1 前言

　　隨著汽車(chē)工業(yè)的不斷發(fā)展,尤其是轎車(chē)工業(yè)的迅猛發(fā)展,對(duì)汽車(chē)車(chē)身的制造質(zhì)量要求越來(lái)越高,因此,對(duì)加工車(chē)身沖壓件的工藝裝備—沖模的制造質(zhì)量提出了更高的要求。為了實(shí)現(xiàn)模具表面的高精度加工,在采用高精度數(shù)控加工技術(shù)的前提下,必須仔細(xì)地分析影響型面高精度加工的各種因素,并相應(yīng)地采取有效的預(yù)防措施,才能達(dá)到模具表面加工的高精度。本文將討論實(shí)現(xiàn)模具表面高精度加工的方法。

2 模具表面數(shù)控加工原理

　　模具表面是由許多空間雕塑曲面構(gòu)成的,為了實(shí)現(xiàn)模具表面的數(shù)控加工,必須首先構(gòu)造模具表面的數(shù)字模型,該數(shù)學(xué)模型是由各類(lèi)曲面構(gòu)成的。在CAD/CAM軟件系統(tǒng)中,描述曲面一般采用貝茲爾、B樣條、非均勻有理B樣條等方法。無(wú)論采用何種算法,它們都是通過(guò)特征點(diǎn)和基函數(shù)來(lái)表示一個(gè)曲面。曲面數(shù)控加工所需的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的主要計(jì)算方法如下。

　　a.等參數(shù)曲線法

　　這種方法是通過(guò)計(jì)算被加工曲面的刀具控制點(diǎn)的包絡(luò)曲面的等參數(shù)曲線的方法,來(lái)生成刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的。這種方法主要用于單一曲面的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的生成,其優(yōu)點(diǎn)是能根據(jù)曲面的形狀特點(diǎn),來(lái)生成最佳的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡;缺點(diǎn)是編程需要較高的技術(shù)水平且費(fèi)時(shí)。

　　b.多曲面連續(xù)加工法

　　該方法是對(duì)一組曲面進(jìn)行連續(xù)不斷地加工,并自動(dòng)地進(jìn)行曲面和刀具間的碰撞檢驗(yàn)川。該方法導(dǎo)致某些零件的加工精度不夠理想。

　　c.清根加工法

　　該方法主要應(yīng)用于清除兩曲面凹向交線處的多余材料,以提高零件的加工精度。

　　不論采用上述的哪種刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算方法,它們都是通過(guò)用一組曲線去逼近被加工曲面,然后用一系列的折線段在給定容差范圍內(nèi)去逼近計(jì)算出來(lái)的曲線。由此可見(jiàn),刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的生成精度主要與曲面的造型精度和曲面、曲線的逼近容差值有關(guān)。

3 模具型面實(shí)際數(shù)控加工的誤差分析

　　3.1 幾何造型誤差

　　3.1.1 造型系統(tǒng)誤差

　　由曲線、曲面理論可知,曲線、曲面是由一系列離散點(diǎn)擬合而成的,因此,所生成的曲線或曲面不可能絕對(duì)通過(guò)這些離散點(diǎn),而是在一定的容差范圍內(nèi)逼近這些原始的離散點(diǎn),因此在構(gòu)造曲線、曲面時(shí),就存在著逼近容差值。但在實(shí)際曲線、曲面造型中,逼近容差值是很小的,一般小于1μm,因此,這部分誤差在數(shù)控加工中可以忽略不計(jì)。

　　3.1.2曲線、曲面光順誤差

　　在生成車(chē)身外覆蓋件模具表面的幾何模型時(shí),要求所生成的曲線是光順的,因此在構(gòu)造這類(lèi)曲線、曲面時(shí),必須進(jìn)行恰當(dāng)?shù)墓忭樚幚?以生成所需的光順曲線和曲面。為了對(duì)生成的曲線、曲面進(jìn)行有效的光順處理,必須確切地定義光順?biāo)璧娜莶钪?以及選擇適當(dāng)?shù)墓忭樂(lè)椒?。所采用的光順?lè)椒ê凸忭樔莶钪档拇笮⒅苯佑绊懰蓭缀文Ｐ偷木取?/span>

