復雜曲面零件的五軸數控加工技術研究

張映故

（柳州職業技術學院，柳州 545000）

隨著時代的發展和科技的進步，各行各業不斷進行改革，對裝備性能的要求不斷提高，使得精密復雜曲面零件得到了廣泛應用。精密復雜曲面零件的加工，在原來形位精度要求的基礎上增加了性能指標要求，為其加工技術的革新提供了契機。在現代工業領域，多軸數控加工技術已經成為制造加工業的代表性技術，在運載工具、國防裝備等領域的關鍵零部件加工中發揮著重要作用。

1 曲面驅動刀軌規劃

曲面驅動是復雜曲面加工的重要方法。驅動刀軌的規劃直接關系到曲面物理特性的有效控制。刀軌規劃的本質是基于最大加工殘留高度的約束，以合理、有效且科學的安排布局，達成對所有曲面全面覆蓋的一族曲線。刀軌規劃一是曲面上曲線族的確定與選擇，二是設計曲面上曲線族的排布方式。曲面上的曲線可以是等殘留高度線、等截面線、測地線等。曲線軌跡排布方式也各具特點，如Zig-Zag 排布、螺旋排布等[1]。

基于加工精度要求、復雜程度、方式、效率等，確定合適的曲線族、排布方式等，以保證生產條件參數及刀軌迅速生成，滿足復雜曲面零件加工要求。一般情況下，實際生產使用的刀軌包含如下3 種：第一，等平面刀軌，適用于網格、點云、參數曲面等多描述模型；第二，等殘留高度刀軌，關注加工效率；第三，等參數刀軌，計算簡單便捷。

為迅速提高工藝的實用性、加工效率等，可以及時利用裁減曲面的重新參數化，針對參數軌跡規劃、螺旋軌跡設計等做出規范化設計，以合理選取的初始驅動軌跡來替代邊界曲線，從而進一步縮短等殘留刀軌長度[2]。同時，需要根據零件表面粗糙度標準、曲面曲率分布標準等，優化曲面及平行截面截交方向，以提升加工效率與精度。

2 復雜曲面五軸數控加工的工裝方案設計

工業4.0 的到來促使復雜曲面在產品設計中的應用越來越廣泛。五軸數控加工技術自身優勢顯著，能夠為產品的制造效果提供保障。為探究應用五軸數控加工技術加工復雜曲面零件的效果，以佛像為例，研究五軸數控加工策略，并進行試制加工。

該零件高度為155 mm，最大直徑為108 mm，毛坯為直徑110 mm、長156 mm 鋁合金圓柱體，底部設計有4 個直徑6 mm 螺紋孔，深度控制在20 mm，而后需進行加工工裝的確定。在五軸數控機床中，為確保加工精度，通常需要采用特殊的夾具和夾持方式，使工件在多軸運動中能穩固定位。圖1 為該零件的夾具。頂部為裝夾面，包括2 個直徑6 mm 定位孔和4 個直徑6.5 mm 通孔。中間為支撐體，主要作用是提高零件高度，避免在臥式銑削過程中刀柄和工裝產生干涉。底部有開槽口，作用是方便零件在機床工作臺上裝夾。

圖1 夾具

該零件的加工過程包括如下步驟。第一，開粗加工。采用型腔銑削的策略，分別進行前開粗、左開粗、右開粗。第二，清角加工。佛像正面清角加工的重點是切除復雜曲面零件粗加工過程中沒有切除的余量。第三，精加工。清角加工完成后，采用可變輪廓銑加工策略進行精加工。在設置刀路時，需要在零件表面設置2 個輔助驅動面，確保生成刀路光順、連續。第四，倒角、刻字。采用可變輪廓銑加工策略進行倒角加工、刻字加工。整改加工過程的具體加工工藝參數如表1 所示。

表1 加工工藝參數

3 復雜曲面五軸數控加工策略與試制加工

3.1 加工策略

佛像的五軸數控加工策略可分為粗加工和精加工兩種。粗加工包含的工序有左開粗工序、右開粗工序、前開粗工序以及清角加工工序。在前兩道工序中，機床利用B軸旋轉由立式變為臥式銑削模式。在設置切削層時，需要確保左開粗加工與右開粗加工兩刀路間存在約1 mm 的重疊加工區域，以規避欠切削問題[3]。由于將加工模式確定為五軸定位臥式，需要重點考量機床作業刀具、行程、刀柄等的安全高度，保證行程、刀具和刀柄長度等參數滿足一定關系，表達式為

