復雜曲面數控加工技術及其應用研究

孫澎濤

（徐州工業職業技術學院，徐州 221000）

零件加工是器械制造中的關鍵一環。將復雜曲面數控加工技術積極應用于航空航天、汽車、環保裝備等高精制造領域，對提升我國制造技術具有重要幫助。隨著我國產業結構的轉型，制造業逐漸迎來發展黃金期。但是，縱觀世界各國制造業的發展情況，我國的制造水平尚待提升。根據我國相關行業的發展計劃和人才培養計劃，不難看出我國十分重視制造業的發展與革新。基于以上時代背景和理論基礎，積極研究和應用復雜曲面數控加工技術十分重要且迫切。

1 復雜曲面加工面臨的主要挑戰

1.1 復雜曲面的定位

相比傳統制作應用機械夾具、量規進行工件裝夾，應用數控技術進行精度更高的工件加工需要設計并制作全新的夾具，會消耗更多的時間和資金。復雜曲面的結構參考點相比典型弓箭更加難以辨識，使得傳統方法無法實現有效、快速的曲面定位，而數控加工也同樣面臨曲面定位問題。

1.2 復雜曲面粗加工

復雜曲面加工先需要經歷粗加工過程，一般應用型面加工等方法，但粗加工易受到毛坯變形的影響[1]。產品毛坯因材料等因素的制約，其曲面各處變形量經常存在不均勻問題，導致毛坯在粗加工過程中常常出現大量空走刀的問題，大大降低了切削效率和切削質量，還會造成大量資源的浪費，影響后續的加工作業。因此，在復雜曲面的粗加工中，是否能保證粗加工質量符合精度、效率等要求，是復雜曲面工件加工面臨的重要挑戰。

1.3 數控技術尚待完善

相比傳統加工方式，數控加工使用數控機床及相關加工道具，能夠有效提高復雜曲面工件的加工質量、效率。但是，實際應用中，要想合理、有效應用數控技術進行曲面工件加工較為困難，因為實際加工過程中機床性能將受工藝參數、刀具選擇等因素影響，若存在道具不夠匹配、參數不合理等問題，將嚴重影響機床性能，無法保證曲面工件的加工質量。

2 數控加工的特點及優勢分析

2.1 加工自動化

數控加工技術的成熟度與國家工業發展情況密切相關，因為其具有傳統加工技術沒有的許多優勢。相比應用傳統工藝進行曲面加工，數控加工可通過數字控制機械自動完成加工。在數控加工過程中，數控操作者的操作十分簡單、便捷，只需在相關系統中進行遠程的數字操作，即可實現零件裝卸、刀具更換等操作及加工時間、溫度等方面的監督管理。自動化加工大大減少了相關從業者的工作量，提高了制造效率。

2.2 精確度高，效率高

首先，應用數控技術加工工業復雜曲面工件，能基于合理的編程設計實現高精確度的計算與定位、加工，能滿足相關行業及大眾對工業產品的要求。其次，數控技術基于數控機床可實現自動化程度高的零件裝卸數據檢測、劃線等工作，能對多個零件進行加工，大幅降低了相關員工的工作壓力、體力勞作強度，提升了企業運行的經濟性。

2.3 服務于產品的研發與創新

數控加工操作中，技術人員不需要太多參與制造過程，只需編輯相關機器的數據便可重新定義數控機床的加工步驟、參數以及工藝等進行新型產品的加工[2]。數控技術的這一操作特點，使其能更好地服務于創新產品的研發，降低了產品創新的難度。

3 復雜曲面加工具體應用的數控技術

3.1 數據獲取

數據獲取是進行復雜曲面加工的基礎。若采用數控技術，主要通過專業的數據測量設備及相關測量技術獲取數據點，具體包括激光掃描、CT成像、照相法等及數據點獲取方式。通過數字化測量得到的數據可能存在噪聲信息，因此需要進行相應的處理，以提升數據的準確度。為保證復雜曲面的加工質量，測量數據前要根據具體情況選擇合適的測量工具及技術。

