提升數控機床復雜曲面零件加工效率

中航工業空空導彈研究院凱邁機電公司

（河南洛陽 471003） 劉仁春 袁維濤

對于復雜零件的加工表面，粗加工的主要目的是切除大量的加工材料；半精加工指粗加工切削之后，到精加工切削余量之前的切削，主要是切除粗加工留下的不均勻的材料余量；精加工主要是保證零件的最終尺寸，切除半精加工留下的基本均勻的極少的余量。本文從加工工藝方案、刀具控制、走刀路線和進給速度的自動優化、高速切削以及自適應控制、加工機床、數控程序編制、加工過程的仿真等方面研究復雜曲面的加工優化方法，主要有以下幾個方面。

1.復雜曲面加工方法

（1）寬行加工方法 依據宏域曲率吻合的原則，利用公差帶原理，采用圓環刀寬行線接觸加工代替球頭刀窄行點接觸加工，實現復雜曲面數控加工優化。

（2）側銑加工代替點加工 點銑的問題在于消耗的時間多，加工后表面會留下帶有刻痕的扇貝面，需要再投入很多時間進行拋光，才能提高加工質量。據統計，這種加工方法的手工加工時間占到總加工時間的40%～50%導致成本大幅度增加。

側銑可以認為是寬行加工的特例。與點銑相比，側銑有很多優點，如節省加工時間，降低成本，加工表面質量好等。但側銑有一定的局限，加工表面為直紋面。

（3）插銑加工法 插銑加工是復雜曲面金屬曲面切削實現高切除率的有效方法之一。對難加工材料的曲面加工、切槽加工以及刀具懸伸長度較大的加工，插銑法的加工效率遠遠高于常規的銑削方法。在需要快速切除大量金屬材料時，采用插銑加工時間大幅縮短。此外，插銑加工還具有以下優點：①側向力小，減小了零件的變形。②加工中作用于銑床的徑向切削力較低，使主軸剛度不高的機床仍可使用而不影響工件的加工質量。③刀具懸伸長度較大，適合工件深槽的加工，也適合于對高溫合金等難切削的材料進行切槽加工。

插銑法最大的特點是非常適合粗加工，特別是適合于有復雜幾何形狀航空零件（葉輪）的粗加工，可以從頂部一直銑削到根部，銑削深度可達250mm而不會發生振顫或扭曲變形，加工效率高，是粗加工復雜曲面航空零件的優選方法之一。

（4）刀路軌跡優化 復雜曲面加工的刀路軌跡設計非常重要，對于圓柱端面凸輪的幾何形狀，采用多層加工方法，對于余量較大的區域進行局部加工，完成了對復雜曲面凹槽加工的預先處理后，再采用小尺寸刀具對復雜曲面進行加工，平衡粗加工、半精加工、精加工的加工用量。

對于曲面不同的部位采取不同的刀軌設計，如加工圓柱端面凸輪凹槽、圓柱端面凸輪突出部、凸凹過渡處等可分別采取不同的走刀方法，靈活應用側銑、點銑等方法，從而提高加工效率。

（5）進給率優化 復雜曲面加工中，在刀具路徑中對每一次切削進給率設定非常重要，加工前確定和設置最佳進給率很困難。不適合的進給率會導致切削刃崩刃，夾具損壞或劃傷零件，通常進給率大小是考慮刀具壽命和所能出現的最差的切削條件。

當切削時遇到最大切削量和最惡劣切削條件時，使用這些最差條件下的進給率是合適的。但是通常條件下，多次走刀都采用這種最差條件下的進給率得不償失，進給速度過低，切削效率降低，切削效率降低，成本增加，零件表面質量惡化。

最好的辦法是，切削量大時，刀具進給率降低；切削量小時，進給率相應地提高。因此，要根據實時切削量的不同，選擇進給不同的進給率，而無需改變軌跡，實現切削加工進給率的動態優化。

（6）五軸加工刀軸運動控制方法 五坐標加工，由于具有5個自由度，刀具可以在空間運動，就可以加工出極其復雜的形狀。然而，刀具運動控制不當，不僅增大加工誤差，表面質量降低，而刀軸與工件之間還可能發生干涉。

