大型雕塑曲面零件数控加工编程的数控技术

　　五轴联动数控加工的刀位轨迹计算是大型雕塑曲面零件加工中一个很重要的问题，为了获得好的表面质量和高的加工效率，要求在零件上不同区域的曲面形状需要采取与之相适应的加工方式。高质量的刀具轨迹生成方法除应保证编程精度和无干涉外，同时应满足通用性好、加工效率高、代码量小等等条件。对于雕塑曲面的多轴联动端铣加工，均采用行切加工方式，各种行切加工方式均可归结为曲面上曲线的加工问题，这样就提出了如何根据加工的曲面生成正确的刀位轨迹的问题。由曲面模型生成无干涉刀位数据主要有以下几种方法：曲面模型→无干涉CC数据→CL数据；曲面模型→多面体模型→CL数据；ƒ 曲面模型→偏置面模型→CL数据；„ 曲面模型→CC数据→无干涉CL数据。经分析，在大型雕塑曲面的五轴联动加工中一般采用第„种方法生成刀位数据，其刀位数据的生成过程如图2所示的流程。

　　3.1 五轴联动加工的刀位轨迹规划

　　针对雕塑曲面零件的各张曲面的特点，进行合理的刀位轨迹规划和计算，是在保证加工质量要求的前提下高效率加工出大型零件关键的技术之一。如大型叶片数控加工的刀位轨迹规划中，首先应考虑叶片的流体动力特性，确定和优化走刀路径。第二步应根据叶片曲面几何设计要求，控制和合理分配误差，采用适合各曲面的刀具几何形状和参数，合理确定走刀步长和走刀行距计算出刀具切触（CC）点的数据。大型曲面加工可采用等残余高度规划法搜索计算相邻的CC轨迹，完成走刀行距计算。在大型雕塑曲面的刀位轨迹规划中既要严格控制加工误差，又要尽可能提高加工效率。目前的CNC系统在五轴联动控制时一般只有线性插补功能，而五轴联动加工的各轴的联动规律是复杂的非线性关系，在CAM系统中，由弦弓高误差来近似确定加工误差和进给步长，而没有考虑回转轴的摆动长度对加工误差的影响。另外在大型叶片加工中，回转轴的摆动长度一般都相对较大，这些非线性误差对大型雕塑曲面加工加工尤为重要，可采用考虑三维非线性误差来计算走刀步长。第三步，应根据各曲面的曲率分布情况，确定合理的刀轴控制方式等，计算刀轴矢量，实现五轴联动刀位轨迹计算。

　　3.2 五轴联动数控加工的刀轴矢量计算

　　在五轴联动数控加工曲面的过程中，刀轴矢量是由定义在刀位轨迹上的局部坐标系（Frenet坐标架）的 λL（后跟角）和ωL（摆转角）两个角度来确定[2]。当 λL=ωL=0时，为刀具轴垂在于表面的端铣方式，当ωL=90°时，为刀具轴平行于加工表面的侧铣方式。刀轴控制方式是影响五轴联动加工效果的一个重要因素，其确定原则是获得高的切削效率，同时考虑加工中可能存在的刀具干涉现象。另外，它对于刀具的切削寿命、机床的受力状况等都有影响。五轴联动加工中刀轴控制的最高境界是具有随曲面变化的自适应能力，在避免干涉的前提下获得最佳的加工效果。由于问题的复杂性，目前的CAM系统中一般在五轴联动端铣加工方式提供了Sturz方法，即人工输入固定倾角，如何确定这两个角度便成为雕塑曲面的五轴联动加工刀位轨迹计算的关键问题。

　　在雕塑曲面零件的五轴联动加工刀位计算时，根据各张曲面加工的特点，确定其控制刀轴的姿态的两个角度。实际加工表明，λL和ωL值太大，不仅降低加工效率，而且恶化了刀具的切削条件。对于小曲率的曲面，采用大直径面铣刀，一般只需要调整λL即可。因此在实际工程中，为了提高计算效率，在确定刀轴矢量的时候，可以先不考虑刀杆与整个零件曲面的干涉(碰撞)情况而只考虑刀盘底面与加工点附近局部加工表面的干涉 (啃切)情况，其λL可以按如下的简化方法计算确定。

　　将通用加工刀具的刀具模型简化为半径等于有效刀具半径为Re=R1+R2sinλL的端铣刀，设加工表面的微分几何结构为凹椭圆点表面(即加工表面的主曲率K1和K2都大于零)，铣刀与加工表面切触于CC点，在CC点建立局部坐标系，设Kb和Kf分别为加工表面在CC点处沿b方向和f方向的法曲率。取Kε=max(Kf,Kb)，通过推导分析，要刀盘与切触点微区域间的不干涉，刀具的后跟角应满足：

　　sin λL ≧ KεRε (1)

　　由于刀具的有效切削半径Rε是随的λL变化而变化，并取：

　　λL = arcsin(KεRε )+2° (2)

　　根据加工表面的曲率计算分析[2]确定曲面的局部性态，在凹椭圆点外，双曲点、凹抛物点可按上式计算，对于凸抛物点和凸椭圆点， 取：λL =2°即可。