梁振锋+陈义

[摘 要]随着我国数控加工行业的不断发展，旨在提高我国自由曲面加工的精度。尤其是计算机辅助数控加工技术的不断发展和成熟，只有规范自由曲面数控加工的轨迹，才能最大程度地提高其加工的精度。决定数控加工精度的一个重要因素就是准确地控制加工刀位的轨迹。因此，提高自由曲面数控刀位加工的质量显得非常重要。

[关键词]自由曲面；数控；加工刀位轨迹；加工精度

中图分类号：F444 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）03-0381-01

前言

目前，随着我国自动化制造的不断发展，工业上的很多零件，包括涡轮发动机的叶片等构件都是采用自由曲面数控加工的，其作为重要的一点就是提高其加工的精度和质量，这就要求准确地控制好自由数控加工刀位的轨迹。与此同时，人们也越来越重视自由曲面数控加工精度的重要性，这也对我国的数控加工行业提出了更高的要求。比如，在使用球面铣削曲面进行加工时，刀具的位置相对来说比较好确定，数控加工的程序也不难，只需要数控加工工作人员做好两维空间的刀法补偿即可，这样就能达到制作工件表面的几何形状精度要求。当然，影响数控加工精度的因素很多，在此笔者无法逐一列举出来。通过调查研究表明，自由曲面数控加工刀位的轨迹是影响其加工精度的最重要因素之一，包括提前计算好切削步长和后跟角、过切干涉的检查、提前规划好数控加工刀具的轨迹、数控加工工作人员的水平等，这些都是影响零件数控加工精度的重要因素。因此，提高自由曲面数控加工刀位的轨迹至关重要。

1.提前计算好切削步长和后跟角

目前，在进行自由曲面数控加工时，一个重要的工作就是提前做好切削补偿和后跟角的计算，这样才能控制好刀位的轨迹。在数控加工工程中，刀位轨迹上的小直线段成为切削步长，我们都知道，只有控制好切削的步长，才能提高数控加工的精度。例如，采用端铣刀加工曲面零件时，为了避免刀的底部与加工零件表面发生干涉现象，这就要求我们提前计算好后跟角。在数控加工中，刀具进出方向与加工零件表面法向方向会有一个倾斜角度，就是我们所说的后跟角。当然，如果刀具的有效切削半径大于加工零件的曲面半径，这种情况很容易发生上述的干涉，一旦遇到这种现象，就要求加工工人采取措施减小有效切削半径。因此，提前计算好切削步长和后跟角对于提高数控加工的精度是非常重要的。

2.规划数控加工刀具轨迹

通过总结我国自由曲面数控加工的经验，刀具轨迹规划技术可以分为很多种形式，包括点涉法、等距面法和多面体法。以下，我们重点介绍点涉法和多面体法在自由曲面数控加工中的原理。第一，点涉法原理。如图1所示，首先，数控加工工人要在被加工零件的曲面上切成一个平面，然后在这个切好的平面上找到一个可以容纳非球面的空间，这样可以避免非球面刀面和被加工曲面发生干涉。如果不提前找准切面上的支点，就很容易导致非球面切刀与被加工曲面发生干涉现象。因此，规划自由曲面数控加工刀具的轨迹至关重要，这有利于提高数控加工的精度。

第二，多面体法原理。所谓多面体法，是指将加工零件的曲面实现多面体化，用三角平面替代参数化曲面，然后利用三角平面确定计算刀位点的离散点，再结合古典微积分几何算法，计算出刀位点的轨迹，如图2所示。当然，三角化的计算是精心设计好的，同时加工刀具接触点的切削步距也是提前计算和确定好的，这样就能精确地解决之前无法精确计算出的切削步距问题。与此同时，这样也更加方便数控加工工人检查加工刀具与三角平面的是否相交。但是，对于多面体法来说，一个重要的特点是，只有设计的多面体越精确，数控加工的曲面精度就会越高。因此，无论是采用点涉法还是采用多面体法来规划数控加工刀具的轨迹，只是参考的工作原理不同，其目标是一样的，都是要通过提前规划好数控刀具的轨迹来提供其加工精度。

