五軸聯動功能在航空航天加工中的應用

潘云龍

【摘 要】航空航天的關鍵零部件設計中包含著大量的流體力學、空氣動力學、材料力學等相關理論，構成的曲面形狀也相對復雜。加工精度與設計精度的一致性直接影響到其安全性和可靠性。本文通過JBOS245型五軸聯動銑床對某航空關鍵零部件進行具體加工操作，將產品的數學模型，刀具的選擇，加工軌跡的生成等方面的相關技術進行總結。（由于涉及產品保護信息將此零件具體名稱省略）

【關鍵詞】曲面數學模型建立；數控加工；刀具軌跡規劃；刀具軸控制

【Abstract】in the design of key parts of aerospace contains large amounts of fluid mechanics， aerodynamics mechanics of materials and other related theory， a curved surface shape is also relatively complex machining accuracy and consistency of design precision directly affects the safety and reliability Through JBOS245 type of five-axis linkage milling machine for some air key parts are specific processing operations， the mathematical model of the product， tool selection， machining trajectory generation has summarized the relevant techniques of protection information product （due to the parts name omitted）

【Key words】Surface mathematical model establishment； Nc machining； Tool track planning； Tool shaft control

0 前言

五軸聯動加工技術是數控技術中難度最大、應用范圍最廣的高端加工方式，它集計算機控制、高性能伺服驅動和精密加工技術于一體，主要用于對復雜曲面進行高效、精密、自動化的加工。在很多加工領域中，是一般加工方法所無法取代的[1]。現在國際上已經將五軸聯動數控技術作為一個企業生產設備自動化程度、加工能力及加工水平的標志。五軸數控加工技術對企業科技力量和綜合加工能力的提高有著的重要意義。加工中合理的使用數控機床的五軸聯動功能，可大大提高多軸加工機床的加工能力，便于形成加工系統進一步的集成化。

1 數控加工中零件三維數學模型建立

三維表面數學模型是銑削加工零件的基礎，由曲面組成表面復雜的三維數據，且大多為修剪曲面[2]。文中引用的零件為航空領域里的某關鍵零部件。因此產品的三維數學模型的曲面精度較高。零件最大長度為2000MM最大寬度為1800MM。圖1中隱形網格外圍邊界為6MM寬11MM深的密封槽，中間網格為4MM寬3MM深的通氣槽。各個溝槽的深度方向沿曲面法向，各個數據點的數據軸隨曲面變化。與主表面相連接的曲面為主表面的法向面，加工的主要難點就是數據模型中的法向槽和主曲面相接的曲面的加工。

2 零件的技術分析

目前大多數數控加工方式只涉及到三軸聯動，支持五軸聯動的數控機床在國內還是很少，加工概念也只是沉浸在定軸加工方式。對于此種零件的加工，某加工單位曾試圖采用3+2定軸輪廓銑削加工，并由兩名工程師用時兩周的時間將零件的原數據進行整理，繪制出零件的理論形狀。問題在于3+2定軸加工方式只能在刀軸的垂直平面加工中才可以避免過切和欠切，如果在此零件曲面上進行如此大范圍溝槽加工，過切和欠切現象依然難以避免。而且需要生成很多的加工子程序，各個子程序之間就會產生加工誤差。而且對數學模型數據處理的實時性影響很大。

航天工業是最早應用數控技術的行業，應用水平也相對較高，尤其是五軸聯動加工技術，許多技術仍屬于專有技術范疇。而且五軸聯動數控機床運動形式多樣，與三軸數控加工在概念是有所區別的，三軸機床只在直角坐標系做沿著X，Y，Z軸的直線運動，同一段NC代碼可以在不同的三軸數控機床上獲得同樣的加工效果。而五軸聯動數控編程除了直線運動之外，還必須協調旋轉運動的相關計算；如旋轉角度行程檢驗、非線性誤差校核、刀具旋轉運動計算等。處理的信息量很大，數控編程表示極為抽象。五軸聯動加工軌跡，是每一個傳統數控編程人員都深感頭疼的問題。

通過對零件幾何數據分析：原始數據雖然只給出零件表面溝槽的中心線，同時溝槽方向變化頻繁，但它的寬度是恒定的，完全可以通過控制刀具的加工路徑來控制溝槽的寬度和深度。

3 加工軌跡的生成

數控加工中，生成高質量的數控加工刀具軌跡是關鍵的步驟之一。設置合理的加工參數，確定適宜的加工方式，是生成數控加工文件的前提[3]。

對于該零件的主曲面，構成曲面的數據面大多數都為修剪面。所以選擇采用多曲面等間距連續加工的方法。數控機床加工自由曲面時需選用球頭銑刀對曲面進行加工。在精加工中則要根據自由曲面表面的曲率半徑來選擇加工刀具；具體原則為：球刀半徑要小于或等于所加工曲面的最小曲率半徑。這樣，加工出來的模型才能于數學模型所給出的形狀一致。另外為使加工面光滑均勻，對刀具的進給深度和走刀速度也要合理確定[4]。

