国内复杂曲面加工的不足及改善

罗诗林

摘  要：随着我国科技水平的不断提升，大到航空航天、能源开发，小到工程模具和人们日常出行使用的交通工具、生活用品等领域，都可见到具有复杂曲面的产品。由此可见，复杂曲面具有非常好的研究和应用前景，已逐渐成为当今的科研热点。

关键词：曲面加工;数控机床;工程模具;检测设备

中图分类号：TH161+.1            文献标识码：A               DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.093

1  曲面加工中存在的问题

我国曲面加工中存在的问题体现于以下3方面：①目前，绝大部分机床都是从国外进口的高档多轴数控机床，这是因为我国研发多轴数控机床的起步较晚，很难达到高精度切削、加工复杂曲面的目的。虽然我国已经开发并投放到市场一批多轴数控机床，但是，其加工效果并不能达到要求，一些关键零件仍然依赖于进口，特别是对于控制和检测系统，还要进一步加大研发力度。②虽然我国很多公司都开发了各具特色的多轴数控机床，但其中的一些基本问题仍未解决。普遍存在的问题是缺乏对高精度复杂化曲面加工软件的开发，而加工软件对整个机床的正常运行起着关键性的作用。③关于检测系统和检测仪器设备的研发有待加强。复杂曲面加工检测需要高档检测仪器的支持，否则，会产生明显的错误，进而导致加工产品不达标。传统的检测方法难以检测复杂功能表面及其关键机构参数，而高档检测设备可在复杂零件的法剖面和端截面截形，进而间接测量、检测零件的结构特征和尺寸。

2  曲面加工的要点和改善方法

2.1  兼顾力学特性与美学设计

加工设备满足了指定的工艺中的力学特性和功能时，产品表面便可达到数学方面的高精度层次，而人们对产品外观的满意度取决于产品的美学设计。复杂曲面的设计和制造技术可决定其自身的发展和实现各种要求的难易程度。比如，曲面反求技术、造型设计技术决定了复杂曲面的设计技术;复杂曲面的刀具加工和光学自由曲面加工技术决定了复杂曲面的加工技术;各种关键的零部件和可靠的高精度高灵敏控制系统决定了复杂曲面加工设备的可靠性。曲面加工是机械加工中的重要组成部分，也是复杂的项目之一。近年来，市面上大多采用了数控加工技术，数控加工也逐渐成为机械加工的主要方式之一。值得注意的是，加工设备、加工工艺和操作人员都是加工过程中的关键因素，直接影响着产品的质量。

2.2  改良粗加工

在曲面加工中，粗加工是一道必要的加工工序，但是在大型工件的加工中，加工表面往往会存在明显的粗糙、变形现象。在实际加工中，会出现走空刀的现象，这会降低加工效率。由于毛坯工件的加工难以控制，所以，精加工余量的控制必须得更加得当。安装工件时，一定要均匀地分配加工余量，这样可减少走刀加工量，从而使复杂曲面的加工效率提升一个档次。传统的机械加工夹具对高精度的要求比较低，特别是对于大型加工工件而言，加工质量和参考点的确定无法得到保障。虽然数控机床曲面加工技术的发展较快，但依旧存在很多不足之处，比如曲面加工操作不当、参数与刀具不匹配等，这都对数控曲面加工产生了很大的影响，特别是在复杂曲面的加工中尤为明显。数控机床经常出现非正常运行的情况，这是因为加工人员的素质较低，无法及时发现并排除机床中的安全隐患，进而导致机床产生故障。

2.3  健全建模理论

建模理论主要利用回归分析法计算机械的切削力系数。一些理论问题往往需要经过反复论证才能确定，比如加工速度、走刀路径和进给量等都可通过模型计算出最好的加工参数。因此，应加强计算机对曲面的匹配能力，以及时控制刀具的走刀路径和走刀反馈，从而做到精加工。

2.4  强化加工理论，提高加工水平

曲面加工需要确切可行的加工理论。目前，有一种高效率的加工技术可在曲面加工中发挥很好的作用——数控高速加工技术。但我们需要使切削负载更加稳定和刀具切削仿真机制更加严格。市场上很多的加工数控机床中均存在一定的缺陷，这是导致曲面加工不达标的主要原因之一。要通过了解现有的机床加工技术，全面提高对高精度、高灵敏度机床的研发速度，从而改善现有的加工状况。应开展专业的复杂曲面加工培训，从而提高加工人员的专业。此外，还应教育加工人员严格遵守规范，以防出现错误的加工行为。

2.5  合理选择干涉面

干涉面的选择是非常重要的，比如，在曲面平行铣削时加工面的周围和其他表面，如果干涉面的选择合理，则可避免刀具被撞坏，也可避免不需要加工的面被损坏。因此，合理选择干涉面减少人为操作埋下的安全隐患，从而提高生产效率。

2.6  合理选择数控加工中的刀具

在复杂曲面的数控加工中，刀具的选择是非常严格的。要想具有较高的加工效率和稳定的走刀轨迹，就必须配备高刚度、高精度、高耐久度、较好的断屑和排屑性能、计算功能的刀具。数控机床刀具的使用次数会影响加工效果——刀具使用的时间越长，磨损程度就越大。因此，在加工过程中，一定要考虑刀具磨损变形的问题，并根据不同的磨损程度整体优化加工参数。值得注意的是，必须以数控刀具的方法替换传统的定位方法，从而达到高精度加工的目的。目前，环形铣刀、球头铣刀、平头铣刀、圆锥立铣刀和鼓形铣刀是加工曲面的主选刀具。在数控加工自由曲面的应用中，应用最广泛的是球头铣刀，这是因为它的适应能力强，且刀具轨迹计算方便，进而在三坐标加工中得到了广泛运用。随着数控机床加工技术的日新月异，平头铣刀、环形铣刀等刀具在四、五轴数控机床中的应用越来越多，提高了曲面加工的效率和切削性能。

2.7  合理运用模拟加工软件

可运用计算机模拟仿真加工软件更快、更好地提高曲面加

工的效率和质量。在加工过程中，所需的参数都可在模拟仿真软件中得到分析和论证，从而确定出更加合适的加工参数，也可以用此类软件分析、研究刀具的走刀轨迹，以改善刀具的设定参数。由此可见，采用专业的加工软件对提升曲面的加工效果是非常明显的。

3  结束语

目前，我国的复杂曲面加工技术还有很大的发展空间，计算机技术、新兴材料的引入对改进复杂曲面加工有很大的促进作用。因此，应从机床的控制反馈和检测系统、加工软件、高性能刀具和人员的操作技术水平等方面加强我国的多轴数控机床复杂曲面加工技术。

参考文献

[1]丁汉.复杂曲面快速测量、建模及基于测量点云RP和NC加工[J].机械工程学报，2003，39（11）：33-36.

〔编辑：张思楠〕

Problems and Improve the Domestic Complex Curved Surface Processing

Luo Shilin

Abstract： With the level of Chinas science and technology constantly improve， to aerospace， energy development， small to engineering mould and people travel daily use traffic tools， daily necessities and other fields， can see products with complex curved surfaces. Thus， the complex surface has the research and the application prospect is very good， has gradually become the hotspot of scientific research today.

Key words： surface machining; numerical control machine tool; engineering; testing equipment