1 前言

　　隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展,尤其是轎車工業(yè)的迅猛發(fā)展,對汽車車身的制造質(zhì)量要求越來越高,因此,對加工車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。無論采用何種算法,它們都是通過特征點和基函數(shù)來表示一個曲面。曲面數(shù)控加工所需的刀具運動軌跡的主要計算方法如下。

　　a.等參數(shù)曲線法

　　這種方法是通過計算被加工曲面的刀具控制點的包絡(luò)曲面的等參數(shù)曲線的方法,來生成刀具運動軌跡的。這種方法主要用于單一曲面的刀具運動軌跡的生成,其優(yōu)點是能根據(jù)曲面的形狀特點,來生成最佳的刀具運動軌跡;缺點是編程需要較高的技術(shù)水平且費時。

　　b.多曲面連續(xù)加工法

　　該方法是對一組曲面進(jìn)行連續(xù)不斷地加工,并自動地進(jìn)行曲面和刀具間的碰撞檢驗川。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動軌跡的計算方法,它們都是通過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)去逼近計算出來的曲線。由此可見,刀具運動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擬合而成的,因此,所生成的曲線或曲面不可能絕對通過這些離散點,而是在一定的容差范圍內(nèi)逼近這些原始的離散點,因此在構(gòu)造曲線、曲面時,就存在著逼近容差值。但在實際曲線、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。

　　3.1.2曲線、曲面光順誤差

　　在生成車身外覆蓋件模具表面的幾何模型時,要求所生成的曲線是光順的,因此在構(gòu)造這類曲線、曲面時,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)墓忭樂椒āＫ捎玫墓忭樂椒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)對應(yīng)性誤差閉

　　曲面的參數(shù)對應(yīng)性是指各個曲面都具有自身獨有的等參數(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,在實際曲面造型中,必須認(rèn)真研究所構(gòu)造曲面的特點,以及與框架曲線的相互關(guān)系,才能準(zhǔn)確無誤地構(gòu)造出實際所需的曲面,否則,就會出現(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)量問題。數(shù)控編程加工質(zhì)量問題主要有兩類:其一是加工出來的形狀與數(shù)學(xué)模型不符,如型面的局部區(qū)域出現(xiàn)了過切、扎刀、加工不到位等編程問題;其二是加工出來的型面精度不符合模具表面的加工精度要求,這類數(shù)控加工質(zhì)量問題是由設(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

　　由刀具運動軌跡的生成算法可知,刀具運動軌跡是依據(jù)編程時所選用的刀具類型和有關(guān)的參數(shù)計算出來的,因此要求實際數(shù)控加工時所采用的刀具與編程時所選用的刀具在類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選用了高速鋼類的刀具,這樣刀具的磨損會很嚴(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.加工刀具的類型、尺寸和鋒利程度;

　　d.數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)動的平穩(wěn)性。研究實際數(shù)控加工過程可知,刀具變形的大小隨著切削點的刀具受力情況的變化而變化,因此,這個因素是整個模具表面數(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,這部分誤差對整個加工精度來說影響較小。

　　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⒀b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)確無誤的模具表面數(shù)學(xué)模型

　　為了建立準(zhǔn)確無誤的模具表面數(shù)學(xué)模型,不僅要對造型中出現(xiàn)的各類曲面的特性進(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)所提供的各類曲面造型功能的作用方法及技巧。同時還應(yīng)總結(jié)以往在曲面造型中的成功經(jīng)驗,并制定出各類曲面的造型規(guī)范。對模型表面數(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)確無誤的刀具運動軌跡

　　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,對模具的數(shù)控加工質(zhì)量和效率是至關(guān)重要的。對金屬模具的數(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: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)時應(yīng)考慮下列因素:

　　各類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用的綜合評價指數(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動軌跡時刀具運動軌跡的分布方式;加工方向是指在切削加工時刀具的運動方向。這兩個概念在數(shù)控編程中是很重要的,選擇是否合理會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,使切削加工時間盡可能短。

　　在型面加工的刀具運動軌跡生產(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動軌跡的優(yōu)缺點如表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,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,使生成的刀具運動軌跡均勻、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)被加工曲面的特點和加工范圍,選擇合理的加工方法。對于曲面數(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)曲線法來生成刀具運動軌跡;對于曲面數(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)點是生成的刀具運動軌跡均勻、整齊、可靠、速度快等;其缺點是不能反映曲面的形狀特征。對于主體曲面為旋轉(zhuǎn)類曲面的零件表面,應(yīng)采用插值型的多曲面連續(xù)加工方法。該方法能通過定義兩條插值曲線來確定軌跡的走刀方向和加工范圍,使所生成的刀具運動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。對刀具運動軌跡的具體要求為:

　　a.刀具運動軌跡準(zhǔn)確無誤,無過切、扎刀等加工質(zhì)量問題;

　　b.刀具運動軌跡分布均勻、整齊、便于鉗工修整;

　　c.在刀具運動軌跡中,應(yīng)避免主軸、銑頭、刀具碰撞工件;

　　d.在數(shù)控加工過程中,刀具受力均勻,變形小;

　　e.在刀具運動軌跡中,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 對刀軸進(jìn)行恰當(dāng)?shù)亩ㄎ?/span>

　　在精加工過程中,應(yīng)根據(jù)被加工曲面的形狀特點,對刀軸相對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必須不能與刀具的底端中心點一致,因該點的切削速度為零,兩點一致將使刀具磨損大大加劇,同時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。

　　通過對刀軸的恰當(dāng)定位,可減少使用刀具的長度來提高刀具的剛性;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)控數(shù)據(jù)讀人計算機(jī)內(nèi)存中,把這些數(shù)據(jù)點構(gòu)成擬合曲線,根據(jù)曲線上各點的曲率半徑的分布情況,來調(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,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,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,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)計分析并找出其規(guī)律性,形成加工誤差分析專家系統(tǒng)。這樣,當(dāng)數(shù)控機(jī)床加工零件時,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,從專家系統(tǒng)的專用數(shù)據(jù)庫中提取相應(yīng)的偏差值,并對相應(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。

　　4.5零件的自動找正、對刀及加工補(bǔ)償

　　以往零件的找正、對刀步驟如下:按編程時建立的工件坐標(biāo)系,把工件安放在機(jī)床的工作臺上,并且通過手工敲打的方法使工件坐標(biāo)系的各軸與機(jī)床坐標(biāo)系的對應(yīng)軸平行,然后,按在模具表面上所畫的中心線和特征面進(jìn)行手工找正和對刀。采用這種方法進(jìn)行零件的找正和對刀存在著作業(yè)時間長、找正對刀精度差等弊病。為了克服上述缺點,應(yīng)采用自動找正和對刀的新方法,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)床的工作臺上,機(jī)床的測量系統(tǒng)通過測量被加工零件上的某些特征(如基準(zhǔn)孔、中心線、棱線等)來建立工件坐標(biāo)系,并自動確定工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系的相互位置關(guān)系,達(dá)到零件自動找正的目的。對刀是通過在機(jī)床上放置的傳感器,對刀具控制點進(jìn)行測量來完成的。在型面數(shù)控加工過程中,還可以利用放置在機(jī)床上的傳感器,定期地對刀具進(jìn)行測量,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)。同時還可以通過轉(zhuǎn)動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

　　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)控加工的整個過程的所有環(huán)節(jié)之中,因而有效地控制各個環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的誤差就能對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。