復(fù)雜曲面零件五軸高速進(jìn)給加工的關(guān)鍵技術(shù)分析

賈會(huì)會(huì)

（江蘇省徐州經(jīng)貿(mào)高等職業(yè)學(xué)校，徐州 221004）

在現(xiàn)代制造業(yè)中，復(fù)雜曲面零部件應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉輪和飛機(jī)的機(jī)翼、艦船螺旋槳以及汽車覆蓋件的精密模具等。復(fù)雜曲面零部件一般具有精密復(fù)雜面型、材料切除率高和整體薄壁等特點(diǎn)。因此，在復(fù)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(guān)鍵技術(shù)。

1 復(fù)雜曲面零件五軸數(shù)控加工制造技術(shù)現(xiàn)狀

五軸數(shù)控加工是指在加工制造的過(guò)程中，利用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，通過(guò)提高刀具的可達(dá)性，制造復(fù)雜曲面零件的一種關(guān)鍵技術(shù)。然而，就目前而言，我國(guó)復(fù)雜曲面零件的五軸加工制造技術(shù)中還呈現(xiàn)出明顯的問(wèn)題，主要表現(xiàn)為：加工周期長(zhǎng)、工藝成熟度和穩(wěn)定性較低、控制技術(shù)不可靠、加工效率低等。例如，在我國(guó)，加工一個(gè)直徑200㎜的鈦合金葉輪的流道大概需要60min，而德國(guó)MTU公司加工出一個(gè)相同的零件，只需要15min。有關(guān)成本資料顯示，我國(guó)復(fù)雜曲面零件制造中，作為易耗品的刀具花費(fèi)占據(jù)總成本的4%，而機(jī)床占用時(shí)間、企業(yè)管理和人工的成本則占據(jù)76%[1]。從資料中不難發(fā)現(xiàn)，在復(fù)雜曲面零件制造中表現(xiàn)出明顯的加工效率低、機(jī)床占用時(shí)間長(zhǎng)，影響制造成本的特點(diǎn)。

基于這一點(diǎn)，在復(fù)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(dòng)軸線性刀具路徑高進(jìn)給加工的G2連續(xù)實(shí)時(shí)光順、五軸線性刀具路徑進(jìn)給加工的G2連續(xù)實(shí)時(shí)光順風(fēng)有效的措施，以有效提高五軸進(jìn)給速度，從而提高復(fù)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(fù)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(zhì)量的最有效手段之一。在傳統(tǒng)的加工中，雖然在數(shù)控代碼中指定了進(jìn)給率，但各軸運(yùn)動(dòng)性能、插補(bǔ)周期和數(shù)控系統(tǒng)等因素也會(huì)對(duì)實(shí)際的進(jìn)給率產(chǎn)生重要的影響。因此，實(shí)際五軸進(jìn)給速度要符合這幾個(gè)方面對(duì)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(yīng)用，有效減少了刀具路徑中的不連續(xù)現(xiàn)象，在一定程度上提高了復(fù)雜曲面零件的加工制造中各軸的平均進(jìn)給率，并在此基礎(chǔ)上減少了制造過(guò)程中產(chǎn)生的速度波動(dòng)現(xiàn)象，有效提高了復(fù)雜曲面零件的加工效率和加工表面的質(zhì)量。具體來(lái)說(shuō)，其主要優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在三個(gè)方面[2]。

（1）傳統(tǒng)的進(jìn)給速度只能反映出復(fù)雜曲面零件的加工制造中的刀尖點(diǎn)的速度，而考慮到五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控的加工具有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，機(jī)床各軸進(jìn)給速度與道具相對(duì)于工件速度之間并非呈現(xiàn)出一種線性關(guān)系。因此，刀具的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)很難進(jìn)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(biāo)系下插補(bǔ)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件坐標(biāo)系下的速度進(jìn)行直接的控制。

