復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)及其應(yīng)用研究

蔡琪琳

（四川幼兒師范高等?？茖W(xué)校，四川 綿陽 621700）

引言

與其他數(shù)控加工技術(shù)相比，復(fù)雜曲面數(shù)控加工難度等級較高、復(fù)雜程度較大。也正是基于復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)這一特性，被應(yīng)用于環(huán)保裝備、汽車、航空航天等高端制造領(lǐng)域。隨著我國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的逐步推進(jìn)，我國制造業(yè)也逐漸迎來了其發(fā)展的黃金階段。

1 復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)概述

復(fù)雜曲面造型的“復(fù)雜”之處在于其有別于長方體、正方體等常規(guī)三維曲面構(gòu)圖方式。在一般的三維曲面構(gòu)圖結(jié)構(gòu)中，空間結(jié)構(gòu)主要由三個(gè)垂直面以90°的垂相交的形式來構(gòu)成。由于自由曲線帶有一定的任意性，難以用直線、圓弧以及二次曲線予以描述，而自由曲面更是難以用菱形、平面等基本立體要素予以界定。

基于復(fù)雜曲面的上述特點(diǎn)，對于復(fù)雜曲面的數(shù)控加工主要包含了曲面造型、數(shù)控編程、數(shù)控機(jī)床加工三個(gè)主要方面。從構(gòu)圖的復(fù)雜程度上來講，復(fù)雜曲面的數(shù)控加工又可以被細(xì)分為三坐標(biāo)曲面加工、五坐標(biāo)曲面加工。其中五坐標(biāo)曲面加工對應(yīng)的是五軸數(shù)控加工技術(shù)，被業(yè)界普遍看做目前數(shù)控加工技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用范圍最廣、難度最大的技術(shù)，它通過計(jì)算機(jī)控制、精密加工、高性能伺服驅(qū)動等技術(shù)的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)平滑、連續(xù)、復(fù)雜曲面的自動化加工。在數(shù)控加工領(lǐng)域，當(dāng)人們在復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)、制造方面遇到難以解決的問題，就會訴求于五軸加工技術(shù)。在產(chǎn)業(yè)升級的新時(shí)期背景下，隨著各行業(yè)對生產(chǎn)質(zhì)量的高要求，復(fù)雜曲面作為一種高難度的造型方式，被廣泛運(yùn)用到了汽車、造船、航空等高精尖領(lǐng)域的零部件構(gòu)造中[1]。

2 復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)優(yōu)勢特點(diǎn)

2.1 加工自動化

與傳統(tǒng)工件加工中所普遍使用的量規(guī)、夾具不同，由于復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的特殊性，在加工過程中必須結(jié)合其設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行高精度量規(guī)、夾具等的重新制作。并且這種結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性，更是增加了其結(jié)構(gòu)測量參考點(diǎn)的辨別難度，導(dǎo)致測量人員無法對復(fù)雜曲面工件作出準(zhǔn)確、快速定位。而數(shù)控加工技術(shù)的加入，使得復(fù)雜曲面的測量、加工可以利用網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，操作人員即使不在現(xiàn)場，也可以通過簡單的數(shù)字遠(yuǎn)程操控，順利完成復(fù)雜曲面零部件加工的裝卸、定位以及更換刀具等操作，還可以在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的輔助下，實(shí)現(xiàn)對零部件加工過程中溫度、時(shí)長等的自動化監(jiān)測管理。這不僅最大程度上降低了復(fù)雜曲面數(shù)控加工難度，更大大減少了加工任務(wù)量，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)制造效率的提高[2]。

