趙東宏　盧章平　王庭俊　王武林

(①江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 ,江蘇 鎮(zhèn)江 212013；②揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225127)

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面向高速加工的復(fù)雜曲面螺旋刀路優(yōu)化*

趙東宏①②盧章平①王庭俊②王武林②

(①江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 ,江蘇 鎮(zhèn)江 212013；②揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225127)

針對(duì)現(xiàn)有螺旋切削軌跡對(duì)曲面形狀適應(yīng)性較差，無(wú)法直接應(yīng)用于復(fù)雜曲面的局限，提出一種基于曲面重構(gòu)的螺旋曲線切削法。對(duì)于復(fù)雜曲面根據(jù)各自的特點(diǎn)分別采用曲面提取、修補(bǔ)、延伸等方法重構(gòu)目標(biāo)曲面，以重構(gòu)后的曲面作為圓柱螺旋線的投影對(duì)象獲取驅(qū)動(dòng)曲線，在CAM軟件中以曲線驅(qū)動(dòng)方式生成螺旋曲線軌跡并進(jìn)行優(yōu)化。VERICUT軟件仿真和實(shí)際加工的結(jié)果表明：復(fù)雜曲面采用曲面重構(gòu)螺旋切削法可以獲得滿足高速加工要求的光順切削路徑，擴(kuò)展了先進(jìn)螺旋切削方式的應(yīng)用范圍。

高速加工；復(fù)雜曲面；螺旋切削；路徑優(yōu)化

在數(shù)控加工中通常將自由曲面分為陡峭曲面和平坦曲面，水平面法線與曲面法線夾角大于65°的曲面視為陡峭面。由于陡峭面和平坦面之間的刀軌曲率數(shù)值和方向變化很大，為滿足高速加工所需的切削穩(wěn)定性，通常將陡峭面與平坦面采用不同的切削方式加工。高速加工切削速度通常是傳統(tǒng)切削速度的10倍以上，其切削機(jī)理也有了根本的變化，這使得高速加工具有很多革命性的優(yōu)勢(shì)[1-2]，同時(shí)也對(duì)機(jī)床性能、加工工藝和CAM編程提出了更高的要求[3]。

高速加工主要采用輕負(fù)荷切削模式，即切削深度和切削寬度極小而走刀速度極高，加工同樣的工件其切削軌跡數(shù)量是傳統(tǒng)方式的幾倍甚至幾十倍。傳統(tǒng)加工中力求刀軌路徑最短，而高速加工的主要優(yōu)化目標(biāo)則是刀軌連續(xù)且無(wú)方向突變[4]。針對(duì)這一問(wèn)題，PARK[5]提出了從靜態(tài)幾何學(xué)角度優(yōu)化的截面線型軌跡法，而KIM[6]的環(huán)形切削法可以?xún)?yōu)化刀軌轉(zhuǎn)接；徐金亭[7]提出等參數(shù)螺旋刀具軌跡；孫玉娥等[8]的等殘余高度螺旋軌跡可以進(jìn)一步提高加工精度。以上文獻(xiàn)提供的刀軌雖然連續(xù)但光順性不夠理想，當(dāng)曲面形狀不規(guī)則邊界有尖角時(shí)，等參數(shù)螺旋軌跡上所有的刀軌都會(huì)出現(xiàn)尖角特征，無(wú)法滿足高速加工的特定要求。

本文以復(fù)雜不規(guī)則曲面為研究對(duì)象，根據(jù)各自的特點(diǎn)分別采用曲面提取、修補(bǔ)、延伸等方法重構(gòu)目標(biāo)曲面，以刀路光順連續(xù)為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)現(xiàn)有螺旋刀路進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化以滿足高速加工的需要。

1　復(fù)雜陡峭曲面的高速加工刀軌

1.1陡峭曲面?zhèn)鹘y(tǒng)切削模式

1.1.1等高切削模式

圖1工件由平坦曲面、陡峭曲面和平面復(fù)合而成。在CAM軟件(以UG軟件為例)中針對(duì)平坦面和陡峭面都有成熟的加工模式，如圖1a中針對(duì)陡峭面的等高順銑切削模式，從上到下保持順銑方式，加工精度較高但每層之間都有進(jìn)退刀；而圖1b中的等高順逆銑交互切削模式，在每層之間采用直接進(jìn)刀方式，但刀軌不連續(xù)的問(wèn)題并沒(méi)有解決，而且逆銑的加工精度也不及順銑。

