基于等残留高度法的曲面刀路规划及加工

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业技术
DOI：10.16660/ki.1674-098X.2018.04.100
基于等残留高度法的曲面刀路规划及加工①
谢凡
(江西制造职业技术学院 江西南昌 330095)
摘 要：本文在等残留高度刀具路径规划方法的基础上，为解决同一曲面加工后表面质量差异大的问题,将曲面作为两个区域进行加工，并将其划分为陡峭区域和平坦区域本文通过在不同区域。

加工过程中使其自动更换行距(即陡峭区域的行距稍大，平坦区域的行距小)，使同一曲面加工后表面质量达到一致。

关键词：等残留高度法 曲面加工 表面粗糙度中图分类号：TG65 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2018)02(a)-100-02
①作者简介：谢凡（1992—），女，汉族，江西南昌人，硕士，讲师，研究方向：机械设计及理论。

数控加工较传统加工而言，其加工表面质量较好且加工效率高。

在数控加工中,为获得较好的加工效果一般采用较高的转速进行加工，所以对机床的主轴转速要求较高，且在切削刀具、刀具轨迹规划和加工数据处理等方面也提出较高要求。

实际研究表明，铣削加工中，影响零件表面质量的主要因素还有加工过程中产生的振动。

1 曲面刀具路径规划
本文选用的研究对象与碗形曲面类似，不同的是碗形曲面的底部为水平面，而本文采用的曲面是完整的一段圆弧。

在加工过程中，当进行曲面底部切削的时候，其切削速度为零且刀具处于零点切削，导致加工出的工件表面质量差以及曲面上下表面粗糙度不一致的现象。

为解决这一现象(即加工后曲面陡峭区域与底部平坦区域表面粗糙度不一致)，本文提出一种新的刀具路径。

在加工过程中，为使曲面上下表面质量达到一致，本文通过同一曲面划分区域后采用不同
走刀步距的方法来提高工件的表面质量，使得曲面的表面质量达到一致。

1.1 定义和划分曲面区域
分区加工的优点在于，陡峭区域加工的切削三要素不必取过高就可以获得较高的表面质量，降低功耗、提高效率、节省成本。

而在平坦区域，适当提高切削三要素，以提高球刀在切削时的线速度，从而提高表面质量。

本文针对这一问题，对这一曲面的加工刀具路径重新进行规划。

将曲面分为两个区域进行加工(即：陡峭区域和平坦区域)。

如图1所示，在一个三维空间A中，设水平坐标轴为X、Y，垂直坐标为Z，图中均匀对称的凹形曲面构成陡峭区域B，X、Y构成近似水平面称之为平坦区域C，陡峭区域底部与平坦区域C相切，若B，C区域上每一点的坐标可由表达式
(),z f x y =求出,那么对B区域上的一些点必定有（表达式对
X,Y求偏导不为0），而C区域上的所有点为0。

设曲面表达式为(),z f x y =对其在x 、y 处求
偏
导，若
图3 传统加工后的曲面图1 曲面区域划分
图2 角度划分区域
图4 改进后加工策略的轨迹
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摩擦力驱动皮带，使皮带始终在设定的范围内运行，从而避免皮带跑偏造成撒料、磨损皮带，达到保护皮带正常运行的目的。

方式二，改进吊架结构。

一般双向运输皮带机吊架的设计是上皮带承载托辊直接用绳卡固定在钢丝绳上，双向吊架上端用绳卡与钢丝绳固定，下皮带承载托辊固定在双向吊架下端的销轴上，这样虽然仅需单排钢丝绳便可贯穿整机，但经过矿上多年的使用证明，此种方式极易造成皮带跑偏，原因是上皮带受料时造成钢丝绳不稳定，相应带动吊架晃动，当下皮带再受料时，承载托辊的不稳定会导致受料点跑偏，使得皮带上的物料不均匀，这样造成的跑偏极不容易调整(如图2所示)。

所以此次设计根据鄂庄煤矿多年生产经验，在双向运输段利用拉绳座固定第二排钢丝绳，双向吊架将上下两排钢丝绳同时固定住，上下承载托辊分别固定在上下钢丝绳上，这样双向运输段便形成一个框架结构，相比传统设计，
钢丝绳更稳定，皮带不容易跑偏(如图3所示)。

