和線性組合法，優化出精加工階段的工藝參數；以磨牙冠表面加工為例，采用UG CAM系統規劃刀具加工路徑，粗加工采用型腔銑，精加工分別采用固定軸銑中的曲面銑削往復模式、區域銑削跟隨周邊模式及區域銑削往復模式3種規劃方法. 實際加工結果對比表明：在相同工藝參數及刀具條件下，區域銑削往復模式規劃方法加工得到的牙冠表面質量最好.

關鍵詞:義齒銑削加工；UG CAM；工藝參數優化；刀路規劃方法；區域銑削

近些年，義齒的制作向個性化、美觀、高效等要求發展[1]. 傳統的烤瓷牙多采用手工制作，工藝繁瑣，制作效率低，病人就診次數多，返工率高. 而牙科CAD/CAM數控加工技術的應用避免了義齒繁瑣的制作過程，可一次加工成型，病人一次就診即可[2]. 面向義齒加工的CAM技術在口腔修復領域得到了迅速發展，新材料結合CAM加工技術在中國日益得到關注[3-4]. 氧化鋯陶瓷因具有可以代替鈦等合金材料的卓越理化材料性能，優異的生物相容性，同時接近天然牙齒的自然色澤[5-7]，在口腔修復領域的應用日益廣泛[8-9]. 在CAM加工中，由于完全燒結的氧化鋯陶瓷材料的硬度高，直接加工效率低. 二次燒結技術是指利用初次燒結的氧化鋯(硬度較低)進行加工，然后進行二次燒結得到義齒. 研究表明[10-11]，和一次燒結相比，二次燒結的氧化鋯陶瓷性能相差不大，但可加工性大大提升. Kato等[12]發現用850 ℃初次燒結氧化鋯的加工質量最好. 雷小寶等[13-14]研究了初次燒結氧化鋯陶瓷的磨削和銑削加工，并在銑削中通過實驗建立粗糙度與工藝參數的函數關系，以粗糙度最小為目標優化工藝參數，并用JDPaint軟件進行了刀路規劃. 在對義齒的加工規劃中，呂培軍等[15]采用Surfacer 10.5進行義齒的規劃加工. 韓景蕓等[16]應用兩面對稱加工方法和最大相貫線法給出了后牙金屬全冠的CAM工藝技術流程. 段軍軍等[17]采用Powermill軟件進行了義齒加工的刀路規劃. 目前，對初次氧化鋯陶瓷的齒科修復體加工中,其各加工階段參數的優化選擇、加工效率研究還不夠深入. UG作為國內外通用的CAD/CAM系統軟件，具有強大的曲面粗精加工功能，但在義齒修復體制造的加工路徑規劃方面應用鮮有報道.

本文研究初次燒結氧化鋯陶瓷義齒銑削加工時工藝參數合理選擇和刀具路徑規劃方式問題，以提高材料去除率和降低表面粗糙度為指標，采用不同方法優化精加工階段的工藝參數；以磨牙冠表面加工為例，選用優化得到的工藝參數，采用UG CAM系統規劃粗、精加工階段的刀具路徑，通過加工實驗驗證不同精加工刀具路徑規劃方式對表面質量的影響，以探索合適的刀具路徑規劃方法.

1銑削工藝參數的選擇

切削參數影響加工效率和質量，對其進行優化是加工過程的重要環節，尤其對于數控加工[18-20]. 和一般的工件加工相比，磨牙冠的加工更為復雜，精度要求更高. 考慮到磨牙冠尺寸較小，本文中把加工工序分為粗加工和精加工兩類，對兩個過程工藝參數分別進行優化，以加工出好的牙冠表面.

1.1粗加工階段

粗加工以提高加工效率為目標. 在銑削加工中，單位時間工件材料去除率是衡量銑削加工效率的一個重要指標，去除率Q越大，加工效率越高，且

Q=aeapfznN.

