復雜曲面數控加工技術及其應用研究

蔡琪琳

（四川幼兒師范高等專科學校，四川 綿陽 621700）

引言

與其他數控加工技術相比，復雜曲面數控加工難度等級較高、復雜程度較大。也正是基于復雜曲面數控加工技術這一特性，被應用于環保裝備、汽車、航空航天等高端制造領域。隨著我國產業轉型升級的逐步推進，我國制造業也逐漸迎來了其發展的黃金階段。

1 復雜曲面數控加工技術概述

復雜曲面造型的“復雜”之處在于其有別于長方體、正方體等常規三維曲面構圖方式。在一般的三維曲面構圖結構中，空間結構主要由三個垂直面以90°的垂相交的形式來構成。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。

基于復雜曲面的上述特點，對于復雜曲面的數控加工主要包含了曲面造型、數控編程、數控機床加工三個主要方面。從構圖的復雜程度上來講，復雜曲面的數控加工又可以被細分為三坐標曲面加工、五坐標曲面加工。其中五坐標曲面加工對應的是五軸數控加工技術，被業界普遍看做目前數控加工技術領域應用范圍最廣、難度最大的技術，它通過計算機控制、精密加工、高性能伺服驅動等技術的結合，可以實現平滑、連續、復雜曲面的自動化加工。在數控加工領域，當人們在復雜曲面設計、制造方面遇到難以解決的問題，就會訴求于五軸加工技術。在產業升級的新時期背景下，隨著各行業對生產質量的高要求，復雜曲面作為一種高難度的造型方式，被廣泛運用到了汽車、造船、航空等高精尖領域的零部件構造中[1]。

2 復雜曲面數控加工技術優勢特點

2.1 加工自動化

與傳統工件加工中所普遍使用的量規、夾具不同，由于復雜曲面結構的特殊性，在加工過程中必須結合其設計要求，進行高精度量規、夾具等的重新制作。并且這種結構上的復雜性，更是增加了其結構測量參考點的辨別難度，導致測量人員無法對復雜曲面工件作出準確、快速定位。而數控加工技術的加入，使得復雜曲面的測量、加工可以利用網絡操作系統來實現，操作人員即使不在現場，也可以通過簡單的數字遠程操控，順利完成復雜曲面零部件加工的裝卸、定位以及更換刀具等操作，還可以在遠程監控系統的輔助下，實現對零部件加工過程中溫度、時長等的自動化監測管理。這不僅最大程度上降低了復雜曲面數控加工難度，更大大減少了加工任務量，實現了生產制造效率的提高[2]。

2.2 精確度較高

復雜曲面加工有著較為復雜的工藝生產流程，需要先對零件毛坯進行簡單的粗加工處理，進行機械切削。但由于零部件生產加工材料以及制作工藝等因素的影響，導致零件毛坯在粗加工過程中，極易發生變形，加之曲面結構的復雜性，使得毛坯各處變形呈現出了不規則、不均勻的特點。這就造成了復雜曲面零部件的切削質量問題，毛坯在切削過程無法始終緊貼刀片，出現空走刀的情況。不僅難以保證復雜曲面粗加工效率，更大大降低了其加工精度。應用數控加工技術進行復雜曲面加工，可以在計算機編程設計的基礎上，實現對切削位置、深度、力度等的準確計算，確保切削定位的準確性。數控加工技術中的自適應控制系統、數控軟件仿真系統等可以在模糊技術、傳感器技術、專家系統和人工神經網絡等核心技術的作用下，對復雜曲面毛坯的制作材料進行物理仿真分析，并對切削過程中的切削量、切削力度大小變化情況進行數據模擬，自動化優化調節機械加工狀態，使復雜曲面的機械加工過程更具穩定性，大大提高了復雜曲面加工的精準度。

