復雜曲面零件五軸高速進給加工的關鍵技術分析

賈會會

（江蘇省徐州經貿高等職業學校，徐州 221004）

在現代制造業中，復雜曲面零部件應用越來越廣泛，如航空發動機的葉輪和飛機的機翼、艦船螺旋槳以及汽車覆蓋件的精密模具等。復雜曲面零部件一般具有精密復雜面型、材料切除率高和整體薄壁等特點。因此，在復雜曲面零部件的加工制造中，人們必須大力研究和分析其關鍵技術。

1 復雜曲面零件五軸數控加工制造技術現狀

五軸數控加工是指在加工制造的過程中，利用兩個旋轉軸，通過提高刀具的可達性，制造復雜曲面零件的一種關鍵技術。然而，就目前而言，我國復雜曲面零件的五軸加工制造技術中還呈現出明顯的問題，主要表現為：加工周期長、工藝成熟度和穩定性較低、控制技術不可靠、加工效率低等。例如，在我國，加工一個直徑200㎜的鈦合金葉輪的流道大概需要60min，而德國MTU公司加工出一個相同的零件，只需要15min。有關成本資料顯示，我國復雜曲面零件制造中，作為易耗品的刀具花費占據總成本的4%，而機床占用時間、企業管理和人工的成本則占據76%[1]。從資料中不難發現，在復雜曲面零件制造中表現出明顯的加工效率低、機床占用時間長，影響制造成本的特點。

基于這一點，在復雜曲面零件的加工制造中，引入五軸加工等距雙NURBs刀具路徑生成的方法、平動軸線性刀具路徑高進給加工的G2連續實時光順、五軸線性刀具路徑進給加工的G2連續實時光順風有效的措施，以有效提高五軸進給速度，從而提高復雜曲面零件五軸的加工效率。

2 五軸加工等距雙NURBS刀具路徑生成方法

在復雜曲面零件的加工制造中，五軸高速加工是提高其加工效率和加工質量的最有效手段之一。在傳統的加工中，雖然在數控代碼中指定了進給率，但各軸運動性能、插補周期和數控系統等因素也會對實際的進給率產生重要的影響。因此，實際五軸進給速度要符合這幾個方面對各軸的速度、加速度和躍度的限制范圍。

而五軸加工等距雙NURBs刀具路徑生成方法的應用，有效減少了刀具路徑中的不連續現象，在一定程度上提高了復雜曲面零件的加工制造中各軸的平均進給率，并在此基礎上減少了制造過程中產生的速度波動現象，有效提高了復雜曲面零件的加工效率和加工表面的質量。具體來說，其主要優勢表現在三個方面[2]。

（1）傳統的進給速度只能反映出復雜曲面零件的加工制造中的刀尖點的速度，而考慮到五軸聯動數控的加工具有旋轉運動，機床各軸進給速度與道具相對于工件速度之間并非呈現出一種線性關系。因此，刀具的運動狀態很難進行描述。而采用距雙NURBs刀具路徑生成方法，則能夠在工件坐標系下插補，從而實現對工件坐標系下的速度進行直接的控制。

（2）在復雜曲面零件的加工制造中，刀尖點和刀具的方向都是光滑的有力表達式，使得數控系統能夠實現速度平滑。而距雙NURBs刀具路徑生成方法，可以顯著提高平均的進給率，從而有效提高復雜曲面零件的加工制造效率。

（3）刀具上參與切削部分的長度可以傳輸給數控插補系統，這樣便能很好地驗證插補誤差現象，尤其是在側銑的加工制造過程中，一旦刀具上參與切削部分變得很長時，人們就很難正確估計刀具旋轉帶來的誤差。而采用距雙NURBs刀具路徑生成方法，則有效避免了這一現象。

目前，在復雜曲面零件的加工制造中，距雙NURBs刀具路徑生成方法主要分為兩種，即NURBs擬合法和直接規劃法。其中，NURBs擬合法主要是在CAM的軟件中輸出一小段的刀具路徑，之后在后處理的軟件中擬合出雙NURBs的刀具路徑，并利用著名的處理ICAM軟件的NURBs擬合功能。通常，在具體生產制造的過程中，該方法所產生的刀具路徑往往由許多NURBs曲線所組成，其代碼量較大，以至于在后處理擬合時更難加以判斷，從而出現誤差現象。而直接規法則是在CAM軟件中直接運用NURBs的方式對刀具的路徑進行描述，之后利用其路徑對包絡面誤差進行檢查[3]。

3 平動軸線性刀具路徑高進給加工的G2連續實時光順

在復雜曲面零件的加工制造中，平動軸線性刀具路徑相對于其他方法而言，在工業生產中具有較為廣泛的應用。在實際應用中，平動軸線性刀具路徑法具有直線表示形式間接、算法簡單的優勢。但是，這種簡單的刀具路徑中的線段連接處無法對切向和曲率連接進行有效的保證。這種不連續性的缺點嚴重影響進給速度，加速波動，降低了加工效率和加工質量。

在這種情況下，人們可以采用平動軸線性刀具路徑高進給加工的G2連續實時光順法。在數控系統中，采用平滑的參數化曲線取代僅有的位置連續的線性道路，可有效降低復雜曲面零件加工制造過程中產生的速度波動現象，從而有效提高加工制造效率。研究表明，將小線段的刀具路徑進行實時轉化，使之轉化為樣條處理的功能，然后打開樣條的平滑功能，可使得原本的加工時間有效地縮短15%，并且復雜曲面零件具有更加平滑的速度曲線，在一定程度上保證了其加工質量。

4 五軸線性刀具路徑進給加工的G2連續實時光順

在復雜曲面零件的加工制造中，要求機床平動軸和旋轉軸進給運動具有較高的平穩性。在具體的加工中，五軸線性刀具路線與三軸線性刀具路徑加工類似。五軸線性刀具路徑由一系列的指令定義。數控系統指令發送給數控系統之后，在機床動力學特性的約束下，對每一個軸的位置、速度和加速度進行實時規劃。在規劃的過程中，由于線段連接點處刀具估計的切向和曲率存在一定的不連續現象，這在一定程度上影響了復雜曲面零件的加工制造速度。

在這種情況下，采用光滑的參數樣條曲線取代線性刀具路徑，可有效提高復雜曲面零件的加工制造效率和加工表面質量。運用G2連續實現的方法，在具體的制造過程中，可以使得過渡曲線中不存在曲率的換向，從而消除有助于數控系統實現進給運動的光順，以達到提高加工效率和加工質量的目的[4]。

5 結語

復雜曲面零件應用廣泛，對制造精密度要求較高。但就目前而言，我國復雜曲面零件的制造過程中，還存在明顯的效率低下、制造質量低下的問題，人們必須采取有效的方法，以有效提高復雜曲面零件的加工效率和質量。