本刊記者 玲 犀

朱利民：在復(fù)雜曲面零件五軸數(shù)控加工技術(shù)方面，以線接觸和高階點(diǎn)接觸加工為代表的自由曲面寬行加工幾何學(xué)原理和刀位規(guī)劃方法取得重要突破，并正向面向制造的曲面設(shè)計(jì)方向發(fā)展；以通用五軸數(shù)控機(jī)床加工復(fù)雜共軛曲面的CAM技術(shù)獲得廣泛關(guān)注，正成為一個(gè)研究熱點(diǎn)；對(duì)于剛性零件，五軸銑削加工切削力模型已具有較高的精度，在切削參數(shù)（進(jìn)給率）優(yōu)化中發(fā)揮了重要作用，但五軸銑削加工動(dòng)力學(xué)的研究進(jìn)展緩慢，五軸加工中由于時(shí)變的切削條件和諸多不確定性因素，往往難以滿足零件在幾何精度和物理性能方面的高要求，需要根據(jù)中間狀態(tài)零件幾何和性能參數(shù)的實(shí)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行加工目標(biāo)曲面修形或機(jī)床參數(shù)反調(diào)、刀具路徑調(diào)整，實(shí)現(xiàn)零件性能和幾何要求驅(qū)動(dòng)的自適應(yīng)加工，這種加工-測(cè)量一體化的閉環(huán)加工技術(shù)是智能制造的重要研究方向。

在大型復(fù)雜薄壁零件數(shù)控加工技術(shù)方面，航空大型壁板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)控編程時(shí)間與在機(jī)加工時(shí)間之比為10∶1，近年來(lái)基于特征的數(shù)控加工自動(dòng)工藝決策與編程得到了深入研究，目前已突破傳統(tǒng)靜態(tài)特征僅考慮零件最終幾何狀態(tài)的不足，提出了綜合考慮零件加工過(guò)程中加工、檢測(cè)和裝夾等交互作用及其演變特性的動(dòng)態(tài)特征模型與識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)了大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工的工藝知識(shí)重用；大型薄壁零件加工時(shí)在切削力激勵(lì)下易產(chǎn)生過(guò)大的變形和振動(dòng)，甚至發(fā)生自激顫振，傳統(tǒng)加工動(dòng)力學(xué)僅僅關(guān)注“刀具-工件”系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，采用犧牲效率的保守切削參數(shù)應(yīng)對(duì)加工振動(dòng)和變形問(wèn)題，近期研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向“薄壁構(gòu)件-裝夾支撐”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，通過(guò)調(diào)控“工件-夾具”系統(tǒng)的剛度和阻尼特性獲得所期望的工藝系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)特性，從動(dòng)力學(xué)優(yōu)化角度為解決大型薄壁零件加工的振動(dòng)和變形難題提供了新的思路和技術(shù)方案；對(duì)于大型蒙皮類零件，法國(guó)杜菲工業(yè)公司和空客公司聯(lián)合研發(fā)的鏡像銑設(shè)備集柔性裝夾、隨動(dòng)支撐、壁厚在線測(cè)量、加工誤差補(bǔ)償?shù)裙δ苡谝惑w，其刀具和支撐頭分別位于蒙皮兩側(cè)，沿蒙皮表面鏡像對(duì)稱移動(dòng)，從本質(zhì)上提高了加工區(qū)域的局部剛度，并且通過(guò)在線壁厚測(cè)量與微量切深補(bǔ)償精確控制刀尖點(diǎn)與支撐點(diǎn)之間的間距，實(shí)現(xiàn)了加工壁厚的閉環(huán)控制，代表了大型蒙皮壁板加工的最新技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)。

在數(shù)控加工裝備技術(shù)方面，高速和高剛性、功能復(fù)合化、智能化、長(zhǎng)壽命、高可靠性以及高節(jié)能環(huán)保性成為數(shù)控機(jī)床的主要發(fā)展趨勢(shì)；加工過(guò)程力、熱、聲表面波等信號(hào)在線測(cè)量與加工過(guò)程監(jiān)測(cè)、診斷和控制是智能加工裝備的重要標(biāo)志；智能主軸、智能軸承、智能支承件和智能控制系統(tǒng)、智能夾具等智能化功能部件研究得到高度關(guān)注，具有熱誤差補(bǔ)償和主動(dòng)振動(dòng)補(bǔ)償功能的智能機(jī)床已商業(yè)化；三自由度并聯(lián)動(dòng)力頭、四～五自由度混聯(lián)機(jī)床等新構(gòu)型裝備在航空大型整體結(jié)構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)輕型加工和數(shù)字化裝配中已得到一定規(guī)模的應(yīng)用，呈現(xiàn)出機(jī)器人化的特點(diǎn)。

