五轴联动功能在航空航天加工中的应用

潘云龙

【摘 要】航空航天的关键零部件设计中包含着大量的流体力学、空气动力学、材料力学等相关理论，构成的曲面形状也相对复杂。加工精度与设计精度的一致性直接影响到其安全性和可靠性。本文通过JBOS245型五轴联动铣床对某航空关键零部件进行具体加工操作，将产品的数学模型，刀具的选择，加工轨迹的生成等方面的相关技术进行总结。（由于涉及产品保护信息将此零件具体名称省略）

【关键词】曲面数学模型建立；数控加工；刀具轨迹规划；刀具轴控制

【Abstract】in the design of key parts of aerospace contains large amounts of fluid mechanics， aerodynamics mechanics of materials and other related theory， a curved surface shape is also relatively complex machining accuracy and consistency of design precision directly affects the safety and reliability Through JBOS245 type of five-axis linkage milling machine for some air key parts are specific processing operations， the mathematical model of the product， tool selection， machining trajectory generation has summarized the relevant techniques of protection information product （due to the parts name omitted）

【Key words】Surface mathematical model establishment； Nc machining； Tool track planning； Tool shaft control

0 前言

五轴联动加工技术是数控技术中难度最大、应用范围最广的高端加工方式，它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，主要用于对复杂曲面进行高效、精密、自动化的加工。在很多加工领域中，是一般加工方法所无法取代的[1]。现在国际上已经将五轴联动数控技术作为一个企业生产设备自动化程度、加工能力及加工水平的标志。五轴数控加工技术对企业科技力量和综合加工能力的提高有着的重要意义。加工中合理的使用数控机床的五轴联动功能，可大大提高多轴加工机床的加工能力，便于形成加工系统进一步的集成化。

1 数控加工中零件三维数学模型建立

三维表面数学模型是铣削加工零件的基础，由曲面组成表面复杂的三维数据，且大多为修剪曲面[2]。文中引用的零件为航空领域里的某关键零部件。因此产品的三维数学模型的曲面精度较高。零件最大长度为2000MM最大宽度为1800MM。图1中隐形网格外围边界为6MM宽11MM深的密封槽，中间网格为4MM宽3MM深的通气槽。各个沟槽的深度方向沿曲面法向，各个数据点的数据轴随曲面变化。与主表面相连接的曲面为主表面的法向面，加工的主要难点就是数据模型中的法向槽和主曲面相接的曲面的加工。

2 零件的技术分析

目前大多数数控加工方式只涉及到三轴联动，支持五轴联动的数控机床在国内还是很少，加工概念也只是沉浸在定轴加工方式。对于此种零件的加工，某加工单位曾试图采用3+2定轴轮廓铣削加工，并由两名工程师用时两周的时间将零件的原数据进行整理，绘制出零件的理论形状。问题在于3+2定轴加工方式只能在刀轴的垂直平面加工中才可以避免过切和欠切，如果在此零件曲面上进行如此大范围沟槽加工，过切和欠切现象依然难以避免。而且需要生成很多的加工子程序，各个子程序之间就会产生加工误差。而且对数学模型数据处理的实时性影响很大。

航天工业是最早应用数控技术的行业，应用水平也相对较高，尤其是五轴联动加工技术，许多技术仍属于专有技术范畴。而且五轴联动数控机床运动形式多样，与三轴数控加工在概念是有所区别的，三轴机床只在直角坐标系做沿着X，Y，Z轴的直线运动，同一段NC代码可以在不同的三轴数控机床上获得同样的加工效果。而五轴联动数控编程除了直线运动之外，还必须协调旋转运动的相关计算；如旋转角度行程检验、非线性误差校核、刀具旋转运动计算等。处理的信息量很大，数控编程表示极为抽象。五轴联动加工轨迹，是每一个传统数控编程人员都深感头疼的问题。

通过对零件几何数据分析：原始数据虽然只给出零件表面沟槽的中心线，同时沟槽方向变化频繁，但它的寬度是恒定的，完全可以通过控制刀具的加工路径来控制沟槽的宽度和深度。

3 加工轨迹的生成

数控加工中，生成高质量的数控加工刀具轨迹是关键的步骤之一。设置合理的加工参数，确定适宜的加工方式，是生成数控加工文件的前提[3]。

对于该零件的主曲面，构成曲面的数据面大多数都为修剪面。所以选择采用多曲面等间距连续加工的方法。数控机床加工自由曲面时需选用球头铣刀对曲面进行加工。在精加工中则要根据自由曲面表面的曲率半径来选择加工刀具；具体原则为：球刀半径要小于或等于所加工曲面的最小曲率半径。这样，加工出来的模型才能于数学模型所给出的形状一致。另外为使加工面光滑均匀，对刀具的进给深度和走刀速度也要合理确定[4]。