1.1.2曲面驅(qū)動(dòng)螺旋切削模式

文獻(xiàn)[9-10]通過(guò)創(chuàng)建輔助圓柱面作為驅(qū)動(dòng)曲面并選擇螺旋切削模式，避免了等高切削模式中的分層下刀；但曲面驅(qū)動(dòng)螺旋切削方式限制較多不夠靈活，僅僅適用于頂部為平面的陡峭面加工。圖2所示工件頂部為平坦曲面則無(wú)法生成連續(xù)的螺旋刀軌，而且該螺旋刀路與底部平面接觸時(shí)只能快速退刀無(wú)法轉(zhuǎn)換成平面輪廓切削，從而導(dǎo)致切削方向突變[11]。

1.2陡峭曲面重構(gòu)螺旋切削

陡峭曲面重構(gòu)螺旋切削法對(duì)陡峭面進(jìn)行分類(lèi)加工，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)切削法的不足。

1.2.1頂部凸曲面螺旋切削法

頂部凸曲面螺旋切削法具體操作步驟如下：

(1)圖3所示的工件包含有頂部凸曲面、陡峭曲面和平面等典型特征，首先作一根右旋圓柱螺旋線包容整個(gè)工件，螺距近似等于切削步距。

(2)進(jìn)入CAM中的固定輪廓銑，以底部平面以上的所有曲面為加工對(duì)象，其中頂部平坦曲面應(yīng)設(shè)定合適的余量以避免加工干涉，其余曲面余量為零。

(3)在投影矢量中選擇“朝向直線”并選擇“曲線/點(diǎn)”的驅(qū)動(dòng)方式，其中“曲線”應(yīng)選擇圓柱螺旋線及陡峭面與平面的交線并確保二者方向一致。

由于幾何投影關(guān)系的限制，投影矢量直線的位置與螺旋刀軌的生成直接相關(guān)，圖4代表投影矢量直線在凸曲面最高點(diǎn)、中部點(diǎn)和最低點(diǎn)的情況，相應(yīng)的圓柱螺旋線在凸曲面上投影軌跡分為連續(xù)、部分連續(xù)和不連續(xù)三種情況，顯然部分連續(xù)和不連續(xù)刀軌中不能滿足高速加工的要求。

1.2.2頂部凹凸曲面螺旋切削法

如圖5a所示，當(dāng)頂部曲面為凹凸復(fù)合曲面時(shí)，由于受投影關(guān)系和曲面凹凸變化特性的影響，圓柱螺旋線的投影刀軌連續(xù)性尚可，但尖角過(guò)多不夠光順，此時(shí)應(yīng)重構(gòu)能夠包容凹凸復(fù)合曲面的最小光順凸曲面，以替換面的方式取代凹凸復(fù)合曲面作為頂部曲面，然后采用凸曲面螺旋切削法，刀軌如圖5b所示效果良好。

值得注意的是由于底部圓角面的陡峭角較小導(dǎo)致投影刀軌步距過(guò)大影響加工精度，比較理想的解決方案是采用疏密不等的變螺距圓柱螺旋線作為驅(qū)動(dòng)曲線。圖6中底部圓角部分的切削步距明顯小于圖5中的切削步距，從而保證不同曲面精度和表面粗糙度的一致性。

2　復(fù)雜平坦曲面螺旋切削法

2.1等參數(shù)螺旋切削法

以文獻(xiàn)[9-10]為代表的等參數(shù)螺旋切削法(圖7)其主要特點(diǎn)是以曲面邊界為刀軌的偏置對(duì)象，面對(duì)不規(guī)則曲面邊界則無(wú)法生成刀軌，即使如圖7中的規(guī)則邊界也會(huì)產(chǎn)生大量的尖角轉(zhuǎn)接和極短的切削路徑，這對(duì)高速加工非常不利。

