復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)及其應(yīng)用研究

孫澎濤

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，徐州 221000）

零件加工是器械制造中的關(guān)鍵一環(huán)。將復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)積極應(yīng)用于航空航天、汽車、環(huán)保裝備等高精制造領(lǐng)域，對提升我國制造技術(shù)具有重要幫助。隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，制造業(yè)逐漸迎來發(fā)展黃金期。但是，縱觀世界各國制造業(yè)的發(fā)展情況，我國的制造水平尚待提升。根據(jù)我國相關(guān)行業(yè)的發(fā)展計劃和人才培養(yǎng)計劃，不難看出我國十分重視制造業(yè)的發(fā)展與革新。基于以上時代背景和理論基礎(chǔ)，積極研究和應(yīng)用復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)十分重要且迫切。

1 復(fù)雜曲面加工面臨的主要挑戰(zhàn)

1.1 復(fù)雜曲面的定位

相比傳統(tǒng)制作應(yīng)用機械夾具、量規(guī)進(jìn)行工件裝夾，應(yīng)用數(shù)控技術(shù)進(jìn)行精度更高的工件加工需要設(shè)計并制作全新的夾具，會消耗更多的時間和資金。復(fù)雜曲面的結(jié)構(gòu)參考點相比典型弓箭更加難以辨識，使得傳統(tǒng)方法無法實現(xiàn)有效、快速的曲面定位，而數(shù)控加工也同樣面臨曲面定位問題。

1.2 復(fù)雜曲面粗加工

復(fù)雜曲面加工先需要經(jīng)歷粗加工過程，一般應(yīng)用型面加工等方法，但粗加工易受到毛坯變形的影響[1]。產(chǎn)品毛坯因材料等因素的制約，其曲面各處變形量經(jīng)常存在不均勻問題，導(dǎo)致毛坯在粗加工過程中常常出現(xiàn)大量空走刀的問題，大大降低了切削效率和切削質(zhì)量，還會造成大量資源的浪費，影響后續(xù)的加工作業(yè)。因此，在復(fù)雜曲面的粗加工中，是否能保證粗加工質(zhì)量符合精度、效率等要求，是復(fù)雜曲面工件加工面臨的重要挑戰(zhàn)。

1.3 數(shù)控技術(shù)尚待完善

相比傳統(tǒng)加工方式，數(shù)控加工使用數(shù)控機床及相關(guān)加工道具，能夠有效提高復(fù)雜曲面工件的加工質(zhì)量、效率。但是，實際應(yīng)用中，要想合理、有效應(yīng)用數(shù)控技術(shù)進(jìn)行曲面工件加工較為困難，因為實際加工過程中機床性能將受工藝參數(shù)、刀具選擇等因素影響，若存在道具不夠匹配、參數(shù)不合理等問題，將嚴(yán)重影響機床性能，無法保證曲面工件的加工質(zhì)量。

2 數(shù)控加工的特點及優(yōu)勢分析

2.1 加工自動化

數(shù)控加工技術(shù)的成熟度與國家工業(yè)發(fā)展情況密切相關(guān)，因為其具有傳統(tǒng)加工技術(shù)沒有的許多優(yōu)勢。相比應(yīng)用傳統(tǒng)工藝進(jìn)行曲面加工，數(shù)控加工可通過數(shù)字控制機械自動完成加工。在數(shù)控加工過程中，數(shù)控操作者的操作十分簡單、便捷，只需在相關(guān)系統(tǒng)中進(jìn)行遠(yuǎn)程的數(shù)字操作，即可實現(xiàn)零件裝卸、刀具更換等操作及加工時間、溫度等方面的監(jiān)督管理。自動化加工大大減少了相關(guān)從業(yè)者的工作量，提高了制造效率。

2.2 精確度高，效率高

首先，應(yīng)用數(shù)控技術(shù)加工工業(yè)復(fù)雜曲面工件，能基于合理的編程設(shè)計實現(xiàn)高精確度的計算與定位、加工，能滿足相關(guān)行業(yè)及大眾對工業(yè)產(chǎn)品的要求。其次，數(shù)控技術(shù)基于數(shù)控機床可實現(xiàn)自動化程度高的零件裝卸數(shù)據(jù)檢測、劃線等工作，能對多個零件進(jìn)行加工，大幅降低了相關(guān)員工的工作壓力、體力勞作強度，提升了企業(yè)運行的經(jīng)濟(jì)性。

2.3 服務(wù)于產(chǎn)品的研發(fā)與創(chuàng)新

數(shù)控加工操作中，技術(shù)人員不需要太多參與制造過程，只需編輯相關(guān)機器的數(shù)據(jù)便可重新定義數(shù)控機床的加工步驟、參數(shù)以及工藝等進(jìn)行新型產(chǎn)品的加工[2]。數(shù)控技術(shù)的這一操作特點，使其能更好地服務(wù)于創(chuàng)新產(chǎn)品的研發(fā)，降低了產(chǎn)品創(chuàng)新的難度。

3 復(fù)雜曲面加工具體應(yīng)用的數(shù)控技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)獲取是進(jìn)行復(fù)雜曲面加工的基礎(chǔ)。若采用數(shù)控技術(shù)，主要通過專業(yè)的數(shù)據(jù)測量設(shè)備及相關(guān)測量技術(shù)獲取數(shù)據(jù)點，具體包括激光掃描、CT成像、照相法等及數(shù)據(jù)點獲取方式。通過數(shù)字化測量得到的數(shù)據(jù)可能存在噪聲信息，因此需要進(jìn)行相應(yīng)的處理，以提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。為保證復(fù)雜曲面的加工質(zhì)量，測量數(shù)據(jù)前要根據(jù)具體情況選擇合適的測量工具及技術(shù)。