　　3.1.3曲面參數(shù)對(duì)應(yīng)性誤差閉

　　曲面的參數(shù)對(duì)應(yīng)性是指各個(gè)曲面都具有自身獨(dú)有的等參數(shù)曲線的分布規(guī)律,即所生成的曲面與構(gòu)造該曲面所需的框架曲線之間存在著固有的參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系。相同的框架曲線,由于選擇了不同的曲面造型方法,就能生成不同的曲面。因此,在實(shí)際曲面造型中,必須認(rèn)真研究所構(gòu)造曲面的特點(diǎn),以及與框架曲線的相互關(guān)系,才能準(zhǔn)確無(wú)誤地構(gòu)造出實(shí)際所需的曲面,否則,就會(huì)出現(xiàn)曲面造型誤差,影響幾何造型的精度。

　　3.2 數(shù)控編程不當(dāng)而引起的加工質(zhì)量問(wèn)題

　　在數(shù)控加工中,存在著一些因數(shù)控編程方法不當(dāng)而出現(xiàn)的加工質(zhì)量問(wèn)題。數(shù)控編程加工質(zhì)量問(wèn)題主要有兩類(lèi):其一是加工出來(lái)的形狀與數(shù)學(xué)模型不符,如型面的局部區(qū)域出現(xiàn)了過(guò)切、扎刀、加工不到位等編程問(wèn)題;其二是加工出來(lái)的型面精度不符合模具表面的加工精度要求,這類(lèi)數(shù)控加工質(zhì)量問(wèn)題是由設(shè)定一些不合理的數(shù)控加工參數(shù)而引起的。

　　3.3 加工刀具誤差

　　3.3.1 刀具的形狀與尺寸誤差

　　由刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的生成算法可知,刀具運(yùn)動(dòng)軌跡是依據(jù)編程時(shí)所選用的刀具類(lèi)型和有關(guān)的參數(shù)計(jì)算出來(lái)的,因此要求實(shí)際數(shù)控加工時(shí)所采用的刀具與編程時(shí)所選用的刀具在類(lèi)型和尺寸上都必須一致,否則,它們之間的偏差值將直接反映到被加工零件的表面上,從而影響模具表面的加工精度。

　　3.3.2 刀具的磨損

　　刀具的磨損是影響模具表面高精度加工的主要因素之一。如果在模具表面精加工時(shí)選用了高速鋼類(lèi)的刀具,這樣刀具的磨損會(huì)很?chē)?yán)重,例如,在主軸轉(zhuǎn)速1000f/min之上、進(jìn)給速度在1500mrn/min之上的切削狀態(tài)下連續(xù)切削加工10h,刀具的磨損量為0.4mm左右,這樣就會(huì)嚴(yán)重影響模具表面的加工精度。

　　3.3.3刀具變形

　　刀具變形也是影響模具表面高精度加工的主要因素之一。刀具變形主要與下列因素有關(guān):

　　a.被加工零件材料的切削加工性能;

　　b.被加工零件的形狀與加工余量大小;

　　d.加工刀具的類(lèi)型、尺寸和鋒利程度;

　　d.數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)性。研究實(shí)際數(shù)控加工過(guò)程可知,刀具變形的大小隨著切削點(diǎn)的刀具受力情況的變化而變化,因此,這個(gè)因素是整個(gè)模具表面數(shù)控加工最難把握和處理的部分。

　　3.4 數(shù)控機(jī)床本身的精度

　　一般數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)誤差都較小,例如,在sm的行程內(nèi),定位精度在0.025~以內(nèi),重復(fù)定位精度在0.005~以內(nèi)。盡管其誤差為一個(gè)隨機(jī)誤差,但其為正態(tài)分布,并且被牢牢地控制在某一區(qū)域內(nèi),因此,這部分誤差對(duì)整個(gè)加工精度來(lái)說(shuō)影響較小。

　　3.5零件的裝夾和找正誤差

　　零件在進(jìn)行數(shù)控加工前,必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼艺?、裝夾處理,才能進(jìn)行數(shù)控加工,這就存在著零件的找正誤差,以及安裝、夾緊零件時(shí)因變形而引起的裝夾誤差。