2.2 精確度較高

復(fù)雜曲面加工有著較為復(fù)雜的工藝生產(chǎn)流程，需要先對零件毛坯進(jìn)行簡單的粗加工處理，進(jìn)行機(jī)械切削。但由于零部件生產(chǎn)加工材料以及制作工藝等因素的影響，導(dǎo)致零件毛坯在粗加工過程中，極易發(fā)生變形，加之曲面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得毛坯各處變形呈現(xiàn)出了不規(guī)則、不均勻的特點(diǎn)。這就造成了復(fù)雜曲面零部件的切削質(zhì)量問題，毛坯在切削過程無法始終緊貼刀片，出現(xiàn)空走刀的情況。不僅難以保證復(fù)雜曲面粗加工效率，更大大降低了其加工精度。應(yīng)用數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜曲面加工，可以在計(jì)算機(jī)編程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對切削位置、深度、力度等的準(zhǔn)確計(jì)算，確保切削定位的準(zhǔn)確性。數(shù)控加工技術(shù)中的自適應(yīng)控制系統(tǒng)、數(shù)控軟件仿真系統(tǒng)等可以在模糊技術(shù)、傳感器技術(shù)、專家系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等核心技術(shù)的作用下，對復(fù)雜曲面毛坯的制作材料進(jìn)行物理仿真分析，并對切削過程中的切削量、切削力度大小變化情況進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，自動化優(yōu)化調(diào)節(jié)機(jī)械加工狀態(tài)，使復(fù)雜曲面的機(jī)械加工過程更具穩(wěn)定性，大大提高了復(fù)雜曲面加工的精準(zhǔn)度。

2.3 創(chuàng)新更便捷

復(fù)雜曲面零部件的加工制造是由數(shù)控機(jī)床完成的，雖然相關(guān)加工刀具的使用能夠最大程度提高復(fù)雜曲面加工效率，但仍會受到機(jī)床性能的影響，尤其是加工所選刀具、工藝等相關(guān)參數(shù)的差異性，容易導(dǎo)致復(fù)雜曲面部件加工需求與實(shí)際刀具出現(xiàn)不匹配的問題，最終降低了復(fù)雜曲面部件加工質(zhì)量。面對復(fù)雜的情況，可以在數(shù)控加工技術(shù)的輔助下對機(jī)床相關(guān)機(jī)器數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化編輯，促使機(jī)床數(shù)據(jù)更符合復(fù)雜曲面的數(shù)控加工要求。尤其是在五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)的作用下，通過對精密加工、高性能伺服驅(qū)動、計(jì)算機(jī)控制等的運(yùn)用，對機(jī)床工藝加工流程進(jìn)行事前設(shè)計(jì)，明確機(jī)床夾具型號、規(guī)格、切削用量等具體工藝參數(shù)，對刀具空間位姿進(jìn)行智能操控，明確刀具的具體行動軌跡，為復(fù)雜曲面數(shù)控加工的創(chuàng)新提供了極大的便捷。

3 復(fù)雜曲面加工中運(yùn)用到的數(shù)控加工技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)獲取技術(shù)

復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)的開展，需要建立在大量復(fù)雜曲面部件加工相關(guān)數(shù)據(jù)信息采集的基礎(chǔ)之上，為后續(xù)一系列自動化調(diào)控工作的開展提供科學(xué)依據(jù)，使復(fù)雜曲面數(shù)控加工更具精細(xì)化。在照相法、CT 成像和激光掃描等一系列數(shù)據(jù)測量設(shè)備及方法的作用下，操作人員可以迅速獲取到與復(fù)雜曲面加工相關(guān)的各類準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，包括部件結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、消耗物料、工時(shí)消耗、設(shè)備OEE 以及現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)等。以工時(shí)消耗數(shù)據(jù)信息采集任務(wù)為例，目前在數(shù)控加工領(lǐng)域，一般采用寫實(shí)測時(shí)法對加工工時(shí)消耗進(jìn)行信息采集。即將關(guān)注的視角對準(zhǔn)某一項(xiàng)工序的作業(yè)情況，通過對該工序作業(yè)流程的拆分，在錄像機(jī)、秒表以及機(jī)床顯示儀等的輔助下，對作業(yè)流程相關(guān)組成要素的工時(shí)消耗進(jìn)行重復(fù)的周期性測量，以此來獲得相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

3.2 曲面匹配技術(shù)

復(fù)雜曲面數(shù)控加工離不開曲面匹配技術(shù)的運(yùn)用，這是確保復(fù)雜曲面數(shù)控加工精準(zhǔn)度的一個(gè)重要關(guān)鍵技術(shù)，可以對同一曲面的不同坐標(biāo)系空間進(jìn)行精準(zhǔn)定位。曲面匹配技術(shù)的運(yùn)用，免去了傳統(tǒng)機(jī)床夾緊、定位方法中頻繁調(diào)整而造成的定位不準(zhǔn)的問題，大大提高了曲面匹配效率。復(fù)雜曲面數(shù)控加工的曲面匹配技術(shù)，主要包含了以下內(nèi)容：一是依據(jù)復(fù)雜曲面部件在三維曲面下的相關(guān)對應(yīng)點(diǎn)信息，進(jìn)行匹配要素的合理選擇，確保復(fù)雜曲面部件在特征、空間信息等方面與對應(yīng)點(diǎn)的一一對應(yīng)。二是依據(jù)歐氏距離度量法，參照已經(jīng)確定的曲面匹配特征，在另一曲面匹配中進(jìn)行詳實(shí)特征的尋找。

