復(fù)雜曲面零件數(shù)控加工的關(guān)鍵問題
——解讀《復(fù)雜曲面零件五軸數(shù)控加工理論與技術(shù)》

畢慶貞

上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海，200240

1 五軸數(shù)控加工簡介

復(fù)雜曲面零件作為數(shù)字化制造的主要研究對象之一，在航空、航天、能源和國防等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，其制造水平代表著一個國家制造業(yè)的核心競爭力。復(fù)雜曲面零件往往具有形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量要求高等難點，是五軸數(shù)控加工的典型研究對象。當(dāng)前，復(fù)雜曲面零件主要包括輪盤類零件、航空結(jié)構(gòu)件以及火箭貯箱壁板等，如圖1所示。輪盤類零件是發(fā)動機(jī)完成對氣體的壓縮和膨脹的關(guān)鍵部件，主要包括整體葉盤類零件和葉片類零件。整體葉盤類零件的葉展長、葉片薄且扭曲度大，葉片間的通道深且窄，開敞性差，零件材料多為鈦合金、高溫合金等難加工材料，因此零件加工制造困難。葉片是一種特殊的零件，數(shù)量多、形狀復(fù)雜、要求高、加工難度大且故障多發(fā)，一直以來都是各發(fā)動機(jī)廠生產(chǎn)的關(guān)鍵。航空整體結(jié)構(gòu)件由整塊大型毛坯直接加工而成，在剛度、抗疲勞強(qiáng)度以及各種失穩(wěn)臨界值等方面均比鉚接結(jié)構(gòu)勝出一籌，但由于其具有尺寸大、材料去除率大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性差等缺點，因此加工后會產(chǎn)生彎扭組合等加工變形。隨著新一代大型運載火箭設(shè)計要求的提高，為保證火箭的可靠性，并減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高有效載荷，對火箭貯箱壁板網(wǎng)格壁厚精度和根部圓弧過渡尺寸都提出了更嚴(yán)格的要求。

圖1 復(fù)雜曲面零件

五軸數(shù)控銑削加工具有高可達(dá)性、高效率和高精度等優(yōu)勢，是加工大型與異型復(fù)雜零件的重要手段。五軸數(shù)控機(jī)床在3個平動軸的基礎(chǔ)上增加了2個轉(zhuǎn)動軸，不但可以使刀具相對于工件的位置任意可控，而且刀具軸線相對于工件的方向也在一定的范圍內(nèi)任意可控。五軸數(shù)控加工的主要優(yōu)勢包括：①提高刀具可達(dá)性。通過改變刀具方向可以提高刀具可達(dá)性，實現(xiàn)葉輪、葉片和螺旋槳等復(fù)雜曲面零件的數(shù)控加工。②縮短刀具懸伸長度。通過選擇合理刀具方向可以在避開干涉的同時使用更短的刀具，提高銑削系統(tǒng)的剛度，改善數(shù)控加工中的動態(tài)特性，提高加工效率和加工質(zhì)量。③可用高效加工刀具。通過調(diào)整刀軸方向能夠更好地匹配刀具與工件曲面，增加有效切寬，實現(xiàn)零件的高效加工。④控制刀具參與切削的區(qū)域。通過調(diào)整刀具方向，使球頭銑刀用合理的刀刃區(qū)域參與切削，減小切削力和刀具磨損，提高加工表面質(zhì)量。

