基于恒切削力的2D 刀路加工優化研究

李體仁 辛曉龍 孫建功

（陜西科技大學 機電工程學院，西安 710021）

現代信息技術的進步促使了計算機輔助制造技術的高速發展。數控加工技術作為數字化制造的基礎和關鍵技術[1]，提高其加工質量和效率，以及選擇合適的加工參數非常重要，因此，對工藝參數的優化研究具有重大意義[2]。傳統數控切削加工中，工藝參數的選擇通常是由根據經驗設定、查找手冊或進行試切等方法獲取，數據選擇較為保守，不能保證選定的切削參數具有良好的切削性能[3]。

文獻[4]針對模具拐角銑削過程建立了切削力的預測模型，得到對應載荷下的進給速度，并優化了加工過程。以上研究對加工過程中切削力的突變問題有一定程度的改善，但實際生產過程中，刀具路徑往往由計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）軟件自帶的算法算出，刀路復雜且數量龐大，因此通過改變刀路來達到優化的目的效率偏低。

本文對于2D 端銑過程中刀具路徑的修正進行了研究，通過使切削角度處于一個較好的切削水平，從而得到一段半精加工刀具路徑，以保證加工切削力穩定。從材料去除率恒定的角度出發，提出了一種基于Python 程序優化NC 文件的算法，通過在NC 文件中插值而優化計算后的進給速度F來實現加工過程中切削力恒定的目的。

1 輪廓銑削分析

在數控加工中平面輪廓銑削的加工方式應用廣泛。各類數控編程軟件的平面加工策略中，刀具路徑通常采用偏置輪廓的方法生成，在不同的輪廓曲線位置，由于曲線曲率的變化，會導致材料去除率發生改變，從而引起切削力突變，影響最終加工質量。

1.1 平面輪廓曲線分析

平面輪廓曲線可以由曲率的不同歸為凸弧、直線段和凹弧3 種類型。單位進給量下，刀具加工這3 種曲線的材料去除量如圖1 所示。

圖1 平面輪廓曲線

分析可知直線段銑削相較凸弧銑削材料去除量更大，相較凹弧銑削材料去除量更小；凸弧曲率越大，材料去除量越小；凹弧曲率越大，材料去除量越大。

1.2 進給速度計算

由于輪廓曲線曲率突變會導致材料去除率改變，基于微分的思想，提出了通過改變進給速度來穩定不同切削狀態下的材料去除率的算法，具體如下。

以凹弧為例，其單位行程的切削量ds為：

當輪廓的曲率半徑由R1變為R2時，為保證材料去除率不變，需要保證相同時間t內進給速度和材料去除率的乘積保持不變，即：

由式（2）可得：

式中：R為輪廓曲率半徑；r為刀具半徑；ae為徑向切深；F為進給速度。

由上述公式可知，當輪廓曲率半徑R發生變化時，可以計算出相應進給速度F的值以保證單位時間內材料的去除量不變，從而達到材料去除率恒定的目的。

2 進給速度優化算法流程

優化程序的基本原理是根據NC 文件里包含的坐標數據，反向擬合出刀路軌跡，并計算每個微段處的曲率半徑，確認凸弧和凹弧的類型后，代入公式計算得到進給速度F的值，再將F值依次插回原NC 程序，如圖2 所示。

圖2 算法流程圖

3 實驗驗證

3.1 實驗條件

實驗工件為6061 鋁合金，機床為南京四開GD650 高速雕銑機。刀具直徑為10 mm 的3 刃立銑刀。切削力測量儀采用型號為Kistler9257B 的壓電式測力儀，零件輪廓為平面變曲率輪廓，如圖3 所示。

3.2 實驗方案

選擇一條由變曲率凹弧和凸弧構成的曲線為零件輪廓。如圖3 所示，軸向切深、加工余量和主軸轉速在加工過程中保持不變，具體加工過程中采用如下方案：方案一，采用未優化的輪廓偏置法生成刀具路徑，并保持切削過程中的進給率恒定；方案二，采用優化后的NC 文件，加工過程中機床進給速度變化隨輪廓曲率半徑而變化。

圖3 切削力測量系統圖

3.3 實驗結果及分析

兩種方案的切削力比較如圖4 所示，通過分析可以看出，在加工變曲率輪廓曲線時，切削力會發生較大的變化。方案一為保持恒定進給速度加工時的切削力測量圖，其峰值處，即加工凹弧時的切削力約為63 N；谷值處，即加工凸弧時的切削力約為7 N，且切削力曲線存在突變。方案二為優化進給速度加工時的切削力測量圖，其峰值處的切削力約為40 N，谷值處的切削力約為7 N，與方案一相比，其谷值范圍縮小，且切削力曲線變化更加平緩，切削力在原來的突變處產生了相對平滑的曲線。

圖4 方案一、二切削力對比圖

實驗證明，經優化后的NC 程序能有針對性的在輪廓曲率突變處改變進給速度，從而使切削力在峰值和谷值處相應改變，以保證切削力曲線趨于平穩。

4 結語

針對變曲率輪廓銑削，分析了平面輪廓曲線的種類，建立了輪廓曲率半徑與進給速度的變化公式，設計了基于Python 的NC 程序優化算法，并進行了切削力實驗，實驗結果表明，該算法降低了加工過程中切削力曲線峰值處的切削力，保證了加工質量，提高了切削力曲線谷值處的進給速度，提升了加工效率。