高质量CAD模型连续性对CNC加工数字化进程的优化作用研究

为解决CNC加工中复杂形状模具表面精度不足、需后续手工修正的问题，捷克理工大学机械工程学院的研究团队开展了CAD模型连续性(G0-G3)对加工精度影响的研究。通过设计新型连续性标准件并进行3轴铣削实验，证实提高CAD模型至G3连续性可自动优化刀具路径，使加工表面精度提升0.5μm，显著减少后续手工干预需求。该研究为数字化制造流程优化提供了关键理论依据。

　　

在制造业数字化转型浪潮中，CNC加工技术面临着一个关键矛盾：虽然自动化和效率不断提升，但复杂曲面工件（如注塑模具）的加工精度仍难以满足需求，往往需要后续手工打磨修正。这种"数字断层"现象严重制约了生产效率，也违背了工业4.0时代对全流程自动化的追求。问题的根源究竟在哪里？捷克理工大学机械工程学院（Czech Technical University in Prague, Faculty of Mechanical Engineering）的技术数学系团队将目光投向了制造流程的起点——CAD模型设计阶段。

传统研究多聚焦于CAM系统优化或机床控制改进，而该团队独辟蹊径，提出CAD模型的几何连续性质量才是影响最终加工精度的关键因素。研究人员设计了一个创新的"连续性标准件"，包含C⁰、C¹、C²和G³四种连续性的B样条复合曲面，通过3轴球头铣削加工实验和蔡司XENOS三坐标测量机超精密检测，系统验证了CAD模型连续性对加工精度的递进式影响。

研究采用三大关键技术方法：1）基于Rhinoceros和Grasshopper平台设计参数化可控的B样条曲面标准件；2）在MCU700 VT-5X加工中心实施标准化铣削流程（刀具直径5mm，转速12000RPM）；3）应用3σ准则分析表面轮廓偏差。

【设计连续性标准件】

团队创新设计了150×150×57mm的标准件，包含四个宽度24mm的B样条复合曲面。通过控制多边形调整实现不同连续性：S1（C⁰）为简单拼接，S4（G³）采用分割四分之一曲面法避免膨胀变形。高斯曲率分析和斑马纹检测验证了曲面连续性质量。

【加工精度验证】

测量数据显示，G³连续性曲面S4的表面轮廓偏差(SP)最低（0.02019mm），较C⁰曲面S1（0.03066mm）提升34%。特别值得注意的是，S4的加工误差与曲面曲率无关，而低连续性曲面的误差随曲率增大而显著增加。

【工具路径分析】

CAM生成的刀具路径分析表明，高连续性模型能自动优化CL点间距，使工具路径误差(TE)从S1的0.00504mm降至S4的0.00449mm。这种"几何继承"效应证实高质量CAD模型可减少后续工艺优化需求。

这项研究突破了传统加工优化思维的局限，首次系统论证了CAD模型几何连续性对全制造流程的级联优化效应。研究提出的连续性设计准则为复杂曲面零件的数字化制造提供了新范式，其价值不仅在于提升加工精度，更在于通过前端设计优化减少后端修正，真正实现"第一次就做对"的智能制造理念。标准件的设计方法也为行业提供了可复用的技术验证工具。未来，将G³连续性建模规范纳入CAD系统基础设计准则，有望成为推动制造业数字化转型的重要突破口。