复杂曲面数控加工技术及其应用研究

蔡琪琳

（四川幼儿师范高等专科学校，四川 绵阳 621700）

引言

与其他数控加工技术相比，复杂曲面数控加工难度等级较高、复杂程度较大。也正是基于复杂曲面数控加工技术这一特性，被应用于环保装备、汽车、航空航天等高端制造领域。随着我国产业转型升级的逐步推进，我国制造业也逐渐迎来了其发展的黄金阶段。

1 复杂曲面数控加工技术概述

复杂曲面造型的“复杂”之处在于其有别于长方体、正方体等常规三维曲面构图方式。在一般的三维曲面构图结构中，空间结构主要由三个垂直面以90°的垂相交的形式来构成。由于自由曲线带有一定的任意性，难以用直线、圆弧以及二次曲线予以描述，而自由曲面更是难以用菱形、平面等基本立体要素予以界定。

基于复杂曲面的上述特点，对于复杂曲面的数控加工主要包含了曲面造型、数控编程、数控机床加工三个主要方面。从构图的复杂程度上来讲，复杂曲面的数控加工又可以被细分为三坐标曲面加工、五坐标曲面加工。其中五坐标曲面加工对应的是五轴数控加工技术，被业界普遍看做目前数控加工技术领域应用范围最广、难度最大的技术，它通过计算机控制、精密加工、高性能伺服驱动等技术的结合，可以实现平滑、连续、复杂曲面的自动化加工。在数控加工领域，当人们在复杂曲面设计、制造方面遇到难以解决的问题，就会诉求于五轴加工技术。在产业升级的新时期背景下，随着各行业对生产质量的高要求，复杂曲面作为一种高难度的造型方式，被广泛运用到了汽车、造船、航空等高精尖领域的零部件构造中[1]。

2 复杂曲面数控加工技术优势特点

2.1 加工自动化

与传统工件加工中所普遍使用的量规、夹具不同，由于复杂曲面结构的特殊性，在加工过程中必须结合其设计要求，进行高精度量规、夹具等的重新制作。并且这种结构上的复杂性，更是增加了其结构测量参考点的辨别难度，导致测量人员无法对复杂曲面工件作出准确、快速定位。而数控加工技术的加入，使得复杂曲面的测量、加工可以利用网络操作系统来实现，操作人员即使不在现场，也可以通过简单的数字远程操控，顺利完成复杂曲面零部件加工的装卸、定位以及更换刀具等操作，还可以在远程监控系统的辅助下，实现对零部件加工过程中温度、时长等的自动化监测管理。这不仅最大程度上降低了复杂曲面数控加工难度，更大大减少了加工任务量，实现了生产制造效率的提高[2]。

2.2 精确度较高

复杂曲面加工有着较为复杂的工艺生产流程，需要先对零件毛坯进行简单的粗加工处理，进行机械切削。但由于零部件生产加工材料以及制作工艺等因素的影响，导致零件毛坯在粗加工过程中，极易发生变形，加之曲面结构的复杂性，使得毛坯各处变形呈现出了不规则、不均匀的特点。这就造成了复杂曲面零部件的切削质量问题，毛坯在切削过程无法始终紧贴刀片，出现空走刀的情况。不仅难以保证复杂曲面粗加工效率，更大大降低了其加工精度。应用数控加工技术进行复杂曲面加工，可以在计算机编程设计的基础上，实现对切削位置、深度、力度等的准确计算，确保切削定位的准确性。数控加工技术中的自适应控制系统、数控软件仿真系统等可以在模糊技术、传感器技术、专家系统和人工神经网络等核心技术的作用下，对复杂曲面毛坯的制作材料进行物理仿真分析，并对切削过程中的切削量、切削力度大小变化情况进行数据模拟，自动化优化调节机械加工状态，使复杂曲面的机械加工过程更具稳定性，大大提高了复杂曲面加工的精准度。