(1)

式中:ae為切削寬度(mm),ap為切削深度(mm),fz為每齒進給量,n為轉速(r/min),N為刀具齒數.

初次燒結氧化鋯陶瓷在進行粗加工時易出現邊緣碎裂現象，破壞毛坯，需對轉速、切削深度和每齒進給量加以限制[14]. 最終選取：轉速n=21 000 r/min，切削深度ap=0.2 mm，每齒進給量fz=0.024 mm，銑削方式選擇順銑. 由式(1)可以看出，選定n、fz和ap后，要提高加工效率，需較大的刀具齒數N和切削寬度ae，考慮到尺寸形貌特征不規范以及后續精加工的高效性，刀具的直徑不宜過大，選擇Φ2mm四刃平頭銑刀，ae=0.4 mm，此時材料去除率為Q=161.28 mm3/min.

1.2精加工階段

精加工以保證加工表面高質量為目標. 在一般的銑削加工中，對本階段的處理通常是將表面質量(常用表面粗糙度表示)的值限制在一定的范圍內，而不是處于極端狀態(如最大值或最小值); 因此一般選擇表面粗糙度為約束，以加工效率為目標函數. 在初次燒結氧化鋯陶瓷義齒的精加工銑削中，要求加工好的牙冠表面質量好，粗糙度<10 μm，在希望磨牙牙冠加工表面質量更好的同時，因為后續再次進行熱處理也需要時間，所以在精加工階段不但要考慮表面粗糙度，也要結合加工效率，以確定最優工藝參數值. 1.2.1優化模型建立

以最大材料去除率和最小粗糙度為目標函數，以各個參數的穩定區域為約束條件. 精加工刀具切深、切寬小于粗加工，主軸的轉速選取n=24 000 r/min. 為更好加工牙冠表面，刀具選擇Φ1mm兩刃球頭銑刀，銑削方式同樣選擇順銑. 本文采用參考文獻[14]中的表面粗糙度預測模型:

78.701 7fzap-13.280 5aeap+4.623 7-

152.307fz-21.948 2ae-14.775 6ap-

35.280 1fzae.

(2)

聯合式(1)、(2)，建立兩目標優化模型:

(3)

設計變量定義為

(4)

將變量用x替換，模型的約束[21]為

(5)

由式(4)、(5)可最終得多目標優化數學模型：minfi(x)(i=1,2,), x=[x1x2x3]T,s.t.[0.0180.120.04]T≤x≤[0.0230.150.06]T;

或[0.0180.120.11]T≤x≤[0.0230.150.12]T.

(6)

1.2.2多目標函數的處理

為獲得較好的優化結果，采用化多為少法，將兩目標優化轉化為單目標優化問題，采用以下3種方法：

1)用理想點法求出分目標函數在約束的最優解，使各分目標向理想值逼近，距離最近處所對應的各參數值可作為最優解. 選分函數最小值為理想值，將兩目標函數變為單目標函數，可得

表1　f1(x)、 f2(x)在參數區間中的最大值、最小值及對應的參數值

2)最小偏差法

式中:f1max、f2max為兩個分目標函數在約束內的最大值，計算結果如表1所示.

3)線性組合法優化，可通過線性組合方法體現對各分目標函數的重視程度. 因各目標函數在量綱與量級上的不同,對結果產生影響，用線性轉化法對函數進行處理，以消除影響，轉化公式如下:

對處理后的分目標函數進行線性組合，將多目標函數轉化為單目標函數：

式中， w1，w2為權系數，其取值大小表示對相應函數的重視程度，且有w1+w2=1. 權系數的大小，反映了對各分目標的不同折衷估價. 考慮到磨牙冠加工精度要求較高，粗糙度分目標函數的權重可大一些，令w1=0.8，w2=0.2，則

1.2.3優化求解和結果分析

采用MATLAB優化工具箱，優化結果見如表2.

