數控銑加工復雜曲面零件的研究

王佳智

（沈陽職業技術學院汽車分院，遼寧 沈陽 110015）

1 復雜曲面零件的五軸聯動數控加工制造過程的研究

一直以來，表面具有比較復雜曲面的零件的加工制造都是機械加工制造領域中的熱點和難點問題之一。如果采用普通的機床用于制造表面具有比較復雜的曲面的零部件，即使有多年豐富的加工經驗、技術非常熟練的技術工人也無法保證其穩定的加工精度，如果能夠確保相關零件的加工精度，相關零件也是通過降低加工效率使加工精度穩定。對比于常規的加工制造方法，多軸聯動的數控制造方案具有顯著的優勢和特點，尤其是在加工外形比較復雜的曲面零件，僅使用一次裝夾工序便能夠加工若干待加工的表面，并且是在具有較高的效率的前提下還可以獲得較高質量以及較高的加工精度，因此發展五軸聯動的數控加工制造技術是一項非常關鍵的任務[1]。

1.1 五軸聯動形式的數控加工制造過程中程序編寫技術

1.1.1 數控加工程序編寫方法

五軸聯動的數控加工程序通常使用CAM類型的軟件來進行編寫，大量應用在航空航天、汽車制造以及模具成型等領域中。其主要優點是能夠編程應對外形狀相對復雜的曲面類型的零部件，可以得到比較合理的NC類型數控加工制造程序。多軸聯動的數控加工制造自動化編程的工作流程如圖1所示。CAD/CAM領域的計算機輔助形式的編程模式通常可以分成2類。1）一體集成形式的CAD/CAM設計模塊系統。該系統與CAXA，UG，Pro/E等程序相似，該程序可以直接調用CAD軟件建模生成相關產品的實體數學模型，應用CAM相關模塊把加工需要的工藝參數導入程序中，并且在程序中定義加工刀具的走刀加工路線，定義后期處理刀具走刀加工軌跡以及程序進行動態仿真切削加工的過程。在該過程中，系統中各個部分的數據信息具有較強的關聯特性，假如工程技術人員需要更改相關產品的數字實體模型或者編寫程序的進程中某個特定的參數，系統將會自主更改刀具行進的軌跡路線，進而提升了編程工作的執行效率。2）相對獨立的CAD/CAM程序系統。該類軟件的CAD相關功能相對于前者稍微弱化，因為系統內的數據沒有關聯特性，數字模型的任何一次更改都需要再次進行有關參數的設置工作，因此工作量比較大，這樣的特性在一定程度上影響了技術人員編程工作的效率，一般不適合作為外形具有復雜曲面的零部件產品的編程使用的軟件。數控程序由程序編號、程序內容和程序結束段組成。例如：

圖1 多軸聯動數控加工制造自動化編程流程圖

1.1.2 表面具有復雜曲面的零部件加工制造工藝

如果待加工零件表面具有相對復雜曲面造型，在銑削數控加工制造過程的核心環節即為曲面加工的工藝方法的步驟的設定過程，切削加工設備，切削加工的刀具，切削過程相關參數的最佳選擇等。表面具有復雜曲面的零件如果從待加工曲面的形狀特性以及結構特點來講，總體上可以分成2個類型：1）類似增壓裝置內部的葉輪，葉片類型的曲面或者整體旋轉刀具的螺旋形狀槽體曲面具有的直紋表面。2）相關曲面的曲率半徑可能發生改變的自由類型的曲面，類似各類沖壓零部件，模具的零部件。

表面具有復雜曲面零件的加工模式根據加工制造時刀具進給過程中的切削角度能夠劃分成端銑加工以及側銑加工2類。端銑加工是應用刀具的端面的切削刃對于待加工的零部件的相關加工表面進行銑削操作，這是銑削加工操作中最普遍的一類操作模式，其特征是加工過程中參與切削加工的刀齒相對較多，因此切削刃在工作時的磨損速度比較慢，切削加工的效率較高。該加工模式下的刀軸相對較短，整體結構的剛性比較好，在銑削時刀具運行比較平穩，因此能夠使用相對比較大進給量的加工模式。在加工制造表面具有凸凹面的零部件時可以有效地避開相關干涉表面，大大提升了零件最終的制造品質。應用刀具的側刃來進行零部件被加工曲面銑削加工的方法稱為側銑加工。該加工模式的主要特征為刀具和待加工表面的接觸線的長度比較大，加工制造的效率以及零件表面的加工品質比較好。直紋表面，準直紋表面等類型的曲面通常采用側銑加工制造的模式[2]。