4 模具型面高精度數(shù)控加工的方法

　　4.1 建立準(zhǔn)確無(wú)誤的模具表面數(shù)學(xué)模型

　　為了建立準(zhǔn)確無(wú)誤的模具表面數(shù)學(xué)模型,不僅要對(duì)造型中出現(xiàn)的各類(lèi)曲面的特性進(jìn)行仔細(xì)地分析和透徹的理解,而且要弄清楚所使用的軟件系統(tǒng)所提供的各類(lèi)曲面造型功能的作用方法及技巧。同時(shí)還應(yīng)總結(jié)以往在曲面造型中的成功經(jīng)驗(yàn),并制定出各類(lèi)曲面的造型規(guī)范。對(duì)模型表面數(shù)學(xué)模型的具體要求為:

　　a.所構(gòu)造的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)完整的幾何模型,不能有多余或遺漏的曲面存在;

　　b.數(shù)學(xué)模型不能有多又性,曲面修剪應(yīng)干凈、徹底,不應(yīng)有曲面重疊現(xiàn)象存在,確保數(shù)學(xué)模型的唯一性;

　　C.數(shù)學(xué)模型應(yīng)是連續(xù)光滑的,在兩曲面的交線處,應(yīng)采用適當(dāng)?shù)膱A角進(jìn)行過(guò)渡處理,確保數(shù)學(xué)模型的連續(xù)光滑性;

　　d.外覆蓋件的數(shù)學(xué)模型應(yīng)是光順的,在外覆蓋件模具表面的曲面造型中,要求所生成的曲面是光順的,以滿足車(chē)身流線型的結(jié)構(gòu)需要以及外形美觀要求;

　　e.數(shù)學(xué)模型中的曲面不能有異常的凸起和凹坑。

　　4.2 生成準(zhǔn)確無(wú)誤的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡

　　4.2.1 合理安排數(shù)控加工工藝路線

　　在模具型面的數(shù)控加工中,如何合理地安排數(shù)控加工工藝路線,對(duì)模具的數(shù)控加工質(zhì)量和效率是至關(guān)重要的。對(duì)金屬模具的數(shù)控加工而言,由于模具表面所留的加工余量較大,所以型面分粗加工、半精加工、清根加工、精加工四道工序完成。為了使數(shù)控加工在質(zhì)量與效率兩者之間達(dá)到最優(yōu)化，粗加工采用d 50mm的球頭刀進(jìn)行加工，切削間距選為20mm，加工余量2 mm，這樣就能以最快的速度去掉毛壞表面的多余材料。半精加工采用d 30mm的球頭刀進(jìn)行加工，切削間距1 mm--4mm，加工余量為0.3 mm---0.5mm，這樣就能有效地去掉零件表面多余材料，為精加工留下均勻的加工余量，從而確保在零件的精加工時(shí)刀具受力平穩(wěn)、刀具磨損少、切削狀態(tài)穩(wěn)定等。清根加工是清除兩曲面凹向交線處的材料，清根加工的目的有兩個(gè):其一是提高模具數(shù)控加工的質(zhì)量;其二是清除兩曲面凹向交線處的材料。這樣可大大加快精加工時(shí)切削進(jìn)給速度，從而提高數(shù)控加工效率。清根加工可采用d6mm~d 30mm不等的球頭刀進(jìn)行加工。模具表面精加工的工藝參數(shù)的設(shè)定方法不能一概而論，在設(shè)定加工工藝參數(shù)時(shí)應(yīng)考慮下列因素:

　　各類(lèi)模具的加工精度要求;

　　b.編程設(shè)備、數(shù)控加工設(shè)備的能力;

　　c.數(shù)控加工與手工加工費(fèi)用的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)等。

　　4.2.2 數(shù)控加工工藝參數(shù)的確定

　　模具型面的數(shù)控加工分粗加工、半精加工、清根加工、精加工四道工序完成。針對(duì)模具的加工精度要求，數(shù)控加工工藝參數(shù)的設(shè)定方法如表1所列。

表1模具型面數(shù)控加工工藝參數(shù)的設(shè)定

　　4.2.3 合理確定走刀方式和加工方向

　　走刀方式是指生成刀具運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的分布方式;加工方向是指在切削加工時(shí)刀具的運(yùn)動(dòng)方向。這兩個(gè)概念在數(shù)控編程中是很重要的,選擇是否合理會(huì)直接影響零件的加工精度和加工效率,其選擇原則為:根據(jù)被加工零件表面的幾何形狀,在保證加工精度的前提下,使切削加工時(shí)間盡可能短。

　　在型面加工的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡生產(chǎn)技術(shù)中,可采用如下二種走刀方式:往復(fù)型走刀方式和單方向走刀方式。這兩種走刀方式所形成刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所列。

