大型雕塑曲面零件五轴联动数控技术

一、前言

　　在机械加工行业中，大型雕塑曲面零件的加工，多采用传统的“砂型铸造一手工铲磨一立体样板检查”的工艺方法加工，由于立体样板制造精度较低以及其几何变形的影响，使该类曲面零件的加工精度难以提高。随着现代数控技术在机械加工行业的日益普及，逐步给机械加工行业带来了革命性的进步，而且随着计算机技术的发展，使CAD/CAM技术有了长足的进步，出现了五轴联动数控撞铣床和一些优秀的CAD/CAM软件，其中SDRC/CAMAND软件在五轴联动数控加工编程方面比较灵活。笔者根据在我公司实际生产中的实践情况，概要介绍雕塑曲面零件的五轴联动数控加工技术。

　　目前对大型雕塑曲面零件的加工，以采用大直径面铣刀沿曲面参数线方向进行加工为最佳加工方式，这种加工方式具有加工精度和加工效率高，零件表面质量较好以及刀具切削状态优等特点。

二、雕塑曲面的三维造型技术

　　为了完成对曲面的数控加工编程，首先需要在计算机上造型出曲面的屯维模型。雕塑曲面的设计数据通常以点阵数据描述，而曲面点阵数据的来源主要有两种方式:一种是通过设计手段，由设计人员根据产品的设计理论，通过计算得到这种点阵数据，其又常常是按一定规则有规律给出，三维造型相对容易;另一种是通过对手工制作的木模原型或者实物，采用三维测量仪器测量得到曲面的点云数据，这类数据点阵分布没有准确的规律，曲面三维造型相对较难。所以，根据曲面原始数据点阵的不同情况，雕塑曲面的三维造型可分为规则点阵的曲面造型和不规则点阵的曲面造型。

　　1. 规则点阵雕塑曲面的三维造型

　　规则点阵雕塑曲面是指曲面点阵数据严格按照一定规律给出。通常，曲面数据点阵分为若干条参数样条线节点数据，三维造型则采用NURBS曲面造型来完成所需雕塑曲面。下面描述在SDRC/CAMAND软件中的造型步骤。

　　(1)把雕塑曲面原始点阵数据用“Pointset”功能生成点集(Pointset)，注意应该按照每个参数样条生成独立的点集，图1所示的是一雕塑曲面的参数样条点集图。

　　(2)利用“B-Spline”功能，选择使用“Thru Points"和“Non-uniform”参数，然后直接选取所对应的各样条点集，生成构造曲面所有的参数样条，图2所示的是一雕塑曲面的参数样条图。

　　(3)采用“Modeling”的“Surface”功能，执行“Lofted Surface”子功能，按一定顺序选择每条样条曲线后，点击确认，生成该雕塑曲面。图3所示的是采用此方法生成的雕塑曲面三维计算机模型。

　　2.点云数据雕塑曲面的三维造型

　　点云曲面数据是指曲面点阵数据不是精确地按照一定规律给出，无法先生成出样条曲线后，再造型曲面来得到较好的此类雕塑曲面模型。因此只有采用“点云数据造型曲面”功能，而在CAMAND中还没有类似功能，实践中我们借助I-DEAS中的“Fit Points to Surface”功能，把点云生成曲面，然后在I-DEAS软件中转换为CAMAND文件格式，以其作为数控编程用模型。图4所示为一雕塑曲面的点云数据计算机三维造型图。

三、大型雕塑曲面数控加工工艺的设计

　　在实际生产制造中，要实现对大型雕塑曲面零件的五轴联动数控加工，首先应解决曲面零件的装夹找正方案，考虑如何确定工件零点、对刀点、加工用刀具方案以及详细的加工顺序等。

　　1.大型雕塑曲面数控加工的装夹找正原则

　　对于一般大型雕塑曲面零件来说，其装夹找正有一定的规律可循，所以经过分析，大型雕塑曲面可以分为两大类，其装夹找正原则如下。

　　如果雕塑曲面零件上有平面、圆柱面等特征基准面，则采用该平面的等特征面作为装夹找正基准，这样可简化找正过程，提高装夹找正效率，保证曲面找正精度。

　　如果雕塑曲面全部由雕塑曲面组成，没有确定的基准，那么一般在曲面零件上铸造或焊接上找正平面块、销孔或基准销等辅助找止基准，利用大型曲面的三维测量技术手段，以及利用计算机软件适配技术得到毛坯余量分布情况，来指导雕塑曲面零件的找正。

　　当然，这两种方式是以首先确定大型雕塑曲面零件的基准，而后数控加工程序以找正基准进行加工为指导思想。如今，有的厂家也有另一种工艺方式。对于无确定基准的大型雕塑曲面，将其直接自由放置在机床工作台上，装夹可靠后对曲面按一定网格分布进行测点，然后将测点数据再处理，找出曲面在自由空间的位置关系，确保曲面的加工余量，调整加工坐标系，对数控加工程序进行转换，最后再返回机床完成对此零件的加工。这种工艺方式，最人的优点在于无需确定的基准进行装夹找正，零件自由放置。但从另一方面来说，这种工艺方式，增加了机床加工辅助时间，处理的数据较多，也给生产组织带来了困难。