5 结语
经过几个月的生产使用，双向皮带机的加入极大地加
快了生产进度，满足了快速掘进生产的需要，减轻了劳动强度，节省了投资费用，确保了安全运输，更获得了较好的经济效益和社会效益，在类似条件下具有极高的推广前景和应用价值。

参考文献
[1] 张尊敬.DTⅡ(A)型带式输送机设计手册[M].北京：冶金工业出版社,2003.[2] 张海明.下运带式输送机的选型设计及应用[J].煤矿机械,2009,30(7)：7-8.
[3] 陈学锋.大倾角下运强力带式输送机设计要点[J].中国煤炭,2012,38(7):97-99.
两个偏导数(),x f x y '和(),y f x y '关于x 和y 存在偏导数，则
(),z f x y =存在偏导：
()2
2,xx z z f x y x x x ∂∂∂⎛⎫
== ⎪∂∂∂⎝⎭()2
,xy z z f x y x y y x ∂∂∂⎛⎫
== ⎪∂∂∂∂⎝⎭
()22,yy z z f x y y y y ⎛⎫
∂∂∂== ⎪∂∂∂⎝⎭
()2,yx z z f x y y x x y ⎛⎫
∂∂∂== ⎪∂∂∂∂⎝⎭
令θ是B、C区域表面任意一点的切线与曲面底部的夹角，那么有
()2cos ,yx z z f x y y x x y θ⎛⎫
∂∂∂=
== ⎪∂∂∂∂⎝⎭
或()2cos ,xy z z f x y x y y x θ∂∂∂⎛⎫
=== ⎪∂∂∂∂⎝⎭
()arccos ,yx f x y θ⇒=或()
arccos ,xy f x y θ⇒=令θ在0≤θ≤15°
或165°≤θ≤180°时，则这些区域上的点称为平坦点，反之其他点称之为不平坦点。

若有不平坦点存在，则B区域称之为陡峭区域；若对于C区域任一点切线与平面C的夹角θ恒为0，则C区域为平坦区域。

如图2所示，根据陡峭区域与平坦区域的划分，将实例内曲面在15°位置处进行分割，成为两部分。

1.2 同一曲面不同行距的刀具路径生成
考虑到UGN X加工模块需要选择切削区域，因此需要将内曲面分割开。

曲面蓝色部分为陡峭区域，曲面粉色部分为平坦区域。

2 实验加工
2.1 实验条件
（1)实验设备：V MC850立式加工中心，（FANUC 0i Mate-MD）。

（2)精加工刀具：刀具直径为12mm的球头刀具。

（3)工件材料：采用铝料。

2.2 数控加工参数
(1)传统加工方法。

首先在计算出刀轨点以后，然后将这些点形成线(刀具轨迹线)。

通过Powermill软件将这些数据点转化成样条轨迹线。

将上文的刀具轨迹线，根据加工模型实际选择加工曲面进行裁剪，并对其参数进行设置(具体加工参数见表1)。

(2)改进后的加工策略。

通过区域划分，将曲面划分为上下两个区域(即陡峭区域和平坦区域)。

采用同一曲面不同行距进行加工，弥补传统加工上下曲面质量差异较大的不足，加工参数见表1。

使用此方法进行加工，可实现上下两曲面区域的表面质量基本一致。

如图4所示的改进后加工策略的轨迹。

3 结语
本文主要针对复杂曲面加工表面质量不一致的现象，提
出了一种新的曲面加工策略提高表面质量。

使用球头刀加工曲面，加工过程是刀具的球形刃部分参与切削，当加工到曲面底部的时候是刀具的零点进行切削(即挤压现象)，因此底部的表面质量较差。

新方法进行加工主要是将曲面划分为陡峭和平坦两个区域，并且使两个区域采用两种行距进行加工。

使得整个曲面的质量基本达到一致，改善曲面的粗糙度，弥补了传统加工方法的不足。

参考文献
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[5] 宋玉梅.数控铣削曲面粗糙度的研究现状及展望[J].机械与电子,2012,(15):138.主轴转速（rpm ）进给速度（mm/min）
刀具直径（mm）加工精度（mm）1500
500
12
0.025
表1 精加工参数
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