2.3 創新更便捷

復雜曲面零部件的加工制造是由數控機床完成的，雖然相關加工刀具的使用能夠最大程度提高復雜曲面加工效率，但仍會受到機床性能的影響，尤其是加工所選刀具、工藝等相關參數的差異性，容易導致復雜曲面部件加工需求與實際刀具出現不匹配的問題，最終降低了復雜曲面部件加工質量。面對復雜的情況，可以在數控加工技術的輔助下對機床相關機器數據進行智能化編輯，促使機床數據更符合復雜曲面的數控加工要求。尤其是在五軸聯動數控加工技術的作用下，通過對精密加工、高性能伺服驅動、計算機控制等的運用，對機床工藝加工流程進行事前設計，明確機床夾具型號、規格、切削用量等具體工藝參數，對刀具空間位姿進行智能操控，明確刀具的具體行動軌跡，為復雜曲面數控加工的創新提供了極大的便捷。

3 復雜曲面加工中運用到的數控加工技術

3.1 數據獲取技術

復雜曲面數控加工技術的開展，需要建立在大量復雜曲面部件加工相關數據信息采集的基礎之上，為后續一系列自動化調控工作的開展提供科學依據，使復雜曲面數控加工更具精細化。在照相法、CT 成像和激光掃描等一系列數據測量設備及方法的作用下，操作人員可以迅速獲取到與復雜曲面加工相關的各類準確數據，包括部件結構數據、設備狀態、消耗物料、工時消耗、設備OEE 以及現場環境數據等。以工時消耗數據信息采集任務為例，目前在數控加工領域，一般采用寫實測時法對加工工時消耗進行信息采集。即將關注的視角對準某一項工序的作業情況，通過對該工序作業流程的拆分，在錄像機、秒表以及機床顯示儀等的輔助下，對作業流程相關組成要素的工時消耗進行重復的周期性測量，以此來獲得相關數據信息。

3.2 曲面匹配技術

復雜曲面數控加工離不開曲面匹配技術的運用，這是確保復雜曲面數控加工精準度的一個重要關鍵技術，可以對同一曲面的不同坐標系空間進行精準定位。曲面匹配技術的運用，免去了傳統機床夾緊、定位方法中頻繁調整而造成的定位不準的問題，大大提高了曲面匹配效率。復雜曲面數控加工的曲面匹配技術，主要包含了以下內容：一是依據復雜曲面部件在三維曲面下的相關對應點信息，進行匹配要素的合理選擇，確保復雜曲面部件在特征、空間信息等方面與對應點的一一對應。二是依據歐氏距離度量法，參照已經確定的曲面匹配特征，在另一曲面匹配中進行詳實特征的尋找。

3.3 逆向工程技術

逆向工程是相對于以“圖紙—模型—產品”為流程特征的正向工程而言的一種自下而上的反向工程。基于產品生產設計的需要，在逆向工程中，生產設計流程被進行了反向重構，以“產品—圖紙—模型”的形式出現。以車身模具、內燃機葉片為例，基于其結構形狀的復雜度，難以依照常規流程、圖紙要求進行數控程序以及模型的構建。因此，就需要采用逆向工程技術，在數據預處理、數字化掃描、重構CAD 模型、CAM生成數控加工道具軌跡等技術的綜合作用下，將要加工的復雜曲面位置進行數字化處理，并依據獲取到的各類數據進行模型重構。

4 復雜曲面數控加工技術的應用

復雜曲面數控加工技術基于自身在高精度、高效率、高科技等方面的突出優勢，被廣泛運用到交通運輸、軍工制造、醫療設備及通信行業多個領域當中，成為了該領域的核心技術支持。尤其是在產業轉型的當下，復雜曲面數控加工技術在各個行業中所發揮的作用逐漸突出，在未來有著廣闊的發展空間。

4.1 在交通運輸領域的應用

交通運輸領域是國內最早引入數控技術的領域之一，在航空、船舶、汽車等交通運輸設備相關零部件的加工制造中，都不同程度存在著復雜曲面數控加工技術的應用[3-4]。大到飛機機翼、汽車車身以及內部大型發動機，小到各種細小的零部件、螺絲等，都需要在數控加工技術的作用下，呈現出相應的復雜曲面弧度。早在2017 年1 月，中國航發南方工業就聯合北京航空航天大學機械工程及自動化學院，共同成立了專門的復雜曲面先進制造技術聯合實驗室，主要圍繞復雜曲面的數控加工制造展開相關科研活動，研究領域涉及到高精度、超快低成本制造、機械工藝參數優化、快速檢驗技術以及刀具、磨具的設計和選用等多方面內容。在2020 年舉辦的國家科學技術獎勵大會上，由航空工業牽頭完成的“五軸聯動數控機床S 形試件檢測方法及加工精度提升技術”榮獲了國家科技進步二等獎。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”復雜曲面零件加工數控編程CAM軟件Turboworks。這說明在交通運輸領域，復雜曲面數控加工技術未來仍然有著較大的發展空間，是我國交通運輸制造業實現“彎道超車”的關鍵核心技術。

