复杂曲面零件五轴高速进给加工的关键技术分析
作者简介：贾会会（1974-9） ，女，江苏徐州人，副教授，数控车技师，主要从事机械设计制造、数控加工方面的教学和研究。
摘要：复杂曲面零件在运载、能源、国防等行业中，实现了广泛的应用，复杂曲面零件的加工水平具有极为重要的价值，在一定程度上反映了国家制造业的水平。在复杂曲面零件加工过程中，对加工技术要求相对较高，尤其是五轴高速进给加工技术，是复杂曲面零件加工的关键，必须要给关键技术给以一定的控制。
关键词：复杂曲面零件；五轴高速进给加工；技术
在现代制造业中，复杂曲面零部件应用越来越广泛，如航空发动机的叶轮和飞机的机翼、舰船螺旋桨、汽车覆盖件的精密模具等。复杂曲面零部件一般具有精密复杂面型、材料切除率高、整体薄壁等特点。因此，复杂曲面零部件的加工制造中，必须要加强对其关键技术进行研究和分析。
一、复杂曲面零件五轴数控加工制造技术现状
五轴数控加工，主要是在加工制造的过程中，利用两个旋转轴，通过提高刀具的可达性，以对复杂曲面零件制造的一种关键技术。然而，就目前而言，我国复杂曲面零件的五轴加工制造技术中还呈现出明显的问题，尤为表现在：加工周期长、工艺成熟度和稳定性相对较低、控制技术不可靠、加工效率低等。例如，在我国国内，加工一个直径200㎜的钛合金叶轮的流道大概需要60min，而德国MTU公司加工出一个相同的零件，则只需要15min。并且根据有关成本资料显示，我国复杂曲面零件制造中，作为易耗品的刀具花费占据总成本的4%，而机床占用时间、企业管理和人工的成本则占据76%[1]。从资料中不难发现，在复杂曲面零件制造中表现出明显的加工效率低、机床占用时间长，影响制造成本的特点。
基于这一点，在复杂曲面零件的加工制造中，引入五轴加工等距双NURBS刀具路径生成的方法、平动轴线性刀具路径高进给加工的G2连续实时光顺、五轴线性刀具路径进给加工的G2连续实时光顺风有效的措施，以有效提高五轴进给速度，从而提高复杂曲面零件五轴的加工效率。
二、五轴加工等距双NURBS刀具路径生成方法
在复杂曲面零件的加工制造中，五轴高速加工是提高其加工效率和加工质量的最有效手段之一。在传统的加工中，虽然在数控代码中指定了进给率，但在实际加工制造中，各轴运动性能、插补周期、数控系统等因素也会对实际的进给率产生重要的影响。因此，实际五轴进给速度要符合这几个方面对各轴的速度、加速度和跃度的限制范围。
而通过五轴加工等距双NURBS刀具路径生成方法的应用，有效减少了刀具路径中的不连续现象，在一定程度上提高了复杂曲面零件的加工制造中，各轴的平均进给率，并在此基础上减少了制造过程中产生的速度波动现象，有效提高了复杂曲面零件的加工效率，以及加工表面的质量。具体来说，其主要优势表现在三个方面[2]：
其一：传统的进给速度只能反映出复杂曲面零件的加工制造中的刀尖点的速度，而考虑到五轴联动数控的加工具有旋转运动，机床各轴进给速度与道具相对于工件速度之间并非呈现出一种线性关系。因此，刀具的运动状态很难进行描述。而采用距双NURBS刀具路径生成方法，则能够在工件坐标系下插补，从而实现对工件坐标系下的速度进行直接的控制。
其二：在复杂曲面零件的加工制造中，由于刀尖点和刀具的方向都是光滑的有力表达式，从而使得数控系统能够实现速度平滑。而通过距双NURBS刀具路径生成方法，可以显著提高平局的进给率，从而有效提高复杂曲面零件的加工制造效率。
