1异型石材制品五轴加工工艺分析
异型石材制品具有表面凹凸不平、曲面曲率变化不连续等特征。在该类制品五轴数控加工中，加工工艺设计合理与否对加工效果的提升有着至关重要的作用。加工工艺设计部分主要包括切削用量选择、切削参数计算以及加工策略选择等工作。其中，工艺参数设置及切削用量的选择不合理，会出现机床主轴振动剧烈的情况，进而带来严重的刀具损耗问题；加工策略选择不合理，会出现工件表面残料不均等情况，进而影响加工精度。因此，以下将分别对异型石材制品五轴数控加工工艺分析部分涉及到的切削用量选择、切削参数计算以及加工策略选择等进行介绍。
1.1切削用量选择
在实际加工中发现，随着切削速度Vc增加，切削温度不断升高。切削温度的升高会带来下述两个问题：①工件材料的剪切强度和硬度不断降低；②工件与刀具之间的摩擦系数不断减少。上述两个问题均会导致切削力下降。由公式Ac=ap×f可知，在切削深度ap不变的前提下，进给量f增大，切削面积Ac呈线性增加趋势。切削面积Ac的增加，说明单位时间内去除的材料体积增大，切削过程中需要的能耗增加，也即所需的切削力增大。因此，进给量f的增加会导致切削力的需求增加。同理可知，在进给量f保持不变的前提下，切削深度ap的增大也会令切削面积Ac呈线性增加趋势，进而导致所需切削力的增大。通过观察发现，在实际加工中，切削深度ap对切削力的影响程度要超过进给进度对切削力的影响。因此，在可行的范围内，减小切削深度并提高切削速度是降低切削力的有效措施。通过上述分析可知，选择合适的切削速度、切削深度，使切削力的变化在可控区间之内，是提高加工精度，避免刀具折断等不良结果发生的有效途径。
1.2切削参数的计算
在异型石材加工中，主要涉及每齿进给速度、行距以及切削速度等参数的计算。
1.3加工策略选择
走刀方式是指刀具在切削工件时的刀位轨迹规划方式，典型的走刀方式如图1所示。异型石材制品的五轴数控加工工艺过程分为粗加工和精加工两个阶段。（1）粗加工策略的选择。衡量粗加工策略好坏的关键指标是加工时间，同时应兼顾考虑残料均匀程度，以方便下一步精加工。因此，粗加工工艺参数的设置特点为：去除材料多、切削速度小、进给量和切深大。粗加工策略的选择也即是加工部件切削模式的定义。在UG/CAM模块所提供的切削模式中，适用于异型石材制品模型粗加工的切削模式有往复、跟随周边、跟随部件，分别如图1（a）、（b）、（c）所示。其中，“往复”是创建一系列平行的线性刀路，这些刀路彼此切削方向相反，但步进方向一致。采用这种切削模式，可以通过允许刀具在步进间保持连续的进刀来最大化切削运动，在相反方向切削结果是生成一系列的交替顺铣和逆铣，切削效率高，可以大量的去除材料，但加工剩余残料较多。“跟随周边”切削模式就是按照边界或者最大轮廓的外形走刀的方式，此方式生成的刀路整齐，抬刀次数少，编程时要选上岛清理与壁清理，否则会漏刀。跟随周边适用于简单的零件，对于复杂零件，特别是大型复杂零件二次开粗过程中容易出现小问题。“跟随部件”通过从整个部件几何体中偏置来创建切削模式，而不管该部件几何体环周边、岛还是型腔模式，因此，它可以保证刀具沿着整个几何体进行切削，从而无需设置岛清理刀路。“跟随部件”虽然多余刀路少跳刀多，降低了加工效率，但是将“开放刀路”选项变为“变换切削方向”，将“切削参数”—“连接”中的“切削顺序”改成“优化”，这样刀路虽然会变成顺逆铣混合，但会明显减少了抬刀次数，提高了加工效率。UG型腔铣中“跟随部件”切削模式主要应用于大余量开粗且形状比较复杂（凸、凹特征或开放、封闭区域并存）的零件，刀路计算准确。（2）精加工策略的选择。理想的精加工刀路具有轨迹连续且不存在方向突变，精加工去除材料少，主轴转速大，切削速度大，进给量小等特点。在PowerMILL所提供的精加工策略中，适用于异型石材制品模型精加工的切削模式有平行精加工、陡峭和浅滩、无光顺的三维偏置、有光顺的三维偏置，如图2所示。图2（a）图所示的是平行走刀加工策略，与行切近似，刀具走到陡峭的区域易折断刀具，而且这种策略从图上就可看出，在局部陡峭处的刀轨分布稀疏不均，加工质量不好。