表2兩種走刀方式比較

　　在三維型面的數(shù)控加工中,合理地選擇切削加工方向是很重要的,選擇最佳的切削方向,不僅能提高模具的表面加工質(zhì)量,而且也能大大地提高模具的加工效率。在設(shè)置切削加工方向時(shí),應(yīng)避免與鉛直面或關(guān)鍵棱線平行,使切削加工方向與鉛直面或關(guān)鍵棱線成某一角度,使生成的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡均勻、整齊且可靠,從而保證型面加工精度和清晰的棱線。

　　4.2.4 選擇合理的加工方法

　　根據(jù)被加工曲面的特點(diǎn)和加工范圍,選擇合理的加工方法。對(duì)于曲面數(shù)量不多且曲面間的相互拓?fù)潢P(guān)系不是太復(fù)雜的零件表面,可采用等參數(shù)曲線法來(lái)生成刀具運(yùn)動(dòng)軌跡;對(duì)于曲面數(shù)量多或曲面間的相互拓?fù)潢P(guān)系比較復(fù)雜的零件表面可采用多曲面連續(xù)加工方法。在一般情況下,均可采用平行截面的多曲面連續(xù)加工方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是生成的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡均勻、整齊、可靠、速度快等;其缺點(diǎn)是不能反映曲面的形狀特征。對(duì)于主體曲面為旋轉(zhuǎn)類(lèi)曲面的零件表面,應(yīng)采用插值型的多曲面連續(xù)加工方法。該方法能通過(guò)定義兩條插值曲線來(lái)確定軌跡的走刀方向和加工范圍,使所生成的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡能反映出被加工零件的形狀特征,從而提高了零件表面的加工精度。對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的具體要求為:

　　a.刀具運(yùn)動(dòng)軌跡準(zhǔn)確無(wú)誤,無(wú)過(guò)切、扎刀等加工質(zhì)量問(wèn)題;

　　b.刀具運(yùn)動(dòng)軌跡分布均勻、整齊、便于鉗工修整;

　　c.在刀具運(yùn)動(dòng)軌跡中,應(yīng)避免主軸、銑頭、刀具碰撞工件;

　　d.在數(shù)控加工過(guò)程中,刀具受力均勻,變形小;

　　e.在刀具運(yùn)動(dòng)軌跡中,應(yīng)避免空走刀軌跡的產(chǎn)生,以提高數(shù)控加工效率。

　　4.3 采用合理的加工刀具和進(jìn)行恰當(dāng)?shù)牡遁S定位

　　4.3.1 選擇合理的刀具進(jìn)行數(shù)控加工

　　為了能對(duì)被加工曲面進(jìn)行整體加工,必須要求刀具的球頭半徑小于被加工曲面凹向處的最小曲率半徑,否則有些區(qū)域就不能進(jìn)行徹底的加工而剩下加工余量,影響表面加工精度。

　　4.3.2 對(duì)刀軸進(jìn)行恰當(dāng)?shù)亩ㄎ?/span>

　　在精加工過(guò)程中,應(yīng)根據(jù)被加工曲面的形狀特點(diǎn),對(duì)刀軸相對(duì)于被加工曲面的法矢量方向進(jìn)行恰當(dāng)?shù)亩ㄎ?以獲得最佳切削狀態(tài)。其最佳切削應(yīng)滿足下列條件:其一是刀具與零件的接觸點(diǎn)必須不能與刀具的底端中心點(diǎn)一致,因該點(diǎn)的切削速度為零,兩點(diǎn)一致將使刀具磨損大大加劇,同時(shí)也降低了加工表面的質(zhì)量;其二是切削狀態(tài)應(yīng)是穩(wěn)定的,這樣能提供均勻一致的加工質(zhì)量。

　　通過(guò)對(duì)刀軸的恰當(dāng)定位,可減少使用刀具的長(zhǎng)度來(lái)提高刀具的剛性;還可以減少刀具與被加工零件材料的接觸面積,使刀具所受的切削力大大減少,從而改善刀具的變形程度。

　　4.4 采用先進(jìn)的CNC控制系統(tǒng)