朱利民：課題組長(zhǎng)期從事復(fù)雜曲面零件高效精密數(shù)控加工理論與技術(shù)研究，從加工成形幾何學(xué)原理、動(dòng)力學(xué)判穩(wěn)方法、幾何誤差評(píng)定模型到成套工藝技術(shù)與裝備，取得了系統(tǒng)性成果：提出了自由曲面五軸數(shù)控寬行加工的幾何學(xué)原理和刀位規(guī)劃方法，CIRP Fellow、法國(guó)學(xué)者Bernard教授在綜述論文中將其列入該領(lǐng)域“1979～2012年發(fā)展路線圖”，評(píng)價(jià)為“創(chuàng)新和令人振奮”的工作；提出了銑削加工穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)誤差同步預(yù)報(bào)的高效通用方法——全離散法，半離散法創(chuàng)立者Insperger教授專門撰文評(píng)價(jià)其“計(jì)算效率高、在應(yīng)用上有優(yōu)勢(shì)”；提出了曲面輪廓誤差評(píng)定的統(tǒng)一模型和高效算法，意大利學(xué)者M(jìn)oroni教授評(píng)價(jià)其“遠(yuǎn)勝其他方法，計(jì)算速度最快、最有前景”；研制了五軸小線段和NURBS曲線插補(bǔ)CNC系統(tǒng)與葉輪類零件五軸數(shù)控加工機(jī)床、CAM軟件及成套工藝，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)等制造企業(yè)獲得重要應(yīng)用，大型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)誘導(dǎo)輪批量生產(chǎn)效率提高4倍以上。近期課題組的工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)向大型薄壁零件數(shù)控加工技術(shù)與裝備，與上海拓璞數(shù)控科技有限公司聯(lián)合研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)運(yùn)載火箭貯箱筒段鏡像銑削裝備，開(kāi)發(fā)了針對(duì)三角網(wǎng)格壁板鏡像銑削的數(shù)控編程和自適應(yīng)加工軟件系統(tǒng)，已實(shí)現(xiàn)直徑3.35m貯箱筒段的小批量加工；在智能制造方面，以并聯(lián)機(jī)構(gòu)為主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的五自由度混聯(lián)機(jī)器人因兼具關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度快、任務(wù)適應(yīng)性強(qiáng)和傳統(tǒng)機(jī)床高剛度、高精度的優(yōu)點(diǎn)，正逐漸在大型構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)加工與裝配作業(yè)中得到規(guī)?；瘧?yīng)用。我們目前正在這方面進(jìn)行積極探索，希望能在新型鏡像銑削裝備上有所突破。

朱利民：難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：（1）切削幾何與切削響應(yīng)之間強(qiáng)耦合，耦合關(guān)系描述困難。復(fù)雜薄壁零件在切削力激勵(lì)下的變形量和振動(dòng)幅值可達(dá)幾百微米。在加工過(guò)程中，切削幾何（工件-刀具嚙合區(qū)、切厚）決定切削激勵(lì)（切削力），進(jìn)而影響切削響應(yīng)（變形、振動(dòng)）；反之，切削響應(yīng)導(dǎo)致切削幾何變化，兩者呈現(xiàn)強(qiáng)耦合，這一耦合關(guān)系的描述非常困難；（2）加工動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)強(qiáng)時(shí)變、強(qiáng)位變，參數(shù)精確獲取困難。加工過(guò)程中，零件剛度、阻尼等結(jié)構(gòu)參數(shù)隨著材料去除時(shí)變，刀具動(dòng)力學(xué)參數(shù)受機(jī)床末端姿態(tài)的影響且隨刀具軸向位置變化，因此復(fù)雜薄壁零件五軸銑削加工動(dòng)力學(xué)模型不再是定常周期系統(tǒng)，所需的時(shí)變、位變動(dòng)力學(xué)參數(shù)很難精確獲取；（3）加工動(dòng)力學(xué)模型維數(shù)高，振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算困難。復(fù)雜薄壁零件往往呈現(xiàn)多模態(tài)、密集模態(tài)特性，因此動(dòng)力學(xué)模型的維數(shù)很高，如何實(shí)現(xiàn)振動(dòng)響應(yīng)的高效計(jì)算是薄壁零件五軸銑削加工動(dòng)力學(xué)仿真和穩(wěn)定性判別的一個(gè)瓶頸問(wèn)題。

采用輔助支撐和耗能裝置提高工藝系統(tǒng)的剛度和阻尼是解決問(wèn)題的“主動(dòng)”方法。固定式或隨動(dòng)式輔助支撐可以提高加工區(qū)域的結(jié)構(gòu)剛度，阻尼器等耗能裝置可耗散結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量，均可起到降低變形大小和振動(dòng)響應(yīng)幅值的作用。輔助支撐和耗能裝置增加了工藝系統(tǒng)的機(jī)械阻抗，從而削弱了切削幾何量與振動(dòng)、變形之間的耦合關(guān)系，弱化了材料去除效應(yīng)對(duì)工藝系統(tǒng)整體剛度和阻尼的影響，使得結(jié)構(gòu)參數(shù)強(qiáng)時(shí)變動(dòng)力系統(tǒng)可以在局部近似為結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)不變動(dòng)力系統(tǒng)，因而大大降低了加工動(dòng)力學(xué)建模與分析的難度。