1.1.3 五軸聯動的數控加工過程中的刀具運動控制

1.1.3.1 五軸聯動的數控加工過程中的刀具軸線方向的矢量控制方案

與刀軸驅動面垂直方向的刀具軸線在運行過程中始終將與刀軸的運動面對應點處的表面法向矢量相互平行。通常用于完成直徑較大的刀具的端部銑削加工的模式，能夠得到相對較大的切削加工寬度及行間區域的切削剩余高度數值。進而可以降低刀具運行的軌跡長度數值用以提升系統的加工制造效率。加工表面具有復雜曲面的零件時假如僅僅應用垂直于刀軸運行表面或者平行于刀軸運行表面的加工制造模式通常會出現干涉現象，嚴重的情況可能造成待加工的零件報廢。假如加工過程中使用的是五軸聯動的機床進行加工制造，該設備應用的是和刀軸運行表面處在一定的傾斜角度的模式來調整刀具的角度，從而出現杜絕刀具、待加工零件、工裝夾具和機床設備等部分發生干涉（即相互之間的運動軌跡發生交叉，影響彼此的正常運行）的情況，并且可以優化和改進數控加工程序。在實際進行的零部件加工制造過程中，五軸聯動的數控銑削加工機床能夠根據零部件的特征來進行科學的刀具運行軌跡的設計和規劃。

1.1.3.2 五軸聯動的數控加工制造過程中刀具行動軌跡的控制要點

在多坐標系的表面具有復雜曲面零件的數控加工制造進程中，刀具運行軌跡的設置是否合理將對零件的加工精度以及工作效率產生直接的影響。加工同樣的復雜曲面所應用的刀具的運行軌跡如果不一致，就會導致零件的加工制造精度以及加工效率發生顯著的區別，通常來講，評價刀具運行軌跡合理性的重要因素一般包括如下3點：1） 刀具運行軌跡的長度數值。對于相關的零部件實施加工制造過程中刀具運行軌跡總的長度數值，包括刀具進行切削進給時的有效軌跡路徑的總長度及不直接參與切削加工時的空行程的總體長度數值。由此可見，刀具運行軌跡數值越小，其加工制造過程的工作效率越高。2） 刀具運行軌跡的連續特性。當表面具有復雜曲面的零件進行精加工時，需要實現不間斷的連續走刀切削方式，只有這樣操作才可以確保零部件的復雜表面的加工制造品質。如果在加工制造參數設置過程中出現了頻率較大的抬刀現象，零部件的被加工表面由于斷續性的刀具運行軌跡以及系統累積的誤差而影響了最終的加工制造品質，并且還會造成刀具的不必要往返行進過程，從而影響加工制造工作的效率。3） 刀具運行軌跡方向的統一特性。通常來說，曲面的法向矢量的改變幅度以及變化的快慢均和加工運行軌跡有直接的聯系，加工運行軌跡的差異將會對加工制造的效率及加工品質產生直接的影響。為了達到提高加工制造效率及加工品質的目的，相關工程技術人員在加工程序的編寫進程中，需要注意法向矢量的方向以及切線方向的改變幅度需要盡可能地降低。

1.2 數控機床性能及刀具軸線控制模式

數控機床具有額定功率大及主傳動軸轉動速度高的特點，為了滿足高速切削復雜零件的技術要求，其主傳動軸電機功率通常大于18 kW，主軸轉動速度能夠達到8 500 r/min以上。數控機床的刀具軸線控制模式是多軸數控加工一個重要解決方案，刀具軸線進行持續且慢速的變化是保證高精密機械加工品質的基礎。刀具軸線突然發生變化將會導致機械加工零件出現過切的狀況，因此復雜曲面通常需要以順滑曲面作為刀具軸線的驅動面[3]。

2 復雜曲面零件高精密數控加工研究

2.1 復雜曲面零件特性研究

2.1.1 螺旋槳葉片表面的特性

螺旋槳葉片表面均是由形狀非常復雜的自由式曲面組成的，切線方向的曲率非常大，并且曲率分布不規則，因為不能在三軸數控機床上對其進行機械加工，所以只能使用五軸聯動高精密數控機床進行加工。