3.2 曲面匹配

曲面匹配是基于同一曲面不同坐標系的表示方法對準曲面空間。曲面匹配在諸多領域得到了應用，在復雜曲面加工中占據重要作用。在應用該技術前，需要合理選擇匹配要素，目的在于使各個對應點的空間信息和特征建立對應關系，主要依據三維曲面中相關對應點的信息選擇匹配信息。一般可基于特征、基于點或基于模型選擇匹配信息[3]。選擇完成后，需要確定相應信息的相似性，基于要素相似性引入適宜的約束條件，以有效控制匹配過程及其計算，最后確定曲面匹配策略，即確定更換加工參數。

3.3 工件定位與安裝

傳統定位及夾緊安裝方法需要進行煩瑣的準備及設備調整，消時嚴重，對操作人員的技術要求高。在進行復雜曲面工件加工時，加工件可能產生明顯變形，因此定位與安裝的作用突顯。要想保證曲面工件加工質量，需要采用合理的定位與安裝技術。要先在龍門銑床上使用粗定位基準加工工件底面，然后以粗加工完成的底面為基準進行型面定位及加工。這一過程以型面加工余量的均勻為基本準則，合理控制型面加工速度，以保證加工質量。定位與安裝過程中，需以基準底面和限止塊的安裝面加工余量為參考進行加工。

3.4 刀具軌跡生成技術

一方面，應根據加工技術要求選擇刀具及具體參數，尤其關注刀具的工作速度、切削方法、走刀效果及受力情況等參數。另一方面，生成數控刀具的軌跡。生成軌跡的技術多樣。平面及輪廓加工中，以凹槽加工為例，常使用環切、行切等方法。前者一般比后者建立的路線短，刀具經過的路線更簡單。簡潔的刀具軌跡能提升加工效率。由于曲面加工相對復雜，對多面、復雜的曲面工件進行粗加工時，要先了解零件是否可進行2.5維加工[4]。若可以，則可以使用層切等技術。

4 復雜曲面數控加工技術的具體應用研究

4.1 在汽車、船舶產品制造中的應用

數控技術最早被應用于機器零件制造。由于汽車、船舶及航空領域的發展，數控技術被廣泛應用于零件加工工作，如螺絲、發動機的加工。該技術能較好地應對這些領域煩瑣、眾多的零件加工要求，進行精確、快速的機械加工。

4.2 在軍備制造中的應用

多國的軍備制造已開始廣泛應用數控技術，而我國也逐漸將數控技術推廣到軍裝制造領域。數控技術參與軍事武裝制造時具有精確性高等優勢，能夠滿足相關零件精確度的要求，從而保證武器的使用性能和安全性。

4.3 在通信、醫療、印刷等行業中的應用

如今，通信行業發展迅速，各類信息手機的需求量巨大。各類通信產品的制造離不開精密零件的加工，常用到納米技術、超精技術的精細加工配置等[5]。此時，應用數控技術能滿足通信產品內部精細構造的高精細度要求。隨著信息技術、機電一體化技術的不斷成熟，醫療行業中開始出現越來越多的高科技設備，包括各類診斷設備、監測設備等，為患者提供了更優質的醫療服務。這些醫療器械需要借助數據監測等數控技術，準確獲取數據。在印刷行業，印刷機器內部零件的加工同樣可應用數控技術，以提高印刷機器的工作效率。此外，數控技術在現代紡織業等行業中被逐漸應用，以減輕勞動強度，提高效率。

5 結語

數控加工技術能在多個領域應用，實現更精準、高效的零件加工和更精準的操作。它依托數據獲取、曲面匹配等技術，能較廣泛應用于包含復雜曲面結構的零件加工。為應對曲面加工的實際調整，更好地應用相關的數控技術，需要合理應用各項技術，如合理選擇刀具、選擇測量技術等，以保證各個加工環節的質量。