2.2復(fù)合曲線螺旋切削法

復(fù)合曲線螺旋切削法[12]有效解決了刀軌連續(xù)光順的問(wèn)題，但是刀軌中的圓弧轉(zhuǎn)接決定了其刀軌邊界必須超過(guò)曲面邊界，對(duì)于大型曲面而言空刀比較多影響加工效率(圖8)。

2.3多螺旋線切削法

面向大型曲面的多螺旋線切削法通過(guò)增加局部螺旋線數(shù)量從而消除復(fù)合曲線螺旋切削法中超出曲面邊界的空走刀，同時(shí)可以增大轉(zhuǎn)接圓弧的半徑提高刀軌光順性。步驟如下：

(1)如圖9所示在Z軸的垂直平面內(nèi)，以直線和圓逼近曲面邊界構(gòu)建輔助邊界，盡量采用較大的圓弧角以保證光順連接。

(2)在輔助邊界平面的平行平面上作一輔助圓，其大小以不超出曲面邊界為準(zhǔn)，然后繪制四條輔助直線，將相應(yīng)的網(wǎng)格曲面作為螺旋線的投影面。

(3)在輔助圓平面內(nèi)繪制平面螺旋線并與螺旋投影線橋接為光順曲線并作為主螺旋線。

(4)在CAM軟件中選擇“曲線/點(diǎn)”驅(qū)動(dòng)方式，以主螺旋線為驅(qū)動(dòng)曲線獲得主螺旋切削軌跡(圖10)。

(5)在CAM軟件中選擇“螺旋線”驅(qū)動(dòng)方式，在3個(gè)角上分別設(shè)置中心點(diǎn)和半徑，得到相應(yīng)的3個(gè)輔助螺旋切削軌跡以覆蓋主螺旋切削軌跡不能加工的曲面部分。

曲面五軸聯(lián)動(dòng)加工是數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，具有刀軸方向可變的優(yōu)點(diǎn)，多螺旋線切削法同樣適合先進(jìn)的數(shù)控5軸加工(圖11)，在CAM中將驅(qū)動(dòng)曲線沿刀軸方向投影于曲面，刀軸方向設(shè)定為遠(yuǎn)離點(diǎn)，可以用線速度較大的球刀側(cè)刃與曲面接觸，加工效率和質(zhì)量顯著提高。部分NC程序如下：

0040 G0 G90 X1.3738 Y-1.711 A358.992 B.228 S16366 M03

N0050 G43 Z.2743 H03

N0060 Z.1257

N0070 G1 X1.379 Y-1.7081 Z.0876 F10000 M08

N0080 X1.3907 Y-1.7018 Z.0514

N0090 X1.4083 Y-1.6922 Z.0184

N0100 X1.4313 Y-1.6797 Z-.01

N0110 X1.4587 Y-1.6649 Z-.0328

N0120 X1.4894 Y-1.6481 Z-.049

N0130 X1.5224 Y-1.6302 Z-.0581

N0140 X1.5562 Y-1.6118 Z-.0597

N0150 X1.5571 Y-1.6113 Z-.0595 A358.987 B.238 F10000

N0160 X1.5577 Y-1.6115 Z-.0593 A358.988 B.244

3　實(shí)例驗(yàn)證

(1)數(shù)控加工圖8中的大型曲面以驗(yàn)證多螺旋線切削法的效果, 圓柱螺旋線螺距設(shè)為0.84 mm，不同位置4個(gè)平面螺旋線螺距都設(shè)為0.7 mm, 采用直徑10 mm的球刀,實(shí)際加工效果如圖12所示，與復(fù)合曲線螺旋切削法相比切削時(shí)間縮短5%，刀軌更加光順，工件精度和表面粗糙度完全符合圖紙要求。

(2)對(duì)圖7工件采用多螺旋線切削法,刀軌如圖13所示非常光順。

4　結(jié)語(yǔ)

(1) 從高速加工的角度可將復(fù)雜曲面分為陡峭曲面和平坦曲面二大類(lèi)，根據(jù)各自特點(diǎn)采用曲面提取、修補(bǔ)、延伸等方法重構(gòu)目標(biāo)曲面，著重研究螺旋切削方式的優(yōu)化。