2.3 创新更便捷

复杂曲面零部件的加工制造是由数控机床完成的，虽然相关加工刀具的使用能够最大程度提高复杂曲面加工效率，但仍会受到机床性能的影响，尤其是加工所选刀具、工艺等相关参数的差异性，容易导致复杂曲面部件加工需求与实际刀具出现不匹配的问题，最终降低了复杂曲面部件加工质量。面对复杂的情况，可以在数控加工技术的辅助下对机床相关机器数据进行智能化编辑，促使机床数据更符合复杂曲面的数控加工要求。尤其是在五轴联动数控加工技术的作用下，通过对精密加工、高性能伺服驱动、计算机控制等的运用，对机床工艺加工流程进行事前设计，明确机床夹具型号、规格、切削用量等具体工艺参数，对刀具空间位姿进行智能操控，明确刀具的具体行动轨迹，为复杂曲面数控加工的创新提供了极大的便捷。

3 复杂曲面加工中运用到的数控加工技术

3.1 数据获取技术

复杂曲面数控加工技术的开展，需要建立在大量复杂曲面部件加工相关数据信息采集的基础之上，为后续一系列自动化调控工作的开展提供科学依据，使复杂曲面数控加工更具精细化。在照相法、CT 成像和激光扫描等一系列数据测量设备及方法的作用下，操作人员可以迅速获取到与复杂曲面加工相关的各类准确数据，包括部件结构数据、设备状态、消耗物料、工时消耗、设备OEE 以及现场环境数据等。以工时消耗数据信息采集任务为例，目前在数控加工领域，一般采用写实测时法对加工工时消耗进行信息采集。即将关注的视角对准某一项工序的作业情况，通过对该工序作业流程的拆分，在录像机、秒表以及机床显示仪等的辅助下，对作业流程相关组成要素的工时消耗进行重复的周期性测量，以此来获得相关数据信息。

3.2 曲面匹配技术

复杂曲面数控加工离不开曲面匹配技术的运用，这是确保复杂曲面数控加工精准度的一个重要关键技术，可以对同一曲面的不同坐标系空间进行精准定位。曲面匹配技术的运用，免去了传统机床夹紧、定位方法中频繁调整而造成的定位不准的问题，大大提高了曲面匹配效率。复杂曲面数控加工的曲面匹配技术，主要包含了以下内容：一是依据复杂曲面部件在三维曲面下的相关对应点信息，进行匹配要素的合理选择，确保复杂曲面部件在特征、空间信息等方面与对应点的一一对应。二是依据欧氏距离度量法，参照已经确定的曲面匹配特征，在另一曲面匹配中进行详实特征的寻找。

3.3 逆向工程技术

逆向工程是相对于以“图纸—模型—产品”为流程特征的正向工程而言的一种自下而上的反向工程。基于产品生产设计的需要，在逆向工程中，生产设计流程被进行了反向重构，以“产品—图纸—模型”的形式出现。以车身模具、内燃机叶片为例，基于其结构形状的复杂度，难以依照常规流程、图纸要求进行数控程序以及模型的构建。因此，就需要采用逆向工程技术，在数据预处理、数字化扫描、重构CAD 模型、CAM生成数控加工道具轨迹等技术的综合作用下，将要加工的复杂曲面位置进行数字化处理，并依据获取到的各类数据进行模型重构。

4 复杂曲面数控加工技术的应用

复杂曲面数控加工技术基于自身在高精度、高效率、高科技等方面的突出优势，被广泛运用到交通运输、军工制造、医疗设备及通信行业多个领域当中，成为了该领域的核心技术支持。尤其是在产业转型的当下，复杂曲面数控加工技术在各个行业中所发挥的作用逐渐突出，在未来有着广阔的发展空间。

4.1 在交通运输领域的应用

交通运输领域是国内最早引入数控技术的领域之一，在航空、船舶、汽车等交通运输设备相关零部件的加工制造中，都不同程度存在着复杂曲面数控加工技术的应用[3-4]。大到飞机机翼、汽车车身以及内部大型发动机，小到各种细小的零部件、螺丝等，都需要在数控加工技术的作用下，呈现出相应的复杂曲面弧度。早在2017 年1 月，中国航发南方工业就联合北京航空航天大学机械工程及自动化学院，共同成立了专门的复杂曲面先进制造技术联合实验室，主要围绕复杂曲面的数控加工制造展开相关科研活动，研究领域涉及到高精度、超快低成本制造、机械工艺参数优化、快速检验技术以及刀具、磨具的设计和选用等多方面内容。在2020 年举办的国家科学技术奖励大会上，由航空工业牵头完成的“五轴联动数控机床S 形试件检测方法及加工精度提升技术”荣获了国家科技进步二等奖。在2021 年举办的在第十三届珠海国际航展上，展出了最新的研究成果——“两机”复杂曲面零件加工数控编程CAM软件Turboworks。这说明在交通运输领域，复杂曲面数控加工技术未来仍然有着较大的发展空间，是我国交通运输制造业实现“弯道超车”的关键核心技术。

