大型雕塑曲面零件五轴联动数控加工技术

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→手工铲磨→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镗铣床和一些优秀的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三维模型。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。

图1 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。

图2 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。

图3 规则点阵雕塑曲面模型

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正基准，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，最大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。

2．大型雕塑曲面零件的数控加工刀具选择

对于大型雕塑曲面零件的五轴联动数控加工用刀具，以采用大直径面铣刀加工为佳。目前比较著名的刀具制造商有Sandvik、Ingersoll、Kenname
tal、Seco等，其中Sandvik的CoroMill 200系列圆刀片面铣刀，特别适合雕塑曲面零件的半精加工和精加工；Kenname
tal公司的220/221系列刀具具有耐冲击和刚性好等优点，适合粗加工快速大吃刀量加工，图5所示的是Sandvik和Kenname
tal公司的刀具图片。选择刀具的直径应根据雕塑曲面零件的曲率大小来确定，原则是刀具半径应该小于雕塑曲面凹曲面的最小曲率半径，但也不宜太小，否则将使加工效率降低。对于曲率半径变化太大的雕塑曲面零件，也可以把整个零件划分成不同区域，选择不同直径的刀具，以提高加工效率。

四、五轴数控加工刀位计算和仿真

雕塑曲面零件的五轴联动数控加工刀位计算方式在CAMAND软件中有INTERP（插值）、NORMAL（法向）、TILT（倾斜）和TANGTO（切向）等多种方式，但对于大型雕塑曲面零件，最常用的是以TILT方式来加工，这种加工方式加工时的刀具轴和切削点曲面法矢成一定的前后倾角（Lead/Lag Angle）或侧倾角（Right/Left Angle），图6所示的是TILT方式刀轴示意图。

1． 五轴联动数控加工刀位计算

在CAMAND软件中，用TILT方式加工雕塑曲面零件，其刀位计算过程：首先选择“Numerical Control”的“Flowline Surfaces”功能，“Flowline Surfaces”这种加工方式实际上就是沿曲面的参数线方向加工；其次设定刀位名称（可用“New” 或“Rename”功能），选择加工坐标系和起刀点，再输入相应的刀具参数（刀具直径、刀具长度、切削刃形状尺寸、切削参数等），设置好进出刀参数，选择干涉检查曲面及设定参数后，再点击刀位计算功能，选择加工曲面并定义切削方向以及刀轴控制方式TILT方式，一般设置加前倾角，即沿切削方向前倾一个2～10°的角度；最后完成该曲面的五轴联动加工刀位计算。图7所示为一雕塑曲面的五轴加工刀位。

图7 某雕塑曲面的五轴加工刀位

2．切削仿真和机床仿真

对于大型雕塑曲面零件，由于毛坯造价高，而且为了机床、刀具和工装的安全，在五轴联动数控加工刀位计算完成后，必须进行切削仿真和机床仿真，检查刀位的正确性，最后得到的加工程序能用于实际生产制造。在CAMAND软件中，有一套简单的切削检查和机床仿真，可满足普通仿真要求。如果需要更精确地仿真工具，则应采用更专业的CGTech公司的Vericut软件。该软件不但可进行切削仿真和机床仿真，而且还有可以优化刀位轨迹等特点。在这里仅简单描述在CAMAND软件中的仿真。

对于五轴刀位的切削仿真，可检查和修正刀具在前序五轴刀位计算中的过切现象。一般，首先把被加工面渲染着色，然后用“Simulation”功能对刀位逐步模拟并检查刀具的干涉情况，若有过切和碰撞发生，就必须重新计算或修改刀位。对于机床仿真，我们主要检查NC铣头（大型五轴龙门镗铣床多是两轴NC铣头方式）与工件、夹具的干涉情况，因此，可以根据实际机床NC铣头形状及尺寸建立NC铣头的三维模型，然后利用“Simulation”功能再加上NC铣头进行机床仿真，可以检查出NC铣头、刀具与夹具、工件的干涉情况。机床仿真图片如图8所示。

五、五轴刀位的后置处理

在完成曲面的五轴联动加工刀位计算后，还需通过后置处理技术来完成中间刀位文件转换成数控机床能识别的G代码程序。在CAMAND中的刀位文件是以刀尖点坐标和刀轴矢量给出，那么后置处理就必须把刀位数据转换成X、Y、Z、B、C坐标值。根据特定机床的数控系统和机床参数（如各坐标轴行程，最大进给速度、转速等）设计后置处理器，然后利用CAMAND的Main NC 中的后置处理功能，把五轴刀位数据转换为机床数控系统可执行的G代码程序。

六、结束语

大型雕塑曲面零件的五轴联动加工技术可以有效解决这类零件加工精度和加工效率之间的矛盾，这种技术涉及到计算机辅助三维曲面造型，计算机辅助制造及机械加工工艺技术等多学科综合技术。笔者将研究得到的技术成果实际应用到大型水轮机转轮叶片的五轴联动加工中，取得了很好的技术经济效益，大大增强了我公司市场竞争力。