表2　3種方法的優化結果

由表2可知，方法1可以獲得最大的加工效率，可是粗糙度值最大，即加工質量最差；方法2則相反，其可以獲得最好的表面質量，但是加工效率最低，加工用時長；方法3的結果介于兩者之間，雖然其粗糙度值比采用最小偏差法的大，可是增加幅度不大，但其加工效率提高要明顯得多. 綜合考慮加工用時以及質量，選用線性組合方法的結果，即取相應的變量值為x1=0.020 1，x2=0.139 2， x3=0.11，圓整后得x0=[0.02,0.14,0.11]Τ.

綜合以上分析，各加工階段的工藝參數最終取值如表3所示.

表3　銑削過程工藝參數的選擇結果

2加工路徑的生成

本文使用UG CAM進行刀具路徑規劃，生成加工代碼. 考慮到磨牙冠的曲面特征復雜以及片體機構特征，粗加工采用UG CAM的型腔銑削方式，精加工采用固定軸曲面輪廓銑削方式. 采用UG進行數控加工一般分為3步：第1步,調整加工環境，包括導入模型、毛坯選擇以及坐標系調整等；第2步, 生成加工路徑，包括建立加工用刀具, 選擇加工方法以及計算生成刀具軌跡；第3步,生成加工代碼，包括驗證是否碰撞等，將刀具軌跡轉化為特定數控機床能識別的NC代碼等.

磨牙冠模型如圖1所示，導入UG加工模塊中，可通過方形塊、圓形或者圓柱體等方式來定義毛坯. 根據磨牙冠模型的結構特點，選擇方形毛坯，如圖2所示，加工坐標系經調整位于方形毛坯上表面中心點處.

圖1　磨牙冠表面模型

圖2　毛坯形狀及加工坐標系示意

2.1粗加工刀路規劃

針對磨牙冠表面模型的特殊形貌，粗加工階段選擇型腔銑，在其切削模式中選擇跟隨周邊模式，加工余量0.25 mm左右，生成的加工刀具軌跡見圖3.

圖3　粗加工階段的刀具加工路徑示意

2.2精加工刀軌的生成

磨牙冠表面屬于尺寸微小的復雜曲面，難以直接通過數學特征建立模型，往往通過掃描方式基于逆向重構技術得到模型. 模型以STL格式呈現，即原實體模型表面用很多空間小三角形表面逼近[22]，沒有具體的曲面曲線特征，故在UG固定軸銑的加工中部分策略不可用. 目前, UG8.0版本中可選的驅動方法主要有區域銑削驅動方法和曲面驅動方法兩種. 另外，在區域銑削中，較合適的切削模式也有兩種：往復模式和跟隨周邊模式.

數控加工中，加工方式對于加工效率和加工質量有著重要的影響，有效的刀具軌跡直接決定了數控加工的可能性、質量與效率[23]. 為了得到更好的加工效果，比較曲面往復銑削方法、區域往復銑削方法以及區域銑削方法跟隨周邊這3種不同的精加工規劃方法對最終的加工表面質量的影響. 保持銑削工藝參數和刀具規格均不變，粗加工階段的刀路規劃方式不變，分別用上述3種方式進行精加工刀路規劃，結果見表4. 生成精加工階段的加工刀具路徑見圖4.

表4　基于UG的加工階段刀具加工路徑規劃方法

(a)曲面銑削往復模式　　　　　(b)區域銑削跟隨周邊模式　　　　　　　(c)區域銑削往復模式

規劃完成粗加工和精加工階段的刀具路徑后，可利用UG自帶的仿真功能，經模擬加工和檢驗確定無誤后，根據選用的機床及數控系統后處理導出NC程序. UG提供了豐富的后處理器，因實驗室目前只用三軸的數控機床，且磨牙冠上表面可通過三軸加工即可實現，故直接導出了相應的NC程序進行加工.