图2（b）图所示是陡峭和浅滩策略，该策略无需手动划分加工边界，自动在陡峭处走等高的刀轨，在平坦处走平行的刀轨，不仅有效的提高了编程人员的编程效率，加工质量明显好于图2（a）策略，而且刀具在陡峭处不易折刀。该策略的缺点在于存在某些不是连续的刀轨，存在的抬刀和进退刀次数明显多于平行加工策略。刀轨不连续，刀路跳转过多会导致机床急剧地加减速，降低刀具寿命，也不利于加工质量控制。该策略适合三轴加工的石材浮雕制品的精加工，也适合表面平坦与陡峭共存的立体石材工艺品的加工，但不适合曲率变化不连续的异型石材制品五轴加工。图2（c）、图2（d）图中显示的均是三维偏置加工策略。该策略在异型石材制品五轴加工领域的应用要优于（a）、（b）策略，其优势在于无论模型表面曲率如何变化，步距都是均匀的。（c）策略对三维偏置出的刀轨没有进行光顺，刀轨虽均匀且等距，但存在明显的尖角，刀路突然转向，刀路中存在尖点，因此机床加工过程中可能突然加减速，刀具上所承受的径向力也急剧变化，对表面加工质量肯定有影响。（d）图对三维偏置出的刀轨进行了优化，刀轨已经不是纯等距，但非常光顺，适合立体人头像等表面曲率变化不连续且有剧烈突变的模型的加工。
2实验验证
为验证上文内容的有效性，本部分以异型石材制品立体佛像模型为实验对象，结合石材粗、精加工的特点对工艺参数以及切削用量等值进行设置，采用UG、PowerMILL编程软件自动生成刀位轨迹，并对加工结果进行对比。
2.1佛像粗加工编程
针对异型石材制品立体佛像模型粗加工特点，在UG/CAM程序顺序视图窗口下，创建加工程序。下文将从加工时间和残料均匀程度的角度，比较石材粗加工策略的加工效果。分别采用往复、跟随周边、跟随部件切削模式对立体佛像模型进行粗加工编程，UG仿真效果如图3（a）、（b）、（c）所示。由图3可发现，采用往复切削模式得到的表面残料均匀程度最差，且用时最长，显然往复式切削模式不适用石材工艺品的粗加工，通过表1加工时间比较上来看，跟随周边耗时最短为17h54min19s，跟随部件耗时较长18h15min28s，跟随部件切削模式比跟随周边且学模式多用时21min8s,尽管跟随部件从加工效率上来讲没有优势，移刀和抬刀占用很多时间，比较费时，但从跟随部件切削模式加工质量最好，残料比较均匀，加工残料均匀程度上来讲要优于跟随周边（佛像头顶有未去除残料），所以对于形状复杂的石材工艺品开粗切削模式最好选择跟随部件。对于同一模型均采用跟随部件策略，分别采用平底刀D10和环形刀D10R2进行开粗，其余编程参数设置相同的情况下，3D仿真结果比较如图4（a）、（b）所示。从图中可看出，使用平底刀加工后模型表残料较多，光洁度不高；使用环形刀加工后的模型表面要比使用平底刀加工的模型表面光顺平整一些，表面残料更均匀，加工质量更好，如表2所示。从加工效率上来看，对于使用同一直径的刀具开粗，平底刀耗时更短、加工效率更高。综合考虑，所以对于像立体人像这种立体异形石材开粗宜选用带有下角半径的环形刀。
2.2佛像精加工编程
在实际精加工操作中，因为精加工时几乎去除所有残料，刀具一般都选用直径小的球刀，避免在一些细小的凹陷部位发生欠切。加工刀具类型选择球头刀，切入角连续变化，那么切削力也就处在一个连续的变化过程，切削过程稳定，表面光洁度更高，创建精加工程序，选择D4R2球头刀，主轴转速为6000r/min，进给率500mm/min，残余高度0.01mm控制步距。在其余编程参数设置相同的情况下这里从加工精度角度考虑如何选择石材精加工策略。从图5仿真结果看出，光顺后的三维偏置模型表面光洁度更高，小区域加工更加彻底，与图5（a）仿真结果相比，图5（b）图佛像口部残料清理更加彻底，加工质量更高。
3结论
本文通过对三维佛像立体模型粗、精加工五轴编程及加工仿真，结合石材制品的数控加工特点得出：对于异型石材模型的五轴加工编程，粗加工时，跟随部件加工策略残料比较均匀，加工质量最好，利用环形刀代替平底刀可提高加工质量及加工效率；精加工时，对比其他加工策略，光顺后三维偏置加工策略仿真效果最佳，表面光洁度更高。
作者：宗宇鹏 吴玉厚 耿聪 赵德宏 单位：沈阳建筑大学 机械工程学院