式中：LX為機床X軸的行程；Ld為刀具與刀柄的總長度；Dm為毛坯的直徑；Ha為刀軌安全高度。

只有刀路、行程、刀具刀柄長度等參數滿足式（1），才能有效規避超行程現象的發生。在零件的前開粗和清角加工中，需保證刀軸及X軸的正向夾角為40°。在前開粗刀軌設置過程中，為迅速提升加工效率，要進行左開粗加工刀路、右開粗加工刀路的逆概率加權法（Inverse Probability Weighting，IPW）計算，以獲得前開粗加工毛坯。此外，清角加工的切削參數設置中存在“空間范圍”選項，在該選項中可將參考刀具設置為直徑2 mm 立銑刀具。

精加工策略為可變輪廓銑加工。該策略為多軸加工編程策略，因此在設置加工參數時，要關注投影矢量參數、刀軸參數、驅動方式等。同時，由于佛像的曲面主要由眾多不規則非直紋曲面組合而成，具有曲率變化大的特征，如果利用零件自身的曲面生成刀路，極易出現刀路不光順、程序計算量龐大等問題。基于此，經過綜合考量，確定采用曲面驅動的驅動方式，要求刀軸、投影矢量均垂直于驅動體設置。

由于佛像存在曲面曲率較大的問題，不能被確定為驅動體，需要將零件精加工刀路的可變輪廓設計成規律的UV 曲面。零件底座近似規則形狀，整體形成單一驅動面，在加工底座時極易發生刀軸變化率增大的現象。這就需要在設計過程中進行上、下2 個驅動面的規劃與設計[4]，上驅動面曲率變化較大，下驅動面曲率變化較小。在底座精加工刀路設置過程中，如果刀路和底座上部幾何特征發生干涉，可以向“指定部件”添加干涉幾何體，以避免干涉刀路的情況。在“曲面區域驅動方式”的對話框中，將切削模式轉變設為“螺旋”，將步距設成“殘余高度”，在粗加工中確定該值為0.3 mm，在精加工中確定該值為0.15 mm，確定切削公差為0.01 mm，以保證精加工效果。

3.2 試制加工

在試制加工時，由于左開粗、右開粗均以五軸定位臥式銑削模式為主，需確定刀具伸出長度L1比切削深度Ht大，并保證Ht與重疊區域的深度Hc滿足一定關系，表達式為

在參數滿足式（2）的前提下，因為毛坯直徑為110 mm，所以刀柄及工件干涉問題可以避免。左開粗、右開粗過程中的重疊區域深度已確定為1 mm，因此實際加工中刀具的伸出長度應在56 mm 以上。

在對刀過程中，因為編程原點一般在佛像模型底部中心位置，再加上該零件高度為155 mm，所以為規避毛坯表面不平整現象，需將毛坯表面Z軸高度設置為156 mm，并將其進行1 mm 的去除，以保證零件頂部的平順、光整。

試制加工采用的設備為五軸聯動加工中心，在精加工刀路設計中，進刀模式需確定為沿形狀斜進刀形式，這是因為如果將進刀模式設置為螺旋進刀形式，極易發生執行程序報警的情況[5]。此外，基于零件形狀，將公共安全設置為“包容圓柱體”，以規避起刀點超行程問題。

經過試制加工后，通過采用確定好的導軌規劃方案、工藝策略，佛像的加工效率與質量有了顯著提升。精加工時間明顯縮短，減少約2 h；表面粗糙度大幅降低，由3.2 μm 降低至1.6 μm；試制件的精度、尺寸達到設計標準與要求。

在五軸數控加工技術的應用中，還需要規避奇異性問題。它屬于刀具姿態優化的范疇，會直接影響工件表面質量。奇異性的調整與優化，是設計的重要環節。

4 結語

隨著現代制造技術的飛速發展，五軸數控加工技術作為高端制造技術的代表，逐漸成為機械制造中必不可少的加工技術。相比傳統的三軸數控機床，五軸數控機床在多軸運動的基礎上增加了2 個旋轉軸，極大地拓展了加工自由度。五軸數控機床的獨特之處在于五軸聯動能力，通過對A軸和C軸的聯動控制，刀具可以在多個方向上同時移動，實現更加靈活的切削，這對于曲面加工、復雜幾何形狀的零部件制造至關重要。文章旨在為復雜曲面零件五軸數控加工技術的應用提供一定借鑒與參考，希望相關研究人員進行更深入的分析與探討，以促進我國機械制造業的高質量發展。