3加工實驗

3.1實驗設備

三軸數控銑床LGMazak_VTC160AN，裝載馬扎克系統(Mazatrol Fusion 640)；Φ2mm四刃平頭銑刀，型號S5502.0×4×6×50，三把；Φ1mm兩刃球頭銑刀，型號GM-2B-R0.5，3把；初次燒結氧化鋯陶瓷(860 ℃燒結)，12 mm×12 mm×12 mm，3塊.

3.2實驗結果

將3種加工規劃方法生成的NC程序導入機床，進行銑削加工. 為排除刀具磨損對表面質量的影響，每次使用新的銑刀以及陶瓷塊. 3個規劃方法下加工得到的磨牙冠表面如圖5所示. 對比牙冠(a)和牙冠(c)可發現,采用曲面驅動方法往復模式規劃產生的精加工NC代碼，加工得到的牙冠上留有明顯地刀路痕跡，加工表面質量較差; 對于區域銑削驅動方法，對比牙冠(b)和牙冠(c)發現， 采用跟隨周邊模式時，牙冠上一些凹處的加工不理想，遺留有刀路痕跡，加工質量要差一些；而采用區域銑削往復模式，牙冠表面質最好. 綜上，在當前銑削工藝參數和銑刀規格條件下，采用區域銑削驅動方法中規劃精加工刀路要比曲面銑削好，且在區域銑削中，采用往復模式比跟隨周邊模式得到的模型表面質量好.

(a)曲面銑削往復模式　　　　　(b)區域銑削跟隨周邊模式　　　　　　　　(c)區域銑削往復模式

4結論

1)以初次燒結氧化鋯陶瓷為加工材料，進行了粗、精加工階段的工藝參數選擇. 在粗加工階段,基于加工效率，參數取值為主軸轉速21 000 r/min、每齒進給量0.024 mm、切削深度0.20 mm、切削寬度0.40 mm；在精加工階段,通過對理想點法、最小偏差法和線性組合法優化結果的比較分析，發現線性組合法優化效果較好，參數取值為主軸轉速24 000 r/min、每齒進給量0.020 mm、切削深度0.14 mm、切削寬度0.11 mm；

2)比較了采用固定軸銑的精加工階段3種不同的刀具路徑規劃方式(曲面銑削往復模式、區域銑削跟隨周邊模式及區域銑削往復模式)對加工表面的影響，在當前銑削工藝參數和加工環境下，采用區域銑削驅動中的往復切削模式規劃精加工刀路,加工得到的表面質量最好；

3)實際加工中，利用UG規劃路徑，粗加工選擇型腔銑跟隨周邊模式，精加工選擇區域銑削往復切削模式規劃刀路，加工后的義齒表面質量最好.

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(編輯楊波)

Optimization of milling process parameters of zirconia denture and its experiment

LIU Junwei1, YANG Xiaojun2

(1.School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China; 2. School of Mechanical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518055, Guangdong, China)

Abstract:To determine the proper values of process parameters when milling the pre-sintering zirconia denture, the optimization calculation is made to increase the material removal rate and decrease the surface roughness by using the ideal point method, minimum deviation method and linear combination method in finish milling process. Taking molar crown upper surface milling as a project for finding the suitable tool path planning method, the path planning is made by UG CAM. The cavity milling following periphery planning method is used for the rough machining. The reciprocating mode of surface milling, following periphery mode of area milling and reciprocating mode of area milling is used for the finish machining. It is found that the better surface quality can be acquired by the method of reciprocating mode of area milling for finish machining according to the results and contrast of the experiment in the same optimization values of the process parameters and standard tools.

Keywords:denture milling; UG CAM; process parameters optimization; tool path planning; area milling

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.07.019

收稿日期:2015-01-19

基金項目:深圳市基礎研究項目(JCYJ20130329161924688)

作者簡介:劉俊偉(1988—)，男，博士研究生

通信作者:楊曉鈞，yangxj@hitsz.edu.cn

中圖分類號:TH162

文獻標志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)07-0118-05