其三：刀具上参与切削部分的长度可以传输给数控插补系统，如此一来，便能很好地炎症插补误差现象，尤其是在侧铣的加工制造过程中，一旦刀具上参与切削部分变得很长的时候，就对刀具旋转所带来的误差很难进行正确的估计。而采用距双NURBS刀具路径生成方法，则有效避免了这一现象。
就目前而言，在复杂曲面零件的加工制造中的距双NURBS刀具路径生成方法，主要分为两种，即：NURBS拟合法和直接规划法。其中，NURBS拟合法，主要是在CAM的软件中输出一小段的刀具路径，之后在后处理的软件中拟合出双NURBS的刀具路径。之后并利用著名的处理ICAM软件的NURBS拟合功能。通常，在具体生产制造的过程中，该方法所产生的刀具路径往往由许多NURBS曲线所组成，其代码量较大，以至于在后处理拟合时更难加以判断，从而出现误差现象；而直接规法则是在CAM软件中直接运用NURBS的方式对刀具的路径进行描述，之后并利用其路径对包络面检查误差[3]。
三、平动轴线性刀具路径高进给加工的G2连续实时光顺
在复杂曲面零件的加工制造中，平动轴线性刀具路径相对于其他方法而言，在工业生产中具有较为广泛的应用。在实际应用该过程中，平动轴线性刀具路径法具有直线表示形式间接、算法简单的优势。但是这种简单的刀具路径中的线段连接处无法对切向和曲率连接进行有效的保证。这种不连续性的缺点给进给速度和加速波动产生了重要的影响，降低了加工的效率和加工质量。
在这种情况下，采用平动轴线性刀具路径高进给加工的G2连续实时光顺法，在数控系统中，采用平滑的参数化曲线取代仅有的位置连续的线性道路，可有效降低复杂曲面零件加工制造过程中产生的速度波动现象，从而有效提高了加工制造的效率。经过研究证明，将小线段的刀具路径进行实时转化，使之转化为样条处理的功能，打开样条的平滑功能之后，可使得原本的加工时间有效地缩短15%，并且具有更加平滑的速度曲线，在一定程度上保证了复杂曲线零件的质量。
四、五轴线性刀具路径进给加工的G2连续实时光顺
在复杂曲面零件的加工制造中，要求机床平动轴和旋转轴进给运动的具有较高的平稳性。五轴线性刀具路线在具体的加工中，与三轴线性刀具路径加工类似。五轴线性刀具路径由一些列的指令定义。数控系统指令发送给数控系统之后，在机床动力学特性的约束下，对每一个轴的位置、速度和加速度进行实施规划。在规划的过程中，由于线段连接点处刀具估计的切向和曲率存在一定的不连续现象，在一定程度上影响了复杂曲面零件的加工制造的速度。
在这种情况下，采用光滑的参数样条曲线取代线性刀具路径，可有效提高复杂曲面零件的加工制造的效率和加工表面的质量。通过G2连续实现的方法，在具体的制造过程中，可以使得过度曲线中不存在曲率的换向[4]，从而消除有助于数控系统实现进给运动的光顺，以达到提高加工效率和加工质量的目的。
结束语
综上所述，复杂曲面零件应用广泛，对制造精密度要求相对较高。但就目前而言，我国复杂曲面零件的制造过程中，还存在明显的效率低下、制造质量低下的现状，必须要采取有效的方法，以有效提高复杂曲面零件的加工效率和质量。
参考文献：
[1]毕庆贞.复杂曲面零件五轴高速进给加工的关键技术研究[D].上海交通大学,2011.
[2]周剑锋.复杂曲面五轴加工的进给率定制方法研究[D].大连理工大学, 2014.
[3]郑焱.复杂曲面五轴联动数控加工的进给率规划[D].上海交通大学,2011.
[4]王晶,张定华,罗明,等.复杂曲面零件五轴加工刀轴整体优化方法[J].航空学报,2013, 34(6):1452-1462.