如何采用五軸數(shù)控機(jī)床實現(xiàn)復(fù)雜曲面零件的高效精密加工成為當(dāng)前的難點。被加工零件的加工曲面確定后，如何根據(jù)五軸數(shù)控機(jī)床的特點選取合適的加工機(jī)床？在計算刀路時，刀具包絡(luò)面與工件曲面之間的偏差會直接影響工件加工表面精度，怎樣通過調(diào)整刀具位置和姿態(tài)來減小刀具包絡(luò)面與工件曲面之間的偏差？對于加工機(jī)床，如何準(zhǔn)確獲得其空間幾何誤差，以對機(jī)床實施誤差補償，最終保證數(shù)控機(jī)床的加工精度？薄壁零件在加工中極易發(fā)生變形、失穩(wěn)和振動，需要通過怎樣的措施來保證加工后的零件滿足制造需求？《復(fù)雜曲面零件五軸數(shù)控加工》提供了可供參考的解決方案。該書從五軸加工中后置處理、刀具路徑規(guī)劃、路徑光順、誤差檢測與補償、原位測量與自適應(yīng)補償?shù)确矫嬲归_，描述了復(fù)雜曲面零件數(shù)字化制造的關(guān)鍵問題。

2 五軸數(shù)控加工運動學(xué)與后置處理

數(shù)控編程描述了刀具相對于工件的運動軌跡，一般在工件坐標(biāo)系下進(jìn)行，編程產(chǎn)生的刀位數(shù)據(jù)沒有考慮具體的機(jī)床結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)類型，無法直接應(yīng)用于數(shù)控加工，需要通過機(jī)床運動學(xué)變換將工件坐標(biāo)系下的刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成機(jī)床坐標(biāo)系下的數(shù)控加工程序，具體流程如圖2所示。與三軸機(jī)床不同，五軸數(shù)控機(jī)床引入了2個旋轉(zhuǎn)軸，工件坐標(biāo)系下的刀具路徑與機(jī)床坐標(biāo)系中數(shù)控代碼的映射關(guān)系是非線性的，在編程過程中會出現(xiàn)多解選擇、奇異點、機(jī)床非線性誤差、機(jī)床各軸與刀尖點的速度映射以及刀具中心點運動控制等問題。

圖2 運動學(xué)變換流程

本書首先介紹了五軸機(jī)床坐標(biāo)系（包括機(jī)床坐標(biāo)系、局部坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系、刀具坐標(biāo)系等）的基本概念，然后介紹機(jī)床坐標(biāo)系到工件坐標(biāo)系的運動學(xué)變換和數(shù)控系統(tǒng)中的實現(xiàn)方式，在運動學(xué)基礎(chǔ)上分析了旋轉(zhuǎn)軸多解選擇、奇異點、非線性誤差控制、刀尖點速度控制、RTCP實現(xiàn)等后置處理中的主要問題，并應(yīng)用運動學(xué)模型分析了結(jié)構(gòu)類型對機(jī)床性能的影響。以實際工業(yè)應(yīng)用為背景，給出了后置處理軟件開發(fā)的案例。

3 復(fù)雜曲面加工軌跡規(guī)劃

刀具路徑規(guī)劃是數(shù)控編程的核心技術(shù)，是復(fù)雜零件數(shù)控加工中極其重要的內(nèi)容，它決定了刀具對于工件的相對運動，直接影響加工效率和加工質(zhì)量。目前，商業(yè)軟件在三軸數(shù)控加工刀具路徑規(guī)劃方面比較成熟，但由于2個旋轉(zhuǎn)軸的影響，五軸數(shù)控加工中的刀具路徑規(guī)劃問題比較困難。本書針對該問題，通過五軸側(cè)銑、插銑及型腔螺旋銑削（圖3），介紹復(fù)雜曲面零件加工中的刀具路徑規(guī)劃。在五軸側(cè)銑的加工路徑規(guī)劃中，以整體葉輪的葉片為加工對象，介紹了側(cè)銑加工刀具的選擇、側(cè)銑加工刀路規(guī)劃的基本原則和常用優(yōu)化方式；在五軸插銑的加工路徑規(guī)劃中，介紹了插銑工藝的適用加工對象，以及與零件加工效率、刀具壽命相關(guān)的插銑過程優(yōu)化方法；在型腔高速螺旋銑削中，以航空航天整體壁板的三角形、四邊形型腔為例，介紹了利用二維穩(wěn)態(tài)的溫度場生成螺旋刀具軌跡的刀路規(guī)劃算法。