4.2 在军工制造领域的应用

基于复杂曲面数控加工技术在高精度方面的突出表现，该技术被广泛运用在各国的军工制造领域，用于高精度军工零部件的生产制造，使军工武器、设备使用性能与安全性能得到了有效保障[5]。得益于我国工业制造业的快速发展，我国金属加工机床产品市场占有率持续攀升，在2009 年达到70.1%。在此背景下，以国防军工建设为代表的国家重点工业发展行业，开始采用国产高档数控机床，制造高精度武器元器件、设备，为我国国防军工装备的现代化发展提供了强有力的技术保障，同时，数控机床成为了我国国防军工的战略性装备。如，中航工业成飞在2009 年举办的中国军工企业管理创新成果表彰中，凭借“以数字化车间建设为依托的飞机大型复杂结构件数控制造能力提升”项目，获得了表彰一等奖。安徽神剑科技作为我国军工产品制造领域的代表企业，在2022 年的生产组织规划中，提出要逐渐由简单零件加工过渡到复杂零件加工上，不断提升企业的特种加工能力、精密机械加工能力。

4.3 在医疗设备领域的应用

医疗设备制造领域，同样是看重了复杂曲面数控加工技术在精密制造方面的良好表现，因此，将复杂曲面数控加工技术应用于高科技医疗卫生诊断器具的现代化制造。采用复杂曲面数控加工数据监测技术，有效提升了医疗设备、器具的诊断功能，使医生能够在医疗器械的辅助下，尽可能获得最为准确、全面的患者患病信息，进而为科学诊断提供重要依据。近年来，为进一步提高国产医疗设备产业发展速度，扩大行业市场规模，以迈瑞医疗、鱼跃医疗、新华医疗等为代表的一大批国内知名医疗设备制造企业，积极开展高精尖技术攻关克难工作，并在彩超、心脏起搏器、磁共振检测仪、CT 机、病人监护仪、实验室检测仪器和人工关节等高端医疗产品的生产加工中引入了复杂曲面数控加工技术，有效促进了我国医疗设备制造行业生产能力的提升，在一定程度上解决了我国高端医疗设备依赖进口的局面。

4.4 在通信行业领域的应用

在互联网技术快速发展的驱动下，如今的社会已经成为了一个高度网络化的新时代，互联网信息通信以多种方式进入到了人们的生产生活之中，深刻影响着社会变革。与此同时，互联网科技的强大助力，更是为计算机、电视机及手机通信等产业的转型发展提供了良好的契机，使我国通信制造行业能凭借自己的实力实现技术转型升级。为了满足不同设备对于通信功能的需求，就需要运用超精技术、纳米技术等相关技术，制造通信电子设备内部精密零件，满足设备对精确性、精细性的双重要求[6]。在2016 年举办的中国智能手机发展10 年高峰论坛会议上，来自宇环数控机床股份有限公司的谢邦彦，以“手机金属的高速磨削与复杂曲面精密抛光工艺”为主题进行了经验分享。近年来随着超薄数字电视产业的不断发展，曲面电视作为其中的一个重要门类，受到了消费者的广泛欢迎，业界也围绕超薄曲面电视的制作展开了多方的技术研讨活动。

5 结语

复杂曲面数控加工作为一种先进的高精尖制造技术存在，是科技创新以及产业升级的双重结果，代表了我国在高精尖制造领域的突出成就。在未来的发展中，企业、高校、科研等相关部门，要继续加强对复杂曲面数控加工技术的重视，从不同的角度，围绕复杂曲面数控加工技术的研究与发展，展开多方探究活动。为复杂曲面数控加工技术在不同领域中的应用，提供充足的理论指导，促进复杂曲面技术潜在优势功能的充分发挥。