接下來討論的主要問題是溝槽加工軌跡的正確性和流暢性問題。原則是：用最少的程序加工出合格的產品。加工軌跡的分段，加工軌跡盡量減少空行程[5]。

根據溝槽不同的寬度將刀具軌跡分成兩部分。endprint

第一部分為外圍密封槽，根據數學模型的幾何形狀的形成條件，為避免刀具軸的急劇變化和抬刀等空行程的產生，將它分成如圖2中的兩部分。通過對兩個區域不同加工方案的制定來優化加工軌跡減少抬刀次數。

第二部分是通氣槽刀具軌跡，在生成時，考慮到加工刀軌的流暢性，對圖形中各個通氣槽中心線進行了必要的整理，原則是：經過處理的數據必須保持原數據的原有幾何性質與幾何精度，同時必需考慮加工時可能產生的過切等問題[6]。通過對加工的可行性進行分析，將通氣槽加工軌跡分成四部分進行加工更為合理。如圖3所示，首先按曲面的經緯方向區分加工軌跡，確定兩條加工路徑的進給方式。再根據刀具軌跡的平滑程度和刀具軸的擺角變化，以最少的抬刀次數為原則，將刀具軌跡分成圖3的四部分

根據數據處理結果與原數據保持一致的原則[7]。形成密封槽中心線是投影在曲面上的曲面曲線，所以可以直接引用。形成通氣槽的網格曲線同樣無須整理，但需要根據加工軌跡的流暢性將其連接，連接曲線是將密封槽曲線在通氣槽相交處打斷，保留刀軌引用的連接曲線。將通氣槽中心線連接的目的除了為了防止加工中過切和加工軌跡的流暢外，還避免加工的空行程減少加工中的抬刀和進刀次數。經過處理的曲線即為幾何體的加工軌跡引導曲線。

4 驅動加工軌跡

在多軸加工中，加工軌跡的生成有多種驅動方式，編程的技巧性很強。但必須遵循兩個原則：第一驅動點從驅動幾何體上產生；第二將驅動點沿投射方向投射到零件幾何體上[8]。驅動幾何體的方法就是驅動點的軌跡生成的方法。該零件溝槽加工軌跡的驅動點就是對應上文介紹的加工軌跡的曲線產生的。本零件的驅動幾何體就在零件的加工表面，所以無論在任何方向投射，在零件表面生成的刀具軌跡都是正確的。對于刀具軸的控制，在產生加工軌跡時充分分析了零件表面的材料性質，并根據數據的要求必須應用零件表面法向刀具軸，加工出來的零件才是正確的。

5 零件的加工

在零件加工中，其最重要的加工的原則就是在最短的時間內加工出能達到技術要求的高質量零件。而在數控加工則更應該將所有加工工藝考慮全面細致，將加工中所有可能出現的問題進行列舉，并提出解決方案。在零件裝夾到機床前進行解決，避免二次裝夾造成的精度誤差。

此次加工的零件為鋁質板材經過整形后形成的曲面毛坯件，屬于薄壁類零件。在加工過程中很容易產生加工變形，所以加工中不宜使用較大直徑的刀具。根據此類零件的材質和其加工的特殊性，在型面的加工中采用φ20球頭有色金屬銑刀進行加工，并加工時加注切削液防止鋁板在加工中由于溫度升高產生變形。

根據溝槽的寬度在加工溝槽時分別選用φ4、φ6加工色金屬用的端面圓柱銑刀。由于是應用五軸聯動加工程序進行溝槽的加工，為了防止加工是發生刀具干涉，所以加工前要細致檢查程序的擺角數據，選擇適當長度的刀柄防止刀柄過長產生碰撞干涉，并注意加工過程中五軸頭擺動的極限位置，以防止出現相關的過切干涉[9]。

6 結束語

在工作生產中我們應該在應用中多研究工件、機床、加工方式和編程方法的匹配特性，發現并利用先進機床所具有的性能，不斷嘗試實用新的技術進行加工生產，并不斷積累先進的編程、加工經驗，這對于個人乃至行業的發展都是一種不小的貢獻。

【參考文獻】

[1]杜玉湘，陸啟建，劉明燈.五軸聯動數控機床的結構和應用[J].機械制造與自動化，2008，（03）：14-16+20.

[2]劉峰.五軸車銑復合加工功能關鍵技術的研究[D].中國科學院研究生院（沈陽計算技術研究所），2014.

[3]聞邦椿.工業機器人與數控技術.機械工業出版社，2014.12.

[4]肖詩綱編.刀具材料及其合理選擇[M].機械工業出版社，1990.

[5]陳光明.基于數控加工的工藝設計原則及方法研究[J].制造業自動化，2005，（09）：54-59+72.

[6]吳寶海，羅明，張瑩，李山，張定華.自由曲面五軸加工刀具軌跡規劃技術的研究進展[J].機械工程學報.2008（10）.

[7]王素玉，姜斌.基于UG的曲面設計與數控加工仿真[J].煤礦機械.2013（02）.

[8]賀明.面向葉輪的五軸數控加工方法與UG二次開發研究[D].廣東工業大學，2014.

[9]霍穎，楊茂奎，陳益林.多軸數控加工刀位軌跡的生成技術綜述[J].新技術新工藝，2004，（12）：27-29.

[責任編輯：朱麗娜]endprint