3.过切干涉检查

在自由自由曲面数控加工的过程中，一个比较难解决的难题是发生过切和干涉，尤其是在高精度数控加工当中，解决过切和干涉问题的难度会更大。通过总结数控加工中发生的干涉现象，我们发现包括两种类型的干涉，即全局干涉和局部干涉。当数控加工的刀具切割零件曲面的某一部分时，刀具与曲面的某一部分不可避免的会发生碰撞，这样就会发生所谓的全局干涉。然而，当加工零件的曲面曲率大于刀具的曲率时，就会容易发生所谓局部干涉。所以，为了防止局部干涉的发生，数控加工工人一般采用直径较小的刀具。当然，在采用多曲面数控加工环境更加复杂的情况下，就很容易导致过切现象，主要体现为接触曲率不连续和曲面之间存在间隙两种现象。其中，曲面不连续现象主要发生在零件表面之间的连接处和间隙发生的自由表面边缘。一旦不解决好曲面不连续这种干涉现象，将会直接影响自由曲面数控加工的精度，最终就会影响到零件数控加工的质量。当数控加工精度检查工作人员判定加工零件的某点为干涉接触后，数控加工工作人员就应该将刀具的干涉点位置提高为最大值，从而使得导致的干涉接触点不会在加工零件上留下痕迹。当然，不是数控加工零件上的每一个曲面曲线都需要进行干涉检查，只需要抽检，如果发现了数控加工零件上有干涉点出现，其他的零件就应该全部留下来而需继续进行加工。因此，过切干涉检查是提高自由曲面数控加工精度的一個重要环节，但是很多数控加工单位并不重视过切干涉检查这一工作环节，从而导致很多数控加工零件的精度达不到标准要求。

4.立铣刀加工的精度

有过自由曲面加工经验的人都知道，加工零件过程中相邻两次刀位留下的刀痕高度对自由曲面加工的质量具有直接影响。一旦刀痕的高度不一致，这对零件自由曲面数控加工的表面粗糙度具有直接影响。因此，对数控加工工人来说，在进行自由曲面数控加工之前，对于不同的铣刀进行曲面加工时，切刀的刀痕厚度需要提前计算好，以便数控加工人员能够更好地控制加工刀位的轨迹。通过多年的加工经验表明，影响铣刀加工零件表面粗糙度的因素很多，包括铣刀的半径、铣刀的倾斜程度和被加工零件表面的曲率半径等。只有综合评估这些影响因素，否则就会影响到铣刀数控加工的质量。当使用球型的铣刀进行数控加工时，铣刀的刀痕厚度与铣刀的倾斜程度没有直接关系；而用立铣刀进行数控加工时，铣刀的倾斜程度与接刀刀痕的厚度就有直接关系。如果铣刀的倾斜程度越小，就会导致接刀刀痕的厚度越小。因此，数控加工工作人员应该重视立铣刀数控加工中应该注意的方面，其数控加工精度才能达到标准设计的要求。

5.结语

综上所述，由于影响自由曲面数控加工精度的因素很多，在此我们无法逐一列举出来，我们重点阐述了自由曲面数控加工刀位轨迹对其加工精度的影响。当然，提高数控加工精度需要综合考虑其他方面的因素，这也对数控加工工作人员的专业素质提出了很高的要求。即要求他们提前计算好切削步长和后跟角就是一个难度较大的工作，更不用说检查过切和干涉等。因此，控制好自由曲面数控加工刀位的轨迹对于提高其加工精度具有非常重大的现实意义。

参考文献

[1] 刘雄伟.数控加工理论与编程技术[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2] 李晓鹏.自由曲面数控加工刀位轨迹规划及仿真研究[J].沈阳航空航天大学，2012.

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[4] 张和明.复杂曲面五坐标数控加工干涉检查及刀位修正[J].清华大学学报，2016（2）：25-28.