（2）在復(fù)雜曲面零件的加工制造中，刀尖點(diǎn)和刀具的方向都是光滑的有力表達(dá)式，使得數(shù)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)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(jìn)給率，從而有效提高復(fù)雜曲面零件的加工制造效率。

（3）刀具上參與切削部分的長(zhǎng)度可以傳輸給數(shù)控插補(bǔ)系統(tǒng)，這樣便能很好地驗(yàn)證插補(bǔ)誤差現(xiàn)象，尤其是在側(cè)銑的加工制造過(guò)程中，一旦刀具上參與切削部分變得很長(zhǎng)時(shí)，人們就很難正確估計(jì)刀具旋轉(zhuǎn)帶來(lái)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(xiàn)象。

目前，在復(fù)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(guī)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(chǎn)制造的過(guò)程中，該方法所產(chǎn)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(shí)更難加以判斷，從而出現(xiàn)誤差現(xiàn)象。而直接規(guī)法則是在CAM軟件中直接運(yùn)用NURBs的方式對(duì)刀具的路徑進(jìn)行描述，之后利用其路徑對(duì)包絡(luò)面誤差進(jìn)行檢查[3]。

3 平動(dòng)軸線性刀具路徑高進(jìn)給加工的G2連續(xù)實(shí)時(shí)光順

在復(fù)雜曲面零件的加工制造中，平動(dòng)軸線性刀具路徑相對(duì)于其他方法而言，在工業(yè)生產(chǎn)中具有較為廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，平動(dòng)軸線性刀具路徑法具有直線表示形式間接、算法簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。但是，這種簡(jiǎn)單的刀具路徑中的線段連接處無(wú)法對(duì)切向和曲率連接進(jìn)行有效的保證。這種不連續(xù)性的缺點(diǎn)嚴(yán)重影響進(jìn)給速度，加速波動(dòng)，降低了加工效率和加工質(zhì)量。

在這種情況下，人們可以采用平動(dòng)軸線性刀具路徑高進(jìn)給加工的G2連續(xù)實(shí)時(shí)光順?lè)?。在?shù)控系統(tǒng)中，采用平滑的參數(shù)化曲線取代僅有的位置連續(xù)的線性道路，可有效降低復(fù)雜曲面零件加工制造過(guò)程中產(chǎn)生的速度波動(dòng)現(xiàn)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(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化，使之轉(zhuǎn)化為樣條處理的功能，然后打開(kāi)樣條的平滑功能，可使得原本的加工時(shí)間有效地縮短15%，并且復(fù)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(zhì)量。

4 五軸線性刀具路徑進(jìn)給加工的G2連續(xù)實(shí)時(shí)光順

在復(fù)雜曲面零件的加工制造中，要求機(jī)床平動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)具有較高的平穩(wěn)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(shù)控系統(tǒng)指令發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)之后，在機(jī)床動(dòng)力學(xué)特性的約束下，對(duì)每一個(gè)軸的位置、速度和加速度進(jìn)行實(shí)時(shí)規(guī)劃。在規(guī)劃的過(guò)程中，由于線段連接點(diǎn)處刀具估計(jì)的切向和曲率存在一定的不連續(xù)現(xiàn)象，這在一定程度上影響了復(fù)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(shù)樣條曲線取代線性刀具路徑，可有效提高復(fù)雜曲面零件的加工制造效率和加工表面質(zhì)量。運(yùn)用G2連續(xù)實(shí)現(xiàn)的方法，在具體的制造過(guò)程中，可以使得過(guò)渡曲線中不存在曲率的換向，從而消除有助于數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的光順，以達(dá)到提高加工效率和加工質(zhì)量的目的[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

復(fù)雜曲面零件應(yīng)用廣泛，對(duì)制造精密度要求較高。但就目前而言，我國(guó)復(fù)雜曲面零件的制造過(guò)程中，還存在明顯的效率低下、制造質(zhì)量低下的問(wèn)題，人們必須采取有效的方法，以有效提高復(fù)雜曲面零件的加工效率和質(zhì)量。