3.3 逆向工程技術(shù)

逆向工程是相對于以“圖紙—模型—產(chǎn)品”為流程特征的正向工程而言的一種自下而上的反向工程?；诋a(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計(jì)的需要，在逆向工程中，生產(chǎn)設(shè)計(jì)流程被進(jìn)行了反向重構(gòu)，以“產(chǎn)品—圖紙—模型”的形式出現(xiàn)。以車身模具、內(nèi)燃機(jī)葉片為例，基于其結(jié)構(gòu)形狀的復(fù)雜度，難以依照常規(guī)流程、圖紙要求進(jìn)行數(shù)控程序以及模型的構(gòu)建。因此，就需要采用逆向工程技術(shù)，在數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)字化掃描、重構(gòu)CAD 模型、CAM生成數(shù)控加工道具軌跡等技術(shù)的綜合作用下，將要加工的復(fù)雜曲面位置進(jìn)行數(shù)字化處理，并依據(jù)獲取到的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行模型重構(gòu)。

4 復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用

復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)基于自身在高精度、高效率、高科技等方面的突出優(yōu)勢，被廣泛運(yùn)用到交通運(yùn)輸、軍工制造、醫(yī)療設(shè)備及通信行業(yè)多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，成為了該領(lǐng)域的核心技術(shù)支持。尤其是在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的當(dāng)下，復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)在各個(gè)行業(yè)中所發(fā)揮的作用逐漸突出，在未來有著廣闊的發(fā)展空間。

4.1 在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用

交通運(yùn)輸領(lǐng)域是國內(nèi)最早引入數(shù)控技術(shù)的領(lǐng)域之一，在航空、船舶、汽車等交通運(yùn)輸設(shè)備相關(guān)零部件的加工制造中，都不同程度存在著復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用[3-4]。大到飛機(jī)機(jī)翼、汽車車身以及內(nèi)部大型發(fā)動機(jī)，小到各種細(xì)小的零部件、螺絲等，都需要在數(shù)控加工技術(shù)的作用下，呈現(xiàn)出相應(yīng)的復(fù)雜曲面弧度。早在2017 年1 月，中國航發(fā)南方工業(yè)就聯(lián)合北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，共同成立了專門的復(fù)雜曲面先進(jìn)制造技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，主要圍繞復(fù)雜曲面的數(shù)控加工制造展開相關(guān)科研活動，研究領(lǐng)域涉及到高精度、超快低成本制造、機(jī)械工藝參數(shù)優(yōu)化、快速檢驗(yàn)技術(shù)以及刀具、磨具的設(shè)計(jì)和選用等多方面內(nèi)容。在2020 年舉辦的國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，由航空工業(yè)牽頭完成的“五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床S 形試件檢測方法及加工精度提升技術(shù)”榮獲了國家科技進(jìn)步二等獎。在2021 年舉辦的在第十三屆珠海國際航展上，展出了最新的研究成果——“兩機(jī)”復(fù)雜曲面零件加工數(shù)控編程CAM軟件Turboworks。這說明在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)未來仍然有著較大的發(fā)展空間，是我國交通運(yùn)輸制造業(yè)實(shí)現(xiàn)“彎道超車”的關(guān)鍵核心技術(shù)。