圖3 五軸側(cè)銑、插銑、型腔螺旋銑刀路規(guī)劃

除此之外，本書在刀路曲率光順、轉(zhuǎn)角優(yōu)化、避障和刀軸方向優(yōu)化等方面介紹了目前國際上先進(jìn)的優(yōu)化算法以及在刀路生成中的應(yīng)用。最后，本書以整體壁板五軸數(shù)控加工螺旋銑為例，介紹了刀路規(guī)劃編程軟件所需的各種功能模塊。

4 五軸數(shù)控系統(tǒng)中的局部光順及速度規(guī)劃

在使用五軸數(shù)控系統(tǒng)加工自由曲線、曲面時，商業(yè)CAD/CAM軟件生成的刀具路徑通常只能用工件坐標(biāo)系下的小線段表示；此外，3D掃描反求工程日益普遍用于制造業(yè)，由其產(chǎn)生的數(shù)控指令代碼主要也是小線段格式，可見小線段（毫米級尺度）仍然是目前刀具路徑的主要形式。然而，小線段格式的加工路徑在各刀位處的曲率不連續(xù)，實際加工過程中往往會導(dǎo)致頻繁加減速，嚴(yán)重影響加工效率和表面質(zhì)量。利用曲率連續(xù)的樣條曲線取代小線段作為刀具路徑，可以減小加工文件體積，避免刀具軌跡切向不連續(xù)引起的速度波動和法向不連續(xù)引起的加速度波動，減小機(jī)床振動，提高加工效率與精度。

當(dāng)前，國內(nèi)外主流商業(yè)CNC系統(tǒng)（如華中數(shù)控的華中 8型、FANUC 32i、Siemens 840D、Mazak matrix 2等）均加入了對樣條曲線插補功能的支持。但是，目前只有UG、CATIA等少數(shù)CAD/CAM軟件能夠直接生成樣條曲線格式的刀具路徑，大部分商業(yè)軟件僅能生成小線段形式的刀具路徑。因此，研究樣條曲線刀具路徑規(guī)劃理論與方法，是實現(xiàn)多軸加工高速高精度要求的關(guān)鍵。目前，針對五軸軌跡光順的研究主要圍繞著全局光順和局部光順兩種方法展開。對離散軌跡的逼近與插值是全局光順方法的主要手段。雖然逼近與插值對五軸連續(xù)線段軌跡表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，但該方法大多是在離線狀態(tài)下進(jìn)行的，最終的優(yōu)化結(jié)果仍然需要離散成刀位點送到數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行處理，數(shù)控系統(tǒng)中基于線性插補的控制策略并不能充分利用軌跡光順的結(jié)果。

圖4 五軸小線段的全局光順與局部光順

轉(zhuǎn)接光順方法是指利用線段、圓弧或者自由曲線等拼接兩條連續(xù)的小線段。為了滿足曲率連續(xù)、插補方便等要求，目前多采用Bézier曲線、B樣條、PH曲線進(jìn)行小線段刀具路徑的轉(zhuǎn)接光順。由于五軸加工中旋轉(zhuǎn)軸的存在，轉(zhuǎn)接光順可以在工件坐標(biāo)系和機(jī)床坐標(biāo)系下分別進(jìn)行。另一方面，光順的刀具路徑并不意味著機(jī)床各軸平滑的運動。在五軸聯(lián)動實時插補中，實現(xiàn)綜合約束（插補精度、材料去除率、機(jī)床各軸伺服能力約束等）下的自適應(yīng)速度規(guī)劃也至關(guān)重要。

本書反映了作者在五軸數(shù)控系統(tǒng)的局部光順及速度規(guī)劃的研究工作：

（1）提出三軸小線段刀具路徑的實時轉(zhuǎn)接光順方法，實現(xiàn)了五軸數(shù)控中的局部光順和速度規(guī)劃，通過定義平動軸刀具路徑連續(xù)性，實現(xiàn)平動軸曲率連續(xù)刀具路徑光順，在最大近似誤差約束下，優(yōu)化過渡曲線的最大曲率，實現(xiàn)過渡曲線曲率的在線優(yōu)化。