接下来讨论的主要问题是沟槽加工轨迹的正确性和流畅性问题。原则是：用最少的程序加工出合格的产品。加工轨迹的分段，加工轨迹尽量减少空行程[5]。

根据沟槽不同的宽度将刀具轨迹分成两部分。endprint

第一部分为外围密封槽，根据数学模型的几何形状的形成条件，为避免刀具轴的急剧变化和抬刀等空行程的产生，将它分成如图2中的两部分。通过对两个区域不同加工方案的制定来优化加工轨迹减少抬刀次数。

第二部分是通气槽刀具轨迹，在生成时，考虑到加工刀轨的流畅性，对图形中各个通气槽中心线进行了必要的整理，原则是：经过处理的数据必须保持原数据的原有几何性质与几何精度，同时必需考虑加工时可能产生的过切等问题[6]。通过对加工的可行性进行分析，将通气槽加工轨迹分成四部分进行加工更为合理。如图3所示，首先按曲面的经纬方向区分加工轨迹，确定两条加工路径的进给方式。再根据刀具轨迹的平滑程度和刀具轴的摆角变化，以最少的抬刀次数为原则，将刀具轨迹分成图3的四部分

根据数据处理结果与原数据保持一致的原则[7]。形成密封槽中心线是投影在曲面上的曲面曲线，所以可以直接引用。形成通气槽的网格曲线同样无须整理，但需要根据加工轨迹的流畅性将其连接，连接曲线是将密封槽曲线在通气槽相交处打断，保留刀轨引用的连接曲线。将通气槽中心线连接的目的除了为了防止加工中过切和加工轨迹的流畅外，还避免加工的空行程减少加工中的抬刀和进刀次数。经过处理的曲线即为几何体的加工轨迹引导曲线。

4 驱动加工轨迹

在多轴加工中，加工轨迹的生成有多种驱动方式，编程的技巧性很强。但必须遵循两个原则：第一驱动点从驱动几何体上产生；第二将驱动点沿投射方向投射到零件几何体上[8]。驱动几何体的方法就是驱动点的轨迹生成的方法。该零件沟槽加工轨迹的驱动点就是对应上文介绍的加工轨迹的曲线产生的。本零件的驱动几何体就在零件的加工表面，所以无论在任何方向投射，在零件表面生成的刀具轨迹都是正确的。对于刀具轴的控制，在产生加工轨迹时充分分析了零件表面的材料性质，并根据数据的要求必须应用零件表面法向刀具轴，加工出来的零件才是正确的。

5 零件的加工

在零件加工中，其最重要的加工的原则就是在最短的时间内加工出能达到技术要求的高质量零件。而在数控加工则更应该将所有加工工艺考虑全面细致，将加工中所有可能出现的问题进行列举，并提出解决方案。在零件装夹到机床前进行解决，避免二次装夹造成的精度误差。

此次加工的零件为铝质板材经过整形后形成的曲面毛坯件，属于薄壁类零件。在加工过程中很容易产生加工变形，所以加工中不宜使用较大直径的刀具。根据此类零件的材质和其加工的特殊性，在型面的加工中采用φ20球头有色金属铣刀进行加工，并加工时加注切削液防止铝板在加工中由于温度升高产生变形。

根据沟槽的宽度在加工沟槽时分别选用φ4、φ6加工色金属用的端面圆柱铣刀。由于是应用五轴联动加工程序进行沟槽的加工，为了防止加工是发生刀具干涉，所以加工前要细致检查程序的摆角数据，选择适当长度的刀柄防止刀柄过长产生碰撞干涉，并注意加工过程中五轴头摆动的极限位置，以防止出现相关的过切干涉[9]。

6 结束语

在工作生产中我们应该在应用中多研究工件、机床、加工方式和编程方法的匹配特性，发现并利用先进机床所具有的性能，不断尝试实用新的技术进行加工生产，并不断积累先进的编程、加工经验，这对于个人乃至行业的发展都是一种不小的贡献。

【参考文献】

[1]杜玉湘，陆启建，刘明灯.五轴联动数控机床的结构和应用[J].机械制造与自动化，2008，（03）：14-16+20.

[2]刘峰.五轴车铣复合加工功能关键技术的研究[D].中国科学院研究生院（沈阳计算技术研究所），2014.

[3]闻邦椿.工业机器人与数控技术.机械工业出版社，2014.12.

[4]肖诗纲编.刀具材料及其合理选择[M].机械工業出版社，1990.

[5]陈光明.基于数控加工的工艺设计原则及方法研究[J].制造业自动化，2005，（09）：54-59+72.

[6]吴宝海，罗明，张莹，李山，张定华.自由曲面五轴加工刀具轨迹规划技术的研究进展[J].机械工程学报.2008（10）.

[7]王素玉，姜斌.基于UG的曲面设计与数控加工仿真[J].煤矿机械.2013（02）.

[8]贺明.面向叶轮的五轴数控加工方法与UG二次开发研究[D].广东工业大学，2014.

[9]霍颖，杨茂奎，陈益林.多轴数控加工刀位轨迹的生成技术综述[J].新技术新工艺，2004，（12）：27-29.

[责任编辑：朱丽娜]endprint