　　為了實(shí)現(xiàn)模具表面的高精度加工,要求機(jī)床的控制系統(tǒng)除能滿足正常的功能外,還應(yīng)具備如下功有旨。

　　4.4.1先讀功能

　　先讀功能是指控制系統(tǒng)預(yù)先把將要執(zhí)行加工的數(shù)控?cái)?shù)據(jù)讀人計(jì)算機(jī)內(nèi)存中,把這些數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成擬合曲線,根據(jù)曲線上各點(diǎn)的曲率半徑的分布情況,來(lái)調(diào)整切削進(jìn)給速度的大小,以達(dá)到零件加工的高精度。在加工型面時(shí),偏差(醞)、曲率半徑(R)、進(jìn)給速度(F)的關(guān)系如下:

　　從式(1)中可以看出,當(dāng)偏離量△。確定時(shí),允許的進(jìn)給速度與曲率半徑成正比。在特殊情況下,如即將加工到某條棱線時(shí),該棱線處型面的曲率半徑幾乎等于零,為了保證加工精度,進(jìn)給速度將調(diào)整到幾乎為零。

　　4.4.2公差補(bǔ)償功能

　　采用先讀功能技術(shù),已大大地提高了零件的加工精度,但因機(jī)床移動(dòng)部分的慣性和伺服控制系統(tǒng)的靈敏度等方面的因素,不可避免地要產(chǎn)生加工誤差。為了最大限度地減少系統(tǒng)加工誤差,對(duì)采用不同結(jié)構(gòu)和伺服控制系統(tǒng)的機(jī)床加工各種形狀的零件的加工誤差,進(jìn)行系統(tǒng)地統(tǒng)計(jì)分析并找出其規(guī)律性,形成加工誤差分析專(zhuān)家系統(tǒng)。這樣,當(dāng)數(shù)控機(jī)床加工零件時(shí),利用先讀功能分析即將要加工零件的形狀,根據(jù)零件的形狀特點(diǎn),從專(zhuān)家系統(tǒng)的專(zhuān)用數(shù)據(jù)庫(kù)中提取相應(yīng)的偏差值,并對(duì)相應(yīng)的加工程序數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的偏差補(bǔ)償,從而使整體加工誤差控制在最低限度內(nèi),達(dá)到零件加工的高精度。

　　4.5零件的自動(dòng)找正、對(duì)刀及加工補(bǔ)償

　　以往零件的找正、對(duì)刀步驟如下:按編程時(shí)建立的工件坐標(biāo)系,把工件安放在機(jī)床的工作臺(tái)上,并且通過(guò)手工敲打的方法使工件坐標(biāo)系的各軸與機(jī)床坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)軸平行,然后,按在模具表面上所畫(huà)的中心線和特征面進(jìn)行手工找正和對(duì)刀。采用這種方法進(jìn)行零件的找正和對(duì)刀存在著作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、找正對(duì)刀精度差等弊病。為了克服上述缺點(diǎn),應(yīng)采用自動(dòng)找正和對(duì)刀的新方法,其具體操作步驟為:被加工的零件可按任意方位安裝在數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)上,機(jī)床的測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量被加工零件上的某些特征(如基準(zhǔn)孔、中心線、棱線等)來(lái)建立工件坐標(biāo)系,并自動(dòng)確定工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系的相互位置關(guān)系,達(dá)到零件自動(dòng)找正的目的。對(duì)刀是通過(guò)在機(jī)床上放置的傳感器,對(duì)刀具控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量來(lái)完成的。在型面數(shù)控加工過(guò)程中,還可以利用放置在機(jī)床上的傳感器,定期地對(duì)刀具進(jìn)行測(cè)量,以確定刀具的磨損情況,以便采取相應(yīng)的加工補(bǔ)償措施,達(dá)到模具表面加工的高精度。

　　4.6 模具表面的高精度、高速度、微量切削加工

　　高速、高精度5軸數(shù)控加工技術(shù)的引人為模具表面的高精度加工提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保證。高速、高精度5軸數(shù)控加工方法的主要特點(diǎn)是采用微量切削方式,精加工余量控制在0.5~以內(nèi),切削間距在0.5~以內(nèi)。同時(shí)還可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)刀軸的方法使刀具處于最佳切削狀態(tài)(刀具受力平穩(wěn)、變形量小)。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　在模具表面的數(shù)控加工中,誤差存在于從數(shù)學(xué)模型建立到型面數(shù)控加工的整個(gè)過(guò)程的所有環(huán)節(jié)之中,因而有效地控制各個(gè)環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的誤差就能對(duì)模具表面的最終加工精度進(jìn)行有效的控制,從而達(dá)到模具表面加工的高精度。