三维曲面的数控加工
在机械加工行业中，随着自动控制技术、微电子技术、计算机技术、精密测量技术及机械制造技术的迅速发展，数控机床也得到了快速发展应用。现代模具设计与制造中，各种型腔型面设计日趋复杂，尤其是一些模具中的三维的曲面所占比例不断增加，精度与粗糙度要求越来越高，即对曲面的加工提出了更高的要求。而在目前模具设计与制造过程中，包含三维曲面的模具基本上都是借助各种CAD/ CAM专业软件进行建模、分模和通过自动编程，利用数控机床加工完成的。
目前对三维曲面零件的加工，以采用面铣刀沿曲面参数线方向进行加工为最佳加工方式，这种加工方式具有加工精度和加工效率高，零件表面质量较好以及刀具切削状态优等特点。为了完成对曲面的数控加工编程，首先需要在计算机上造型出曲面的三维模型。
曲面的设计数据通常以点阵数据描述，而曲面点阵数据的来源主要有两种方式：一种是通过设计手段，由设计人员根据产品的设计理论，通过计算得到这种点阵数据，其又常常是按一定规则有规律给出，三维造型相对容易；另一种是通过对手工制作的木模原型或者实物，采用三维测量仪器测量得到曲面的点云数据，这类数据点阵分布没有准确的规律，曲面三维造型相对较难。所以，根据曲面原始数据点阵的不同情况，曲面的三维造型可分为规则点阵的曲面造型和不规则点阵的曲面造型。
创建曲面的方法很多，可以用点云直接生成曲面。曲面是以所扫描得到的点云数据为输入数据来重新建构曲面模型。得到产品的数据后，以反求工程软件进行点数据的处理，经过分门别类、群组分隔、点线面与实体误差的比对后，再重新建构曲面模型，产生CAD数据、制造或NC加工或RP制作，这部分即为后处理。目前在点云生成曲面的过程中，主要有三种曲面构造的方案：其一是以B-Spline或NURBS曲面为基础的曲面构造方案；其二是以三角Bezier曲面为基础的曲面构造方案；其三是以多面体方式来描述曲面物体。因此只有采用“点云数据造型曲面”功能，而在CAMAND中还没有类似功能，实践中我们借助I-DEAS中的“Fit Points to Surface”功能，把点云生成曲面，然后在I-DEAS软件中转换为CAMAND文件格式，以其作为数控编程用模型。
刀具系统在加工面时对生产效率和加工质量起决定性作用。刀具的正确选择和使用也是影响数控加工质量的重要因素之一。在选用刀具系统时，必须首先从被加工年零件几何形状出发，合理采用刀具的种类。硬质合金刀具由于性能优异，加上制作工艺不断改进和提高，应用范围越来越广，已取代了大部分高速钢刀具，包括钻头、立铣刀、丝锥等较复杂的通用刀具，在数控加工领域已占主导地位。粗加工时尽可能采用大直径的飞刀，使用R2或R6硬质合金刀片，半精加工时可选用高转速高进给的R0.8镶片立铣刀，精加工时可选用硬质合金刀杆和高精度球头镜面刀片的整体合金刀具或涂层刀具，以保证加工质量。
选择刀具的直径应根据曲面零件的曲率大小来确定，原则是刀具半径应该小于曲面凹曲面的最小曲率半径，但也不宜太小，否则将使加工效率降低。对于曲率半径变化太大的曲面零件，也可以把整个零件划分成不同区域，选择不同直径的刀具，以提高加工效率。
在对三维曲面的数控加工时，采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。
在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。三维曲面零件的五轴联动加工技术可以有效解决这类零件加工精度和加工效率之间的矛盾，这种技术涉及到计算机辅助三维曲面造型，计算机辅助制造及机械加工工艺技术等多学科综合技术。
三维曲面零件在发电设备、汽车、飞机、模具等行业中被广泛应用，其数控加工编程是这类零件制造中的难点问题之一。随着现代数控技术在机械加工行业的日益普及，逐步给机械加工行业带来了革命性的进步，而且随着计算机技术的发展，使CAD/CAM技术有了长足的进步，出现了五轴联动数控镗铣床和一些优秀的CAD/CAM软件，比较灵活的应用在五轴联动数控加工编程方面，尽可能的提高了加工效率。
参考文献：
1、《数控机床加工工艺》 王爱玲主编 机械工业出版社2007
2、《机床数控技术》 王爱玲主编 高等教育出版社2006
3、王敏 三维曲面高速数控加工工艺分析 装备制造技术2007年第11期
4、《数控加工技术与应用》 吴建蓉、王炜编 福建科学技术出版社 2005