（2）提出機(jī)床坐標(biāo)系下五軸刀具路徑轉(zhuǎn)接光順?biāo)惴?，利用雙Bézier曲線在機(jī)床坐標(biāo)系下實現(xiàn)位置子軌跡與方向子軌跡的局部光順過渡。具體步驟如下：①建立五軸運動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤差映射機(jī)制；②基于Bézier曲線轉(zhuǎn)角光順線性刀具路徑；③機(jī)床坐標(biāo)系下兩條光順子軌跡的同步插補。

（3）提出工件坐標(biāo)系下五軸刀具路徑轉(zhuǎn)接光順?biāo)惴?。在工件坐?biāo)系下描述的五軸刀具軌跡通常由2條軌跡描述，第1條軌跡用于描述刀尖點的位置，第2條軌跡用于描述刀軸上另外一點的位置，在每一個刀尖點處，通過對應(yīng)兩點的連線來表示刀軸方向。當(dāng)?shù)毒咭来未┻^各個刀位點時，可形成連續(xù)的五軸加工運動。對于工件坐標(biāo)系下五軸刀具路徑，可以針對刀尖點和刀軸點軌跡分別進(jìn)行轉(zhuǎn)接光順。

（4）以雙轉(zhuǎn)臺五軸機(jī)床為例，對前述雙Bézier曲線光順方法進(jìn)行仿真及驗證，發(fā)現(xiàn)所提出的轉(zhuǎn)接光順方法明顯提高了刀具路徑的光順性，提高了進(jìn)給速度，縮短了加工時間，減小了各軸的加速度。

（5）將所提出算法集成于一臺開放式數(shù)控系統(tǒng)，實施在線五軸軌跡光順。通過完成NC代碼的譯制、實時插補以及與下位機(jī)的通信等工作，對軌跡進(jìn)行實時光順處理，以實現(xiàn)在線光順和高速度加工。

5 五軸機(jī)床幾何精度檢驗與誤差補償

幾何誤差是五軸數(shù)控機(jī)床的重要誤差源之一。機(jī)床設(shè)計缺陷、機(jī)床零部件制造與裝配誤差和機(jī)床使用過程中的磨損等因素，使得機(jī)床運行過程中各軸的實際參考坐標(biāo)系與理想?yún)⒖甲鴺?biāo)系發(fā)生偏差。

機(jī)床移動部件在導(dǎo)軌上移動時共有6項誤差，包括3項移動誤差（1項定位誤差、2項直線度誤差）、3項轉(zhuǎn)動誤差（傾斜誤差、偏擺誤差和俯仰誤差）。定位誤差指機(jī)床移動部件在軸線方向的實際位置與其理想位置的偏差。直線度誤差指機(jī)床移動部件沿坐標(biāo)軸移動時偏離該軸軸線的程度。直線度誤差包括X向直線度誤差、Y向直線度誤差和Z向直線度誤差。轉(zhuǎn)動誤差是指機(jī)床運動部件沿某一坐標(biāo)軸移動時，繞其自身坐標(biāo)軸或其他坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的誤差，繞其自身坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的誤差稱為傾斜誤差，在運動平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的誤差稱為偏擺誤差，在垂直于運動平面方向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的誤差稱為俯仰誤差。

機(jī)床運動軸的幾何誤差往往會使得零件加工無法達(dá)到質(zhì)量要求，并且由于幾何誤差與機(jī)床使用磨損等時效因素有關(guān)，因此，實際生產(chǎn)中需要對機(jī)床幾何誤差進(jìn)行周期性的檢測與消除來保證機(jī)床本身的運行精度。因此，研究高效、自動化的幾何誤差測量與補償方法具有非常重要的意義。

旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差的測量絕大多數(shù)都依靠球桿儀和R-test儀器，這些設(shè)備主要在機(jī)床制造廠用于機(jī)床的精度校驗,如圖5所示?；诩t寶石測頭的機(jī)床誤差檢驗方法可以實現(xiàn)誤差的全自動測量，適用于在加工車間校驗機(jī)床誤差，具有測量準(zhǔn)備方便、測量過程快、結(jié)果準(zhǔn)確等特點。

圖5 球桿儀轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸三軸聯(lián)動檢測

機(jī)床幾何誤差對機(jī)床加工精度的影響顯著，消除其影響的策略主要分為兩類：誤差防止法和誤差補償法。誤差防止法多被機(jī)床制造商采用，在機(jī)床設(shè)計制造階段控制誤差源，以提高機(jī)床本身的精度，但該方法受限于當(dāng)時的技術(shù)發(fā)展水平，通常具有投入成本高、對經(jīng)驗要求高等缺點。誤差補償法能夠有效提高加工精度，甚至得到比機(jī)床本身精度更高的加工精度，是目前機(jī)床使用者運用較多的方法。由于2個旋轉(zhuǎn)軸的引入，幾何誤差對實際加工的影響相對復(fù)雜，且由于多個軸的相互影響，五軸數(shù)控機(jī)床幾何誤差的補償變得復(fù)雜。

本書反映了作者在五軸機(jī)床幾何精度檢驗與誤差補償方面的研究工作：

（1）介紹了五軸數(shù)控機(jī)床的測試儀器——球桿儀和R-test儀器，分別針對準(zhǔn)靜態(tài)機(jī)械幾何誤差和伺服跟隨誤差導(dǎo)致的輪廓誤差，介紹誤差檢測與分析方法，最后依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)介紹了五軸數(shù)控機(jī)床五軸聯(lián)動運動精度的評價方法。

（2）為解決國際測量標(biāo)準(zhǔn)提出的平滑圓錐面特征不利于反映五軸聯(lián)動的加減速動態(tài)性能的問題，以中航工業(yè)成飛公司研發(fā)的S形試件為基礎(chǔ)，提出了五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床加工精度檢測標(biāo)準(zhǔn)。

（3）針對旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差測量復(fù)雜、難度大這一特點，提出了利用在線測量技術(shù)高效測量旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差的方法：通過活動標(biāo)架，建立帶幾何誤差的旋轉(zhuǎn)軸運動學(xué)模型；通過對兩類旋轉(zhuǎn)軸分別建模，設(shè)計相應(yīng)的測量方法，實現(xiàn)適合大多數(shù)五軸數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸(不包括斜軸)的幾何誤差測量。

（4）以B擺頭A轉(zhuǎn)臺機(jī)床為研究對象，通過測量實驗，驗證機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差測量方案的可行性。以AC雙轉(zhuǎn)臺機(jī)床為例，研究五軸數(shù)控機(jī)床幾何誤差的補償方法。進(jìn)行考慮幾何誤差的運動學(xué)建模，提出幾何誤差補償算法。通過實驗驗證了補償方法的有效性，并將補償方法應(yīng)用于實際五軸數(shù)控加工。

6 原位測量與智能控制

薄壁零件結(jié)構(gòu)受力形式復(fù)雜，難以按照經(jīng)典理論進(jìn)行受力分析，零件制造過程中極易發(fā)生變形、失穩(wěn)和振動，制造難度極大，是國際上公認(rèn)的復(fù)雜難加工零件。實際銑削加工過程中，受工件弱剛性影響，不可避免地會產(chǎn)生加工誤差。為了減小或消除刀具/工件變形引起的加工誤差，積極的加工方法可總結(jié)為以下4種：優(yōu)化加工策略、實時補償、離線誤差預(yù)測與補償、在線誤差測量與補償。