4.2 在軍工制造領(lǐng)域的應(yīng)用

基于復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)在高精度方面的突出表現(xiàn)，該技術(shù)被廣泛運(yùn)用在各國的軍工制造領(lǐng)域，用于高精度軍工零部件的生產(chǎn)制造，使軍工武器、設(shè)備使用性能與安全性能得到了有效保障[5]。得益于我國工業(yè)制造業(yè)的快速發(fā)展，我國金屬加工機(jī)床產(chǎn)品市場占有率持續(xù)攀升，在2009 年達(dá)到70.1%。在此背景下，以國防軍工建設(shè)為代表的國家重點(diǎn)工業(yè)發(fā)展行業(yè)，開始采用國產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床，制造高精度武器元器件、設(shè)備，為我國國防軍工裝備的現(xiàn)代化發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障，同時(shí)，數(shù)控機(jī)床成為了我國國防軍工的戰(zhàn)略性裝備。如，中航工業(yè)成飛在2009 年舉辦的中國軍工企業(yè)管理創(chuàng)新成果表彰中，憑借“以數(shù)字化車間建設(shè)為依托的飛機(jī)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件數(shù)控制造能力提升”項(xiàng)目，獲得了表彰一等獎。安徽神劍科技作為我國軍工產(chǎn)品制造領(lǐng)域的代表企業(yè)，在2022 年的生產(chǎn)組織規(guī)劃中，提出要逐漸由簡單零件加工過渡到復(fù)雜零件加工上，不斷提升企業(yè)的特種加工能力、精密機(jī)械加工能力。

4.3 在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用

醫(yī)療設(shè)備制造領(lǐng)域，同樣是看重了復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)在精密制造方面的良好表現(xiàn)，因此，將復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用于高科技醫(yī)療衛(wèi)生診斷器具的現(xiàn)代化制造。采用復(fù)雜曲面數(shù)控加工數(shù)據(jù)監(jiān)測技術(shù)，有效提升了醫(yī)療設(shè)備、器具的診斷功能，使醫(yī)生能夠在醫(yī)療器械的輔助下，盡可能獲得最為準(zhǔn)確、全面的患者患病信息，進(jìn)而為科學(xué)診斷提供重要依據(jù)。近年來，為進(jìn)一步提高國產(chǎn)醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度，擴(kuò)大行業(yè)市場規(guī)模，以邁瑞醫(yī)療、魚躍醫(yī)療、新華醫(yī)療等為代表的一大批國內(nèi)知名醫(yī)療設(shè)備制造企業(yè)，積極開展高精尖技術(shù)攻關(guān)克難工作，并在彩超、心臟起搏器、磁共振檢測儀、CT 機(jī)、病人監(jiān)護(hù)儀、實(shí)驗(yàn)室檢測儀器和人工關(guān)節(jié)等高端醫(yī)療產(chǎn)品的生產(chǎn)加工中引入了復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)，有效促進(jìn)了我國醫(yī)療設(shè)備制造行業(yè)生產(chǎn)能力的提升，在一定程度上解決了我國高端醫(yī)療設(shè)備依賴進(jìn)口的局面。

4.4 在通信行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的驅(qū)動下，如今的社會已經(jīng)成為了一個(gè)高度網(wǎng)絡(luò)化的新時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)信息通信以多種方式進(jìn)入到了人們的生產(chǎn)生活之中，深刻影響著社會變革。與此同時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)科技的強(qiáng)大助力，更是為計(jì)算機(jī)、電視機(jī)及手機(jī)通信等產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了良好的契機(jī)，使我國通信制造行業(yè)能憑借自己的實(shí)力實(shí)現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)型升級。為了滿足不同設(shè)備對于通信功能的需求，就需要運(yùn)用超精技術(shù)、納米技術(shù)等相關(guān)技術(shù)，制造通信電子設(shè)備內(nèi)部精密零件，滿足設(shè)備對精確性、精細(xì)性的雙重要求[6]。在2016 年舉辦的中國智能手機(jī)發(fā)展10 年高峰論壇會議上，來自宇環(huán)數(shù)控機(jī)床股份有限公司的謝邦彥，以“手機(jī)金屬的高速磨削與復(fù)雜曲面精密拋光工藝”為主題進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)分享。近年來隨著超薄數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，曲面電視作為其中的一個(gè)重要門類，受到了消費(fèi)者的廣泛歡迎，業(yè)界也圍繞超薄曲面電視的制作展開了多方的技術(shù)研討活動。

5 結(jié)語

復(fù)雜曲面數(shù)控加工作為一種先進(jìn)的高精尖制造技術(shù)存在，是科技創(chuàng)新以及產(chǎn)業(yè)升級的雙重結(jié)果，代表了我國在高精尖制造領(lǐng)域的突出成就。在未來的發(fā)展中，企業(yè)、高校、科研等相關(guān)部門，要繼續(xù)加強(qiáng)對復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)的重視，從不同的角度，圍繞復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)的研究與發(fā)展，展開多方探究活動。為復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用，提供充足的理論指導(dǎo)，促進(jìn)復(fù)雜曲面技術(shù)潛在優(yōu)勢功能的充分發(fā)揮。