在實際加工中，應根據加工表面的形狀，選擇適當的限制方法控制加工運動中刀具投射矢量，使得刀具運動方向變化均勻，以控制刀軸變化的劇烈程度，有效地提高加工質量。

（7）高速切削加工 高速切削加工能有效地提高加工效率和質量，降低成本，縮短開發周期。高速切削不僅是切削速度的提高，而是需要制造技術全面進步才能達到切削速度和進給率的成倍提高，并帶動傳統切削工藝的變革和創新。因此，刀具軌跡需要重新優化，通過特殊的高速銑功能，如限制逆銑、圓弧轉角、螺旋切削、圓弧進刀和退刀、轉角區進給速率控制等，實現最大化的進給速率。在高速銑切削工藝中，要盡量減少退刀、刀具重新定位和重新進給等動作。

2.加工工序合理安排

復雜曲面類零件加工時，需要根據后續工序安排將毛坯先進行預加工。先去除大余量，中間工序根據需要可以安排合適的熱處理時效工序，對加工中生成的應力進行釋放。仔細研究工序間的相互影響，必要時需要在零件上增加工藝臺、工藝孔、工藝定位面輔助對零件進行快速的定位、找正和測量。在機床上設置快速裝夾定位用的工裝夾具，以便方便完成零件在機床上的裝夾。首先在編制程序和工序設計中工藝基準和設計零件的基準盡可能重合，原點設置方式統一，盡量減少加工過程的換刀次數；其次在工裝夾具上設置刀具和坐標系定位塊，避免發生刀具和坐標系錯誤。

設置刀具對刀塊，并且通過編程將刀具信息調入程序，在后置處理過程中自動增加刀具的檢測程序，如果檢測結果有異常則終止后續加工，采用對刀儀自動對刀具相關參數進行檢測。調整相關刀具程序直至故障消除才可以繼續加工。

3.加工機床的選擇與運用

從機床－夾具－刀具組成的工藝系統來看，高轉速機床動靜剛度較高、機床熱穩定的影響需進行控制，盡量將影響控制在不影響零件加工的范圍；加工中心機床進行復雜曲面零件加工時最好選擇閉環控制系統。加工中心機床應配有高壓冷卻系統對零件進行充分冷卻。

夾具需要既有高的夾持力又需要有足夠的剛度，避免在加工中因機床切削零件過程中發生振動，影響零件加工表面粗糙度和尺寸精度，甚至有發生刀具、零件損壞的風險。刀具方面需要注意選擇適合進行高速加工的刀具，一般選擇為耐磨帶涂層的硬質合金銑刀。我公司現場使用的有山特維克可樂滿、山高等品牌刀具加工效果較好；刀柄選擇為雙面定位并且進行動平衡過的BBT或HSK刀柄提高高速加工時刀具系統的穩定性。減小機床－夾具－刀具組成的工藝系統原因對零件加工質量和效率的不利影響。

4.數控程序的編制與優化

曲面類零件加工需要在3～5軸的機床上進行加工，這樣就需要我們根據零件的幾何形狀和尺寸選擇具體的加工方式，一般的原則是能保證加工質量的情況時，盡量選擇軸數少的加工中心機床進行加工。這樣可以不用選擇昂貴的五軸設備，節省設備投資就可以完成加工任務。并且可以減少編程的困難，同時節省數控程序運行時間，提高加工效率。

數控程序的編制實現方式：①用U G、Cre1.0、CATIA等三維軟件進行建模然后，用以上軟件的后置程序生成加工程序進行加工。②手工編程對于曲面加工來說需要進行數學建模，然后根據零件加工要求結合仿真軟件驗證手工編程的加工誤差進行程序調整。相對而言，手工編程簡單的可以采用數學公式來完成，復雜的尤其是對不規則曲面采用宏程序編制程序。用數學方法編制的程序邏輯結構嚴謹，程序段精煉，加工時程序占用機床內存較少，機床執行程序的效率較高。但對編程者的數學建模能力要求較高。比較以上兩種編程實現方式，如果對于曲面復雜手工編程較困難的一般采用三維軟件進行建模然后，可以用相關軟件的后置程序生成加工程序進行加工；如果曲面零件可以手工編程還是盡量采用數學方法編制的程序或宏程序，這樣對提高加工效率有好處。

5.加工過程仿真模擬（CAD/CAM）

使用UG、Cre1.0、CATIA等三維軟件進行建模，然后用以上軟件的后置程序生成加工程序進行加工。Vericut或Cimatron是進行數控程序模擬、仿真、驗證和優化的軟件，可以替代我們檢驗NC程序運行過程，還可以用設計模型與仿真加工模型的比對功能，定量分析仿真加工模型。選用相應的數控系統和機床類型，利用仿真軟件的自動對比功能，將三維軟件編程或宏程序加工的零件和三維軟件建立的模型對比，符合圖樣要求。最后將編好的程序在數控機床上進行加工，就可得到合格的產品。