針對薄壁件切削變形控制這一難點，充分利用測試（包括接觸式在線測量和實時超聲波厚度測量）技術(shù)，分別采用薄壁件輪廓誤差原位測量的自適應(yīng)銑削和薄壁件厚度實時控制的鏡像銑削，實現(xiàn)薄壁件的精密銑削。本書基于薄壁件精密加工，主要介紹以下工藝與技術(shù)：

（1）壁厚原位自動測量。等厚度加工要求在加工時具有厚度測量功能，對工件實際厚度進(jìn)行測量，根據(jù)實際厚度來確定補償加工的切削量，其工作流程如圖6所示。介紹了壁厚原位測量儀器（圖7）的開發(fā)，包括厚度測量需要的輔助技術(shù)，如超聲波測厚儀需要在接觸工件前，通過耦合劑來排除探頭與工件之間的空氣，保證測量精度。

圖6 集成超聲測厚與數(shù)控系統(tǒng)

圖7 壁厚原位測量儀器結(jié)構(gòu)圖

（2）加工變形精度的原位測量補償。目前，大多數(shù)銑削模型和所有的商用CAD/CAM軟件都根據(jù)工件理想的幾何模型進(jìn)行刀路規(guī)劃，沒有考慮工件/刀具受力變形、靜態(tài)和動態(tài)順應(yīng)性。由于薄壁件剛性較弱，銑削過程中受切削力發(fā)生變形，導(dǎo)致材料去除量與預(yù)期不符，使得加工精度超差，因此介紹了一種基于原位測量，通過調(diào)整加工刀路來實現(xiàn)加工精度提升的誤差補償方法。

（3）加工變形的實時檢測與控制。加工變形的產(chǎn)生直接影響了零件，尤其是剛度較弱的大型形薄壁件的加工精度。大型薄壁件非常容易變形且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀精度要求高，制造難度相當(dāng)大。以長征系列運載火箭貯箱加工為例，零件的“米級尺寸”和“毫米級壁厚”導(dǎo)致零件結(jié)構(gòu)的“極端”弱剛性，銑削加工型槽、格柵、加強(qiáng)筋和凸緣等壁板結(jié)構(gòu)特征時的變形非常嚴(yán)重，加工質(zhì)量難以控制。以火箭貯箱筒段工件為例，介紹了基于伺服和激光測距的零件實時變形跟蹤系統(tǒng)，如圖8所示。

7 復(fù)雜曲面五軸加工的發(fā)展趨勢

7.1 雙五軸協(xié)同與實時測控

圖8 基于伺服和激光測距的實時變形跟蹤

雙五軸協(xié)同與實時測控是大型復(fù)雜曲面加工的發(fā)展趨勢，下面以飛機(jī)蒙皮五軸鏡像銑削加工為例進(jìn)行闡述。飛機(jī)蒙皮部件是飛機(jī)上非常關(guān)鍵的氣動外形件，通過壁厚控制來平衡強(qiáng)度和運送能力，它的性能直接決定了飛機(jī)制造的質(zhì)量，由于蒙皮零件尺寸大、形狀復(fù)雜、壁薄剛性弱的特點，其制備是航空制造業(yè)的一個難題。

傳統(tǒng)的蒙皮化銑加工工藝存在污染大、精度差和減重能力不足的缺陷，化銑過程中采用大量化學(xué)物品，加工產(chǎn)生的化學(xué)廢液會對環(huán)境造成危害，化銑中消耗的鋁材無法回收以及后續(xù)廢液處理提高了生產(chǎn)成本；化銑工藝精度差，且受板材質(zhì)量影響，一般情況下，最后的壁厚均在上差，使得整體板厚偏大，同時，化銑圓角與壁板下陷深度成正比，無法精確控制，造成壁板材料去除率下降，對壁板整體質(zhì)量控制不足。國外先進(jìn)制造商多采用高速數(shù)控銑削和拉伸成形組合工藝進(jìn)行綠色高效生產(chǎn)。數(shù)控銑削壁板網(wǎng)格能保證壁厚均勻、尺寸精度高、余重小，從而增加飛機(jī)的有效載荷。美國、歐洲、日本的飛機(jī)蒙皮加工通常是先拉伸成形，然后再進(jìn)行銑削加工。例如空客公司在A320客機(jī)飛機(jī)蒙皮的加工中去除了60%～70%的原材料。