2.1.2 螺旋槳各個葉片之間的特性

螺旋槳各個葉片之間互相重疊的區域非常多，且空間非常狹小。越接近軸心的位置直徑就越小，且通道越狹窄。在螺旋槳葉片曲面的機械加工過程中，除了必須防止刀具與加工葉片間出現干涉狀況以外，還需要避免刀具與葉片間出現碰撞或過切現象。

2.2 零件機械加工研究

2.2.1 零件毛坯

在螺旋槳機械加工過程中選擇的毛坯原材料是鋁合金材質，因為鋁合金材質的硬度較低非常易于進行機械加工，并且不會產生“打刀”狀況，該機械加工原材料的屬性可以滿足機械切削加工的相關技術要求。零件毛坯的尺寸形狀如圖2所示，該零件屬于相對規則的旋轉體零件，在過渡的過程中，刀具的運行不會受到干涉，適合進行螺旋形式的機械加工。

2.2.2 零件加工用工裝夾具

螺旋槳葉片的橫向扭曲度較大，在進行機械加工的過程中，工作平臺的轉動頻率數值較高，待加工零件的幅度較大時，相關機械工程設計技術人員在進行工裝夾具規劃設計的過程中需要留出足夠大的轉動區域，否則將會造成工作平臺與高精密數控機床刀具夾頭間出現碰撞及干涉的現象。零件夾具結構如圖3所示，該零件的結構屬于平滑過渡的旋轉體，在刀具加工過程中不會出現過度的轉動和震動，轉向平穩，利于走刀運行。

2.2.3 復雜零件的機械加工設備

相關試驗設備是由國內某知名電氣集團股份有限公司與北京機械設計及電機研究院合作共同研制的A-C雙轉臺五軸聯動高精密數控加工機床（如圖4所示）：五軸聯動數控機床屬于一類精密度較高、專用在復雜曲面零件加工情況的設備，現階段，五軸聯動的數控機床裝置是應對葉片、葉輪、螺旋槳、發電機轉子和大型曲軸等高精度零件加工的唯一加工方法。

圖4 A-C雙轉臺五軸聯動高精密數控加工機床

該高精密數控機床一共有X、Y、Z3個方向可移動坐標軸及2個A、C可轉動坐標軸。其重要技術參數性能指標如下所述。

主傳動軸的旋轉速度：55 r/min～8 500 r/min。X軸軸向行程數值范圍：-350 mm～350 mm。Y軸軸向行程數值范圍：-320 mm～320 mm。Z軸軸向行程數值范圍：0～280 mm。A軸轉動角度數值范圍：-45°～135°。C軸轉動角度數值范圍：-270°～360°。

圖5 為該高精密數控機床的核心結構及重要參數示意圖。其中Om為機床坐標系的原點；Ow為工件坐標系的原點。

圖5 數控高精密機床的核心結構及重要參數示意圖

2.3 復雜零件機械加工過程及重要工藝技術參數

2.3.1 五軸數控機床粗加工毛坯

五軸數控機床粗加工毛坯的全部工藝技術參數如下：刀具型號為F16、機床主傳動軸的轉速為3 300 r/min、刀具進給速度為1 250 mm/min、復雜零件曲面加工精度為0.15 mm、機械加工余量為0.65 mm。

2.3.2 進行機械粗加工去除兩片葉片之間的余量

五軸數控機床粗加工去除兩片葉片之間余量的全部工藝技術參數如下：刀具型號為F12、機床主傳動軸的轉速為3 200 r/min、刀具進給速度為1 200 mm/min、復雜零件曲面加工精度為0.18 mm、機械加工余量為0.85 mm。

2.3.3 進行機械粗加工去除葉片底部多余偏差

機械粗加工去除葉片底部多余偏差五軸粗加工全部工藝技術參數如下：刀具型號為F10、機床主傳動軸的轉速為3 000 r/min、刀具進給速度為1 000 mm/min、復雜零件曲面加工精度為0.2 mm、機械加工余量為0.8 mm。

3 結語

綜上所述，該文以飛機螺旋槳葉面制造為例，對零件、車床及所使用的刀具進行了研究，制定了葉輪科學的機械加工方案，并且完成了刀具精密加工的過程，模擬仿真后獲取的數控加工源代碼，使用五軸高精密數控機床加工符合相關標準的零件。研究了高速切削加工的重要因素，從數控機床加工軌跡等方面闡述了機械加工過程中的技術要求，為復雜曲面零件的機械加工提供了重要的參考。