4.2 在軍工制造領域的應用

基于復雜曲面數控加工技術在高精度方面的突出表現，該技術被廣泛運用在各國的軍工制造領域，用于高精度軍工零部件的生產制造，使軍工武器、設備使用性能與安全性能得到了有效保障[5]。得益于我國工業制造業的快速發展，我國金屬加工機床產品市場占有率持續攀升，在2009 年達到70.1%。在此背景下，以國防軍工建設為代表的國家重點工業發展行業，開始采用國產高檔數控機床，制造高精度武器元器件、設備，為我國國防軍工裝備的現代化發展提供了強有力的技術保障，同時，數控機床成為了我國國防軍工的戰略性裝備。如，中航工業成飛在2009 年舉辦的中國軍工企業管理創新成果表彰中，憑借“以數字化車間建設為依托的飛機大型復雜結構件數控制造能力提升”項目，獲得了表彰一等獎。安徽神劍科技作為我國軍工產品制造領域的代表企業，在2022 年的生產組織規劃中，提出要逐漸由簡單零件加工過渡到復雜零件加工上，不斷提升企業的特種加工能力、精密機械加工能力。

4.3 在醫療設備領域的應用

醫療設備制造領域，同樣是看重了復雜曲面數控加工技術在精密制造方面的良好表現，因此，將復雜曲面數控加工技術應用于高科技醫療衛生診斷器具的現代化制造。采用復雜曲面數控加工數據監測技術，有效提升了醫療設備、器具的診斷功能，使醫生能夠在醫療器械的輔助下，盡可能獲得最為準確、全面的患者患病信息，進而為科學診斷提供重要依據。近年來，為進一步提高國產醫療設備產業發展速度，擴大行業市場規模，以邁瑞醫療、魚躍醫療、新華醫療等為代表的一大批國內知名醫療設備制造企業，積極開展高精尖技術攻關克難工作，并在彩超、心臟起搏器、磁共振檢測儀、CT 機、病人監護儀、實驗室檢測儀器和人工關節等高端醫療產品的生產加工中引入了復雜曲面數控加工技術，有效促進了我國醫療設備制造行業生產能力的提升，在一定程度上解決了我國高端醫療設備依賴進口的局面。

4.4 在通信行業領域的應用

在互聯網技術快速發展的驅動下，如今的社會已經成為了一個高度網絡化的新時代，互聯網信息通信以多種方式進入到了人們的生產生活之中，深刻影響著社會變革。與此同時，互聯網科技的強大助力，更是為計算機、電視機及手機通信等產業的轉型發展提供了良好的契機，使我國通信制造行業能憑借自己的實力實現技術轉型升級。為了滿足不同設備對于通信功能的需求，就需要運用超精技術、納米技術等相關技術，制造通信電子設備內部精密零件，滿足設備對精確性、精細性的雙重要求[6]。在2016 年舉辦的中國智能手機發展10 年高峰論壇會議上，來自宇環數控機床股份有限公司的謝邦彥，以“手機金屬的高速磨削與復雜曲面精密拋光工藝”為主題進行了經驗分享。近年來隨著超薄數字電視產業的不斷發展，曲面電視作為其中的一個重要門類，受到了消費者的廣泛歡迎，業界也圍繞超薄曲面電視的制作展開了多方的技術研討活動。

5 結語

復雜曲面數控加工作為一種先進的高精尖制造技術存在，是科技創新以及產業升級的雙重結果，代表了我國在高精尖制造領域的突出成就。在未來的發展中，企業、高校、科研等相關部門，要繼續加強對復雜曲面數控加工技術的重視，從不同的角度，圍繞復雜曲面數控加工技術的研究與發展，展開多方探究活動。為復雜曲面數控加工技術在不同領域中的應用，提供充足的理論指導，促進復雜曲面技術潛在優勢功能的充分發揮。