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三維曲面的數(shù)控加工
（作者未知） 2009/4/20
在機械加工行業(yè)中，隨著自動控制技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、精密測量技術(shù)及機械制造技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機床也得到了快速發(fā)展應(yīng)用�，F(xiàn)代模具設(shè)計與制造中，各種型腔型面設(shè)計日趨復(fù)雜，尤其是一些模具中的三維的曲面所占比例不斷增加，精度與粗糙度要求越來越高，即對曲面的加工提出了更高的要求。而在目前模具設(shè)計與制造過程中，包含三維曲面的模具基本上都是借助各種CAD/ CAM專業(yè)軟件進行建模、分模和通過自動編程，利用數(shù)控機床加工完成的。
目前對三維曲面零件的加工，以采用面銑刀沿曲面參數(shù)線方向進行加工為最佳加工方式，這種加工方式具有加工精度和加工效率高，零件表面質(zhì)量較好以及刀具切削狀態(tài)優(yōu)等特點。為了完成對曲面的數(shù)控加工編程，首先需要在計算機上造型出曲面的三維模型。
曲面的設(shè)計數(shù)據(jù)通常以點陣數(shù)據(jù)描述，而曲面點陣數(shù)據(jù)的來源主要有兩種方式：一種是通過設(shè)計手段，由設(shè)計人員根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計理論，通過計算得到這種點陣數(shù)據(jù)，其又常常是按一定規(guī)則有規(guī)律給出，三維造型相對容易；另一種是通過對手工制作的木模原型或者實物，采用三維測量儀器測量得到曲面的點云數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)點陣分布沒有準確的規(guī)律，曲面三維造型相對較難。所以，根據(jù)曲面原始數(shù)據(jù)點陣的不同情況，曲面的三維造型可分為規(guī)則點陣的曲面造型和不規(guī)則點陣的曲面造型。
創(chuàng)建曲面的方法很多，可以用點云直接生成曲面。曲面是以所掃描得到的點云數(shù)據(jù)為輸入數(shù)據(jù)來重新建構(gòu)曲面模型。得到產(chǎn)品的數(shù)據(jù)后，以反求工程軟件進行點數(shù)據(jù)的處理，經(jīng)過分門別類、群組分隔、點線面與實體誤差的比對后，再重新建構(gòu)曲面模型，產(chǎn)生CAD數(shù)據(jù)、制造或NC加工或RP制作，這部分即為后處理。目前在點云生成曲面的過程中，主要有三種曲面構(gòu)造的方案：其一是以B-Spline或NURBS曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方案；其二是以三角Bezier曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方案；其三是以多面體方式來描述曲面物體。因此只有采用“點云數(shù)據(jù)造型曲面”功能，而在CAMAND中還沒有類似功能，實踐中我們借助I-DEAS中的“Fit Points to Surface”功能，把點云生成曲面，然后在I-DEAS軟件中轉(zhuǎn)換為CAMAND文件格式，以其作為數(shù)控編程用模型。
刀具系統(tǒng)在加工面時對生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量起決定性作用。刀具的正確選擇和使用也是影響數(shù)控加工質(zhì)量的重要因素之一。在選用刀具系統(tǒng)時，必須首先從被加工年零件幾何形狀出發(fā)，合理采用刀具的種類。硬質(zhì)合金刀具由于性能優(yōu)異，加上制作工藝不斷改進和提高，應(yīng)用范圍越來越廣，已取代了大部分高速鋼刀具，包括鉆頭、立銑刀、絲錐等較復(fù)雜的通用刀具，在數(shù)控加工領(lǐng)域已占主導(dǎo)地位。粗加工時盡可能采用大直徑的飛刀，使用R2或R6硬質(zhì)合金刀片，半精加工時可選用高轉(zhuǎn)速高進給的R0.8鑲片立銑刀，精加工時可選用硬質(zhì)合金刀桿和高精度球頭鏡面刀片的整體合金刀具或涂層刀具，以保證加工質(zhì)量。
選擇刀具的直徑應(yīng)根據(jù)曲面零件的曲率大小來確定，原則是刀具半徑應(yīng)該小于曲面凹曲面的最小曲率半徑，但也不宜太小，否則將使加工效率降低。對于曲率半徑變化太大的曲面零件，也可以把整個零件劃分成不同區(qū)域，選擇不同直徑的刀具，以提高加工效率。
在對三維曲面的數(shù)控加工時，采用5軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認為，1臺5軸聯(lián)動機床的效率可以等于2臺3軸聯(lián)動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時，5軸聯(lián)動加工可比3軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。但過去因5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，其價格要比3軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍，加之編程技術(shù)難度較大，制約了5軸聯(lián)動機床的發(fā)展。當前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實現(xiàn)5軸聯(lián)動加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小。因此促進了復(fù)合主軸頭類型5軸聯(lián)動機床和復(fù)合加工機床（含5面加工機床）的發(fā)展。
在EMO2001展會上，新日本工機的5面加工機床采用復(fù)合主軸頭，可實現(xiàn)4個垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5軸加工可在同一臺機床上實現(xiàn)，還可實現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。德國DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次裝夾下5面加工和5軸聯(lián)動加工，可由CNC系統(tǒng)控制或CAD/CAM直接或間接控制。三維曲面零件的五軸聯(lián)動加工技術(shù)可以有效解決這類零件加工精度和加工效率之間的矛盾，這種技術(shù)涉及到計算機輔助三維曲面造型，計算機輔助制造及機械加工工藝技術(shù)等多學(xué)科綜合技術(shù)。
三維曲面零件在發(fā)電設(shè)備、汽車、飛機、模具等行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，其數(shù)控加工編程是這類零件制造中的難點問題之一。隨著現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)在機械加工行業(yè)的日益普及，逐步給機械加工行業(yè)帶來了革命性的進步，而且（未完，下一頁）
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