3.2 曲面匹配

曲面匹配是基于同一曲面不同坐標(biāo)系的表示方法對準(zhǔn)曲面空間。曲面匹配在諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，在復(fù)雜曲面加工中占據(jù)重要作用。在應(yīng)用該技術(shù)前，需要合理選擇匹配要素，目的在于使各個對應(yīng)點的空間信息和特征建立對應(yīng)關(guān)系，主要依據(jù)三維曲面中相關(guān)對應(yīng)點的信息選擇匹配信息。一般可基于特征、基于點或基于模型選擇匹配信息[3]。選擇完成后，需要確定相應(yīng)信息的相似性，基于要素相似性引入適宜的約束條件，以有效控制匹配過程及其計算，最后確定曲面匹配策略，即確定更換加工參數(shù)。

3.3 工件定位與安裝

傳統(tǒng)定位及夾緊安裝方法需要進(jìn)行煩瑣的準(zhǔn)備及設(shè)備調(diào)整，消時嚴(yán)重，對操作人員的技術(shù)要求高。在進(jìn)行復(fù)雜曲面工件加工時，加工件可能產(chǎn)生明顯變形，因此定位與安裝的作用突顯。要想保證曲面工件加工質(zhì)量，需要采用合理的定位與安裝技術(shù)。要先在龍門銑床上使用粗定位基準(zhǔn)加工工件底面，然后以粗加工完成的底面為基準(zhǔn)進(jìn)行型面定位及加工。這一過程以型面加工余量的均勻為基本準(zhǔn)則，合理控制型面加工速度，以保證加工質(zhì)量。定位與安裝過程中，需以基準(zhǔn)底面和限止塊的安裝面加工余量為參考進(jìn)行加工。

3.4 刀具軌跡生成技術(shù)

一方面，應(yīng)根據(jù)加工技術(shù)要求選擇刀具及具體參數(shù)，尤其關(guān)注刀具的工作速度、切削方法、走刀效果及受力情況等參數(shù)。另一方面，生成數(shù)控刀具的軌跡。生成軌跡的技術(shù)多樣。平面及輪廓加工中，以凹槽加工為例，常使用環(huán)切、行切等方法。前者一般比后者建立的路線短，刀具經(jīng)過的路線更簡單。簡潔的刀具軌跡能提升加工效率。由于曲面加工相對復(fù)雜，對多面、復(fù)雜的曲面工件進(jìn)行粗加工時，要先了解零件是否可進(jìn)行2.5維加工[4]。若可以，則可以使用層切等技術(shù)。

4 復(fù)雜曲面數(shù)控加工技術(shù)的具體應(yīng)用研究

4.1 在汽車、船舶產(chǎn)品制造中的應(yīng)用

數(shù)控技術(shù)最早被應(yīng)用于機器零件制造。由于汽車、船舶及航空領(lǐng)域的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)被廣泛應(yīng)用于零件加工工作，如螺絲、發(fā)動機的加工。該技術(shù)能較好地應(yīng)對這些領(lǐng)域煩瑣、眾多的零件加工要求，進(jìn)行精確、快速的機械加工。

4.2 在軍備制造中的應(yīng)用

多國的軍備制造已開始廣泛應(yīng)用數(shù)控技術(shù)，而我國也逐漸將數(shù)控技術(shù)推廣到軍裝制造領(lǐng)域。數(shù)控技術(shù)參與軍事武裝制造時具有精確性高等優(yōu)勢，能夠滿足相關(guān)零件精確度的要求，從而保證武器的使用性能和安全性。

4.3 在通信、醫(yī)療、印刷等行業(yè)中的應(yīng)用

如今，通信行業(yè)發(fā)展迅速，各類信息手機的需求量巨大。各類通信產(chǎn)品的制造離不開精密零件的加工，常用到納米技術(shù)、超精技術(shù)的精細(xì)加工配置等[5]。此時，應(yīng)用數(shù)控技術(shù)能滿足通信產(chǎn)品內(nèi)部精細(xì)構(gòu)造的高精細(xì)度要求。隨著信息技術(shù)、機電一體化技術(shù)的不斷成熟，醫(yī)療行業(yè)中開始出現(xiàn)越來越多的高科技設(shè)備，包括各類診斷設(shè)備、監(jiān)測設(shè)備等，為患者提供了更優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療服務(wù)。這些醫(yī)療器械需要借助數(shù)據(jù)監(jiān)測等數(shù)控技術(shù)，準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)。在印刷行業(yè)，印刷機器內(nèi)部零件的加工同樣可應(yīng)用數(shù)控技術(shù)，以提高印刷機器的工作效率。此外，數(shù)控技術(shù)在現(xiàn)代紡織業(yè)等行業(yè)中被逐漸應(yīng)用，以減輕勞動強度，提高效率。

5 結(jié)語

數(shù)控加工技術(shù)能在多個領(lǐng)域應(yīng)用，實現(xiàn)更精準(zhǔn)、高效的零件加工和更精準(zhǔn)的操作。它依托數(shù)據(jù)獲取、曲面匹配等技術(shù)，能較廣泛應(yīng)用于包含復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的零件加工。為應(yīng)對曲面加工的實際調(diào)整，更好地應(yīng)用相關(guān)的數(shù)控技術(shù)，需要合理應(yīng)用各項技術(shù)，如合理選擇刀具、選擇測量技術(shù)等，以保證各個加工環(huán)節(jié)的質(zhì)量。