样条插补技术在航空机匣零件加工中的应用

周代忠，于 涛

1.中航工业黎明机匣加工厂，辽宁沈阳 110000

2.中航工业黎明国际动力公司，辽宁沈阳 110000

0 引言

随着航空发动机行业的发展和进步，对航空发动机的寿命要求将变得越来越长，国内外相关实验都表明，提升航空零件的表面加工完整性是延长零件抗疲劳周期，实现发动机长寿命的关键环节之一，因此，航空发动机零件的表面加工质量提升将变得十分重要。

如何提升零件的表面加工完整性，国内外进行了大量的技术研究，在数控加工行业，针对在复杂型面加工中直线插补存在以直带曲缺点，逐渐发展起来一门新的编程加工技术，样条插补加工，其带给复杂零件加工更高的效率、更好的表面质量，其优越性近年来逐渐得到了众多制造企业的认可。在CAM软件编程方面，如UG软件，逐渐开发了样条插补功能，来满足数控加工的需要。

1 样条插补和程序段压缩器简介

样条插补加工主要为两种方式：1）通过NC程序段压缩器将一定数量线性插补程序段压缩为公差允许的样条曲线加工；2）ploy格式的样条程序加工。

1.1 NC程序段压缩器

CAD/CAM系统通常提供线性程序段，它们执行参数化的精度。在轮廓比较复杂时这会导致数据量的大幅提高，并可能造成较短的轨迹区段。这种较短的轨迹区段会限制加工速度。

压缩器会使一定数量的（最大10）这种较短的轨迹区段合并为一个轨迹区段。使用模态G代码 COMPON 以及COMPCURV 可以启用一个 "NC程序段压缩器"。使用此功能，在线性插补时汇聚了一系列直线程序段（数量限制为10），并且在由机床数据设定的误差公差范围内近似于3级多项式（COMPON）或者 5级多项式（COMPCURV）。取代许多较小的程序段，而是加工一个较大的运行程序段。

COMPCAD是最常用的压缩器指令可以压缩计算时间和存储空间。只有当CAD/CAM的程序没有事先采取表面优化的措施时才使用。

1.2 多项式插补 (POLY)

就本义来说，多项式插补（POLY）并不是一种样条插补。首先它是用作编程外部产生的样条曲线的接口。在此样条区段可以直接编程。这种插补方式使NC不用计算多项式系数。当系数直接从CAD系统或者后置处理程序中产生时，可以优化使用。

编程方式：PL=n 三阶多项式或者扩展成五阶多项式和新的多项式语法

2 机床样条插补和压缩器功能配置情况

样条插补和程序段压缩器功能是作为高端选配功能，一般在高端数控机床才有配置， 在西门子数控系统中，样条插补和压缩器功能作为循环CYCLE832（）高速设置的部分功能，这个循环CYCLE832（）集成了加工方式、待加工轮廓的公差带、精磨削、NC 程序段压缩器、预控制、冲击限制、5 轴转换7个方面的问题，在零件的数控加工中，可以根据加工需要，在机床上设置完后，直接插入程序中，将线性插补程序通过压缩器压缩成公差允许的一段样条程序，根据加工阶段的不同，设定不同公差，路径控制，使表面质量、精度要求，切削速度三者之间得到平衡，如粗加工，切削速度最重要，表面质量和精度要求不高，这时提高加工过程的稳定性，可适当提高公差，使更多的线性插补程序段压缩成一段样条。

为了使样条插补功能与机床结构匹配，一些机床厂家借助机床数控系统高级指令，根据机床的软硬件配置，创建一个集成功能机床程序，供编程人员和操作者使用，如德国BOKO机床的TOL（）函数。

3 UG软件样条插补编程

3.1 样条插补数控机床后置处理器创建

随着版本升级， UG软件后置文件逐渐完善，在6.0以上版本中已专门开发了样条插补插件，在UG/Post_Builder中设定完具体机床格式后，在程序的开始设置中增加PC_CMD_ NURBS_INITIALIZE样条插补初始化内容，实现POLY样条插补输出。

3.2 输出运动设置

UG软件常见的走刀轨迹输出方式有两种：线性、圆弧，但在固定轴、平面铣和型腔铣加工中都支持Nurbs输出，为了满足加工精度要求，需要在UG编程的操作中对机床运动的样条插补进行设置。根据加工阶段的需要，对拟合样条公差进行设置，公差越大，程序数量越少，但失真的程度越大，一般情况下，拟合公差取公差带的1/4。

通过和用线性插补程序的比较，在样条公差设置为0.0254时，程序量减少了5倍，随着公差的加大，程序数据量将更小。

4 加工效果

航空发动机机匣零件的外形面多为锥面、曲面，使样条插补具有了广泛的应用空间。POLY样条插补是840D控制系统的基本高阶函数，每个机床都能支持，但由于目前UGNX只支持Siemens的固定轴、平面铣和型腔铣加工的Nurbs输出，变轴铣目前还不具备条件。因此，应用时，在四、五轴加工中，采用在线性插补程序中加入CYCLE832（）或机床厂家提供的样条插补程序。

在通常的连续的小段位移线性插补程序加工中，刀具的切削力不稳定，造成加工过程刀具的不断震动，刀具寿命降低，加工效率很难调高， 样条插补功能的应用，使走刀轨迹更加流畅，加工中机床的功率更加平稳，刀具的寿命得到改善。采用POLY样条插补加工，表面质量明显比采用GO1直线插补在相同的加工速度下要高。

在一些要求高尺寸精度要求的表面加工前，为了满足要求，应该提供精确的模型进行编程，结合样条插补功能，来提高加工精度等级。

5 结论和展望

对CAD/CAM系统直接采用POLY样条插补编程，加工程序的数据量得到很大的降低，改善了刀轨流畅性，加工精度以及表面光洁度提高了一个档次，尤其是曲面加工上，由于机匣零件外形面多为曲面，采用样条插补加工后机匣零件表面加工质量，加工效率，刀具寿命提高明显，随着应用的不断深入，样条插补技术对提升机匣零件加工表面的完整性，延长零件的抗疲劳周期方面将发挥更大的作用。