(2)對(duì)頂部為凸曲面的陡峭曲面直接采用圓柱螺旋線“朝向直線”投影法獲取驅(qū)動(dòng)曲線，以“曲線/點(diǎn)”驅(qū)動(dòng)方式獲得光順連續(xù)的復(fù)合螺旋刀路；對(duì)頂部為凹凸曲面的陡峭曲面，首先重構(gòu)凹凸曲面的最小包容凸曲面代替原來(lái)的凹凸曲面，然后采用頂部凸曲面螺旋切削法。

(3)提出面向大型曲面的多螺旋線切削法，在增大主螺旋線中圓弧轉(zhuǎn)接半徑的同時(shí)，顯著減少?gòu)?fù)合曲線螺旋切削法中超過(guò)曲面邊界的空走刀，提高了加工效率。

(4)通過(guò)200多個(gè)不同類(lèi)型的復(fù)雜曲面工件模擬和實(shí)際加工，結(jié)果證明陡峭曲面重構(gòu)螺旋切削法和多螺旋線切削法操作簡(jiǎn)單效率高，有效解決了高速加工中的切削顫動(dòng)和切削振動(dòng)。

[1]張伯霖，夏紅梅，黃曉明．?dāng)?shù)控機(jī)床高速化的研究與應(yīng)用[J]．中國(guó)機(jī)械工程，2001，12(10)：40-46.

[2]陳明．高速切削加工研究工作回顧[J]．哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，16(4)：1-6．

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[7]徐金亭，劉偉軍，邱曉杰,等.自由曲面加工中的等參數(shù)螺旋軌跡生成方法[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46(3)：148-151.

[8]孫玉娥，林滸．面向高速加工的等殘余螺旋軌跡生成方法[J]．計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2011， 23(7)：1249-1253.

[9]蔣曄.UG CAM在高速加工中刀具減振的方法[J]．CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2009(8)：75-77.

[10] 陳思濤．NX在數(shù)控編程中的應(yīng)用技巧[J]．CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2009(10)：83-87.

[11]趙東宏，盧章平，王庭俊，等.面向零件陡峭面加工的刀路優(yōu)化問(wèn)題研究[J]．中國(guó)機(jī)械工程，2013， 24(24)：3295-3300.

[12]趙東宏，盧章平，王庭俊，等.面向高速加工的復(fù)合曲線螺旋軌跡生成方法[J]．中國(guó)機(jī)械工程，2015， 26(14)：1865-1870.

(編輯譚弘穎)

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Optimization of spiral tool-path for high-speed machining of complex surfaces

ZHAO Donghong①②,LU Zhangping①, WANG Tingjun②, WANG Wulin②

(①School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,CHN;②Yangzhou Polytechnic Institute,Yangzhou 225127,CHN)

Against the issue that existing spiral cutting is not adaptive to surfaces and cannot be applied directly to complex surfaces, a spiral curve cutting method based on surface reconstruction is proposed. In accordance with the characteristics of complex surface, the methods of surface extraction, repair extension and so on are used to reconstruct the target surface. With the reconstructed surface as projection target of cylinder spiral curve, the driver curve is obtained.In CAM software by curve-driven approach spiral curve path is generated and optimized. VERICUT simulation and practical machining results show that complex surfaces machining using surface reconstruction spiral cutting method can generate smooth cutting path to meet high speed processing requirements and extend the application range of advanced spiral cutting method.

high-speed machining; complex surface;spiral cutting; path optimization

TH164

A

趙東宏，1967年生，男，博士生，副教授，高級(jí)工程師。長(zhǎng)期從事產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和造型設(shè)計(jì)，在數(shù)控技術(shù)和軟件編程方面具有多年一線工作經(jīng)驗(yàn)，已發(fā)表論文十余篇，擁有發(fā)明專(zhuān)利5項(xiàng)和實(shí)用新型專(zhuān)利6項(xiàng)。

2015-08-12)

160107

*教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目:基于意向認(rèn)識(shí)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法研究(20113227110007)