樣條插補技術在航空機匣零件加工中的應用

周代忠，于 濤

1.中航工業黎明機匣加工廠，遼寧沈陽 110000

2.中航工業黎明國際動力公司，遼寧沈陽 110000

0 引言

隨著航空發動機行業的發展和進步，對航空發動機的壽命要求將變得越來越長，國內外相關實驗都表明，提升航空零件的表面加工完整性是延長零件抗疲勞周期，實現發動機長壽命的關鍵環節之一，因此，航空發動機零件的表面加工質量提升將變得十分重要。

如何提升零件的表面加工完整性，國內外進行了大量的技術研究，在數控加工行業，針對在復雜型面加工中直線插補存在以直帶曲缺點，逐漸發展起來一門新的編程加工技術，樣條插補加工，其帶給復雜零件加工更高的效率、更好的表面質量，其優越性近年來逐漸得到了眾多制造企業的認可。在CAM軟件編程方面，如UG軟件，逐漸開發了樣條插補功能，來滿足數控加工的需要。

1 樣條插補和程序段壓縮器簡介

樣條插補加工主要為兩種方式：1）通過NC程序段壓縮器將一定數量線性插補程序段壓縮為公差允許的樣條曲線加工；2）ploy格式的樣條程序加工。

1.1 NC程序段壓縮器

CAD/CAM系統通常提供線性程序段，它們執行參數化的精度。在輪廓比較復雜時這會導致數據量的大幅提高，并可能造成較短的軌跡區段。這種較短的軌跡區段會限制加工速度。

壓縮器會使一定數量的（最大10）這種較短的軌跡區段合并為一個軌跡區段。使用模態G代碼 COMPON 以及COMPCURV 可以啟用一個 "NC程序段壓縮器"。使用此功能，在線性插補時匯聚了一系列直線程序段（數量限制為10），并且在由機床數據設定的誤差公差范圍內近似于3級多項式（COMPON）或者 5級多項式（COMPCURV）。取代許多較小的程序段，而是加工一個較大的運行程序段。

COMPCAD是最常用的壓縮器指令可以壓縮計算時間和存儲空間。只有當CAD/CAM的程序沒有事先采取表面優化的措施時才使用。

1.2 多項式插補 (POLY)

就本義來說，多項式插補（POLY）并不是一種樣條插補。首先它是用作編程外部產生的樣條曲線的接口。在此樣條區段可以直接編程。這種插補方式使NC不用計算多項式系數。當系數直接從CAD系統或者后置處理程序中產生時，可以優化使用。

編程方式：PL=n 三階多項式或者擴展成五階多項式和新的多項式語法

2 機床樣條插補和壓縮器功能配置情況

樣條插補和程序段壓縮器功能是作為高端選配功能，一般在高端數控機床才有配置， 在西門子數控系統中，樣條插補和壓縮器功能作為循環CYCLE832（）高速設置的部分功能，這個循環CYCLE832（）集成了加工方式、待加工輪廓的公差帶、精磨削、NC 程序段壓縮器、預控制、沖擊限制、5 軸轉換7個方面的問題，在零件的數控加工中，可以根據加工需要，在機床上設置完后，直接插入程序中，將線性插補程序通過壓縮器壓縮成公差允許的一段樣條程序，根據加工階段的不同，設定不同公差，路徑控制，使表面質量、精度要求，切削速度三者之間得到平衡，如粗加工，切削速度最重要，表面質量和精度要求不高，這時提高加工過程的穩定性，可適當提高公差，使更多的線性插補程序段壓縮成一段樣條。

為了使樣條插補功能與機床結構匹配，一些機床廠家借助機床數控系統高級指令，根據機床的軟硬件配置，創建一個集成功能機床程序，供編程人員和操作者使用，如德國BOKO機床的TOL（）函數。

3 UG軟件樣條插補編程

3.1 樣條插補數控機床后置處理器創建

隨著版本升級， UG軟件后置文件逐漸完善，在6.0以上版本中已專門開發了樣條插補插件，在UG/Post_Builder中設定完具體機床格式后，在程序的開始設置中增加PC_CMD_ NURBS_INITIALIZE樣條插補初始化內容，實現POLY樣條插補輸出。

3.2 輸出運動設置

UG軟件常見的走刀軌跡輸出方式有兩種：線性、圓弧，但在固定軸、平面銑和型腔銑加工中都支持Nurbs輸出，為了滿足加工精度要求，需要在UG編程的操作中對機床運動的樣條插補進行設置。根據加工階段的需要，對擬合樣條公差進行設置，公差越大，程序數量越少，但失真的程度越大，一般情況下，擬合公差取公差帶的1/4。

通過和用線性插補程序的比較，在樣條公差設置為0.0254時，程序量減少了5倍，隨著公差的加大，程序數據量將更小。

4 加工效果

航空發動機機匣零件的外形面多為錐面、曲面，使樣條插補具有了廣泛的應用空間。POLY樣條插補是840D控制系統的基本高階函數，每個機床都能支持，但由于目前UGNX只支持Siemens的固定軸、平面銑和型腔銑加工的Nurbs輸出，變軸銑目前還不具備條件。因此，應用時，在四、五軸加工中，采用在線性插補程序中加入CYCLE832（）或機床廠家提供的樣條插補程序。

在通常的連續的小段位移線性插補程序加工中，刀具的切削力不穩定，造成加工過程刀具的不斷震動，刀具壽命降低，加工效率很難調高， 樣條插補功能的應用，使走刀軌跡更加流暢，加工中機床的功率更加平穩，刀具的壽命得到改善。采用POLY樣條插補加工，表面質量明顯比采用GO1直線插補在相同的加工速度下要高。

在一些要求高尺寸精度要求的表面加工前，為了滿足要求，應該提供精確的模型進行編程，結合樣條插補功能，來提高加工精度等級。

5 結論和展望

對CAD/CAM系統直接采用POLY樣條插補編程，加工程序的數據量得到很大的降低，改善了刀軌流暢性，加工精度以及表面光潔度提高了一個檔次，尤其是曲面加工上，由于機匣零件外形面多為曲面，采用樣條插補加工后機匣零件表面加工質量，加工效率，刀具壽命提高明顯，隨著應用的不斷深入，樣條插補技術對提升機匣零件加工表面的完整性，延長零件的抗疲勞周期方面將發揮更大的作用。