雙五軸的鏡像頂撐銑削方法是飛機(jī)蒙皮未來的加工趨勢，與傳統(tǒng)多點離散夾持系統(tǒng)不同，蒙皮鏡像頂撐銑系統(tǒng)由雙五軸系統(tǒng)組成，一側(cè)的五軸系統(tǒng)用于正面加工蒙皮工件，另一側(cè)的五軸系統(tǒng)主軸安裝頂撐裝置，與用于加工的五軸系統(tǒng)做同步鏡像頂撐運動，以保證工件加工部位的剛性支撐，有效防止加工過程中的顫振，如圖9所示。與傳統(tǒng)化銑工藝相比，五軸蒙皮鏡像銑削加工采用絕對尺寸和厚度的控制，加工精度高，零件廢屑可回收，加工時無污染。與傳統(tǒng)機(jī)械銑削工藝相比，鏡像銑削加工采用局部隨動支撐的方式，有利于提高工件局部剛度，減小加工振動及變形，通過實時厚度控制，保證加工厚度精度，可以有效解決薄型蒙皮和雙曲率蒙皮難以加工的問題。

圖9 飛機(jī)蒙皮鏡像銑削

7.2 設(shè)計-制造一體化

五軸側(cè)銑加工是提升整體葉輪類復(fù)雜曲面零件加工效率與質(zhì)量的主要方法。葉片曲面往往被設(shè)計成自由曲面，為了能夠采用側(cè)銑加工方法銑削葉片曲面，需要發(fā)展葉片曲面轉(zhuǎn)換方法，用直紋面近似自由曲面。僅在制造過程中考慮曲面轉(zhuǎn)換，會存在以下困難：

（1）高性能葉輪的可側(cè)銑加工率很低。隨著對葉輪壓比和效率等工作性能要求的提高，設(shè)計的葉片變得越來越扭曲和復(fù)雜，尤其是航空發(fā)動機(jī)的軸流式葉輪，刀具包絡(luò)面與設(shè)計曲面之間的偏差往往很大，難以實現(xiàn)側(cè)銑加工。

（2）刀具包絡(luò)面與葉片設(shè)計曲面偏差對葉輪工作性能的影響難以確定。即使刀具包絡(luò)面與葉片曲面的偏差較小，但仍然可能改變?nèi)~片角和葉輪通道面積等關(guān)鍵參數(shù)，工作性能和壽命對葉片不同區(qū)域誤差的敏感度相差很大。因此，上述曲面轉(zhuǎn)換方法應(yīng)該融入到葉輪設(shè)計過程中，以達(dá)到葉輪設(shè)計制造一體化的效果，設(shè)計出來的葉片不僅滿足氣動和結(jié)構(gòu)要求，而且能夠采用側(cè)銑加工方法銑削加工葉片。

8 結(jié)語

《復(fù)雜曲面零件五軸數(shù)控加工理論與技術(shù)》由淺入深地介紹了復(fù)雜曲面零件五軸數(shù)控加工理論與技術(shù)方面的研究成果，從五軸數(shù)控加工基本原理出發(fā)，在復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工軌跡規(guī)劃、五軸數(shù)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)角光順及速度規(guī)劃、五軸機(jī)床運動軸幾何誤差檢測與補償、原位測量與智能控制等方面提出了新的算法與模型，針對各項研究成果給出了應(yīng)用實例。最后結(jié)合“設(shè)計-加工-測量一體化”制造技術(shù)在工業(yè)界的實際需求，分析了五軸數(shù)控加工的發(fā)展趨勢。*