石料浮雕数控加工的路径规划研究

朱炳任 刘阳

摘 要：随着社会的不断发展，人们对雕刻产品的需求不断增长，数控浮雕加工技术应运而生。该技术完美解决了人们对浮雕产品日益增长的需求和手工加工浮雕的产量低的突出矛盾。本文以篆刻石料为加工材料，采用对比实验的方式，对环切进给加工、往复进给平行加工、单向进给平行加工三种不同的加工路径进行加工。对加工成品的时间，粗糙度，与原图对比精确度进行统计测量并得出最优加工路径。

关键词：浮雕加工;数控加工技术应用;路径规划

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

0 引言

经济社会飞速发展，数控铣床、CAXA制造工程师等自动编程软件的出现使数控加工浮雕成为可能，为满足日益增长的浮雕产品需求开辟一条新路[1-2]。数控切削加工刀具运动轨迹优化是发挥数控加工设备生产效率的有效途径。在路径规划方面，应用于刀具轨迹的拓扑结构一般有环切与行切，而行切走刀模式又分为单向进给模式与往复进给模式[3]。本文以实验为依托，对篆刻石料平面加工的路径规划进行研究。

1 实验器材与方法

1.1 实验器材

实验选择的加工毛坯石料为莫氏硬度2-4度的篆刻石料;采用CAXA制造工程师数控加工编程软件进行代码生成。该软件为CAD/CAM一体化设计，可生成加工路径，实体仿真出加工效果，自动生成加工复杂曲面所需的加工代码，也有可对复杂曲面加工代码进行逆向读取，检验自动生成的加工代码是否出现错误的功能;其运行环境是Windows[4];加工设备选择高精度小型台式数控金属加工铣床SW-180M进行加工。其主要性能参数：（1）主轴最高转速：正转：2000rpm，反转：1000rpm;（2）进给速率：5-1517mm/min;（3）快速移动速度：1540mm/min;（4）最大加工范围：x轴方向100mm，y轴方向80mm，z轴方向60mm。

1.2 实验方法

为检验加工路径对加工效率和加工精度的影响，本课题选用较为苛刻的加工参数，以便能使加工结果有明显的优劣区分度。加工参数设定如下：刀距为0.1mm;切削速率为1500mm/m;深度为1mm;层数为3。其它参数设定如下：加工精度设置为0.01mm，最小步距设置为0.5慢速下刀速度，切入与切出速度均设定位x轴向进给速率的百分之75，退刀速度与切削速度相同。为提高加工质量与加工效率，主轴转速设定为所用设备的最大转速2000R/m，考虑到加工的垂直方向范围在0.8mm以内，为减少刀具控行程，提高加工效率，安全高度设置为2，慢速下/退刀高度设置为1。刀具为雕刻用硬质合金铣刀，具体参数如下：刀杆直径3.175mm，刀具锥角7.5度，杆长45mm，刃长10mm。刀尖宽0.2mm。

依照以上设定的参数换用环切进给加工、往复进给平行加工、单向进给平行加工三种不同的加工路径进行加工。记录加工过程所需时间，测量加工成品的粗糙度，和与原图的对比度相似度。然后两两对比选出最优的加工路径。

2 实验结果与对比分析

将待加工原图经过图片处理后利用CAXA生成加工代码。按环切进给、平行单向进给、平行往复进给进行加工，每种进给方式进行20次加工实验，将每组实验结果求平均值并进行对比分析。

2.1 环切进给加工与平行单向进给加工对比分析

对环切进给加工与平行单向进给加工结果测量和统计如表1。对这两种刀具路径的加工时间、表面粗糙度、与原图对比相似度进行比较可以看出：环切进给加工与平行单向进给加工相比表面粗糙度无较大差别;加工效率方面，环切进给加工明显优于平行单向进给加工;而与原图对比相似度方面，平行单向进给加工明显优于环切进给加工。

2.2 平行往复进给加工与平行单向进给加工对比分析

对平行往复进给加工与平行单向进给加工结果测量和统计如表2。对这两种具路径加工时间、表面粗糙度、与原图对比相似度进行比较可以看出：平行单向进给加工与平行往复进给加工相比表面粗糙度无较大差别;加工效率方面，平行往复进给加工明显优于平行单向进给加工;而与原图对比相似度方面，平行单向进给加工与平行往复进给加工无明显差别。

2.3 环切进给加工与平行往复进给加工对比分析

对环切进给加工与平行往复进给加工结果测量和统计如表3。对这两种具路径加工时间、表面粗糙度、与原图对比相似度进行比较可以看出：环切进给加工与平行往复进给加工相比表面粗糙度无较大差别;加工效率方面，环切进给加工与平行往复进给加工相比无较大差别;而与原图对比相似度方面，平行往复进给加工明显优于环切进给加工。

3 结语

通过对三组实验的结果进行对比，不难发现：三组加工结果粗糙度没有明显区别;环切进给加工效率高，但石料加工过程中出现崩裂现像且行面积较大，导致结果与原图对比相似度较低;平行单向进给加工在石料加工过程中虽出现崩裂现像但行面积较小，导致结果与原图对比相似度较高，但加工效率较低;平行往复进给加工效率与环切进给加工类似，但与原图对比相似度也较高，与平行单向进给加工相差不大。由此可见，平行往复进给加工在相同的加工条件下，加工性能优于其它两种加工方法。

参考文献：

[1]张党飞.基于 CAXA 的数控雕刻 CAD/CAM 技术研究[D].西安：西安建筑科技大学，2012.

[2]申丽国，张昆，黄征.国外数控技術的研究动向和发展趋势[J]. 制造业自动化，1996（02）：19-23.

[3]周虹.数控加工工艺与编程[M].北京：人民邮电出版社，2004.

[4]http：//baike.baidu.com/link？url=31h2YrkTotdl65DUsIvIBWIB53oVu7lwF1K7xpThtUgnBB3sskFidn4zJ1wbAwZ2vC2qiABMVWmZBdzDTPhWrK.

作者简介：朱炳任（1994-），男，吉林伊通人，硕士研究生，研究方向：固体力学。