基于等殘留高度法的曲面刀路規劃及加工

謝凡

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

關鍵詞：等殘留高度法 曲面加工 表面粗糙度

中圖分類號：TG65 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）02（a）-100-02

數控加工較傳統加工而言，其加工表面質量較好且加工效率高。在數控加工中，為獲得較好的加工效果一般采用較高的轉速進行加工，所以對機床的主軸轉速要求較高，且在切削刀具、刀具軌跡規劃和加工數據處理等方面也提出較高要求。實際研究表明，銑削加工中，影響零件表面質量的主要因素還有加工過程中產生的振動。

1 曲面刀具路徑規劃

本文選用的研究對象與碗形曲面類似，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，當進行曲面底部切削的時候，其切削速度為零且刀具處于零點切削，導致加工出的工件表面質量差以及曲面上下表面粗糙度不一致的現象。為解決這一現象（即加工后曲面陡峭區域與底部平坦區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量達到一致，本文通過同一曲面劃分區域后采用不同走刀步距的方法來提高工件的表面質量，使得曲面的表面質量達到一致。

1.1 定義和劃分曲面區域

分區加工的優點在于，陡峭區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量，降低功耗、提高效率、節省成本。而在平坦區域，適當提高切削三要素，以提高球刀在切削時的線速度，從而提高表面質量。本文針對這一問題，對這一曲面的加工刀具路徑重新進行規劃。將曲面分為兩個區域進行加工（即：陡峭區域和平坦區域）。

如圖1所示，在一個三維空間A中，設水平坐標軸為X、Y，垂直坐標為Z，圖中均勻對稱的凹形曲面構成陡峭區域B，X、Y構成近似水平面稱之為平坦區域C，陡峭區域底部與平坦區域C相切，若B，C區域上每一點的坐標可由表達式求出，那么對B區域上的一些點必定有（表達式對X，Y求偏導不為0），而C區域上的所有點為0。

設曲面表達式為對其在x、y處求偏導，若兩個偏導數和關于x和y存在偏導數，則存在偏導：

令θ是B、C區域表面任意一點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，則這些區域上的點稱為平坦點，反之其他點稱之為不平坦點。若有不平坦點存在，則B區域稱之為陡峭區域；若對于C區域任一點切線與平面C的夾角θ恒為0，則C區域為平坦區域。如圖2所示，根據陡峭區域與平坦區域的劃分，將實例內曲面在15°位置處進行分割，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域，因此需要將內曲面分割開。曲面藍色部分為陡峭區域，曲面粉色部分為平坦區域。

2 實驗加工

2.1 實驗條件

（1）實驗設備：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 數控加工參數

（1）傳統加工方法。首先在計算出刀軌點以后，然后將這些點形成線（刀具軌跡線）。通過Powermill軟件將這些數據點轉化成樣條軌跡線。

將上文的刀具軌跡線，根據加工模型實際選擇加工曲面進行裁剪，并對其參數進行設置（具體加工參數見表1）。

（2）改進后的加工策略。通過區域劃分，將曲面劃分為上下兩個區域（即陡峭區域和平坦區域）。采用同一曲面不同行距進行加工，彌補傳統加工上下曲面質量差異較大的不足，加工參數見表1。使用此方法進行加工，可實現上下兩曲面區域的表面質量基本一致。如圖4所示的改進后加工策略的軌跡。

3 結語

本文主要針對復雜曲面加工表面質量不一致的現象，提出了一種新的曲面加工策略提高表面質量。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，當加工到曲面底部的時候是刀具的零點進行切削（即擠壓現象），因此底部的表面質量較差。新方法進行加工主要是將曲面劃分為陡峭和平坦兩個區域，并且使兩個區域采用兩種行距進行加工。使得整個曲面的質量基本達到一致，改善曲面的粗糙度，彌補了傳統加工方法的不足。

參考文獻

[1] 郭朝勇，黃海英.自由曲面數控加工刀具軌跡曲線的一種生成算法[J].現代制造工程，2005（1）：39-40.

[2] 喻道遠，鐘建琳，雄壯，等.空間自由曲面數控編程中刀位軌跡的計算方法及存在的問題[J].機械工業自動化，1997，19（1）：21-26.

[4] 羅春華，劉海明.數控加工工藝簡明教程[M].北京：北京理工大學出版社，2008：20-24.

[5] 宋玉梅.數控銑削曲面粗糙度的研究現狀及展望[J].機械與電子，2012，（15）：138.