石料浮雕數控加工的路徑規劃研究

朱炳任 劉陽

摘 要：隨著社會的不斷發展，人們對雕刻產品的需求不斷增長，數控浮雕加工技術應運而生。該技術完美解決了人們對浮雕產品日益增長的需求和手工加工浮雕的產量低的突出矛盾。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計測量并得出最優加工路徑。

關鍵詞：浮雕加工;數控加工技術應用;路徑規劃

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

0 引言

經濟社會飛速發展，數控銑床、CAXA制造工程師等自動編程軟件的出現使數控加工浮雕成為可能，為滿足日益增長的浮雕產品需求開辟一條新路[1-2]。數控切削加工刀具運動軌跡優化是發揮數控加工設備生產效率的有效途徑。在路徑規劃方面，應用于刀具軌跡的拓撲結構一般有環切與行切，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制造工程師數控加工編程軟件進行代碼生成。該軟件為CAD/CAM一體化設計，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錯誤的功能;其運行環境是Windows[4];加工設備選擇高精度小型臺式數控金屬加工銑床SW-180M進行加工。其主要性能參數：（1）主軸最高轉速：正轉：2000rpm，反轉：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，以便能使加工結果有明顯的優劣區分度。加工參數設定如下：刀距為0.1mm;切削速率為1500mm/m;深度為1mm;層數為3。其它參數設定如下：加工精度設置為0.01mm，最小步距設置為0.5慢速下刀速度，切入與切出速度均設定位x軸向進給速率的百分之75，退刀速度與切削速度相同。為提高加工質量與加工效率，主軸轉速設定為所用設備的最大轉速2000R/m，考慮到加工的垂直方向范圍在0.8mm以內，為減少刀具控行程，提高加工效率，安全高度設置為2，慢速下/退刀高度設置為1。刀具為雕刻用硬質合金銑刀，具體參數如下：刀桿直徑3.175mm，刀具錐角7.5度，桿長45mm，刃長10mm。刀尖寬0.2mm。

依照以上設定的參數換用環切進給加工、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的加工路徑。

2 實驗結果與對比分析

將待加工原圖經過圖片處理后利用CAXA生成加工代碼。按環切進給、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，將每組實驗結果求平均值并進行對比分析。

2.1 環切進給加工與平行單向進給加工對比分析

對環切進給加工與平行單向進給加工結果測量和統計如表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，環切進給加工明顯優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于環切進給加工。

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果測量和統計如表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 環切進給加工與平行往復進給加工對比分析

對環切進給加工與平行往復進給加工結果測量和統計如表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于環切進給加工。

3 結語

通過對三組實驗的結果進行對比，不難發現：三組加工結果粗糙度沒有明顯區別;環切進給加工效率高，但石料加工過程中出現崩裂現像且行面積較大，導致結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崩裂現像但行面積較小，導致結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，加工性能優于其它兩種加工方法。

參考文獻：

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

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

[3]周虹.數控加工工藝與編程[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。