1 前言

　　隨著汽車工業的不斷發展,尤其是轎車工業的迅猛發展,對汽車車身的制造質量要求越來越高,因此,對加工車身沖壓件的工藝裝備—沖模的制造質量提出了更高的要求。為了實現模具表面的高精度加工,在采用高精度數控加工技術的前提下,必須仔細地分析影響型面高精度加工的各種因素,并相應地采取有效的預防措施,才能達到模具表面加工的高精度。本文將討論實現模具表面高精度加工的方法。

2 模具表面數控加工原理

　　模具表面是由許多空間雕塑曲面構成的,為了實現模具表面的數控加工,必須首先構造模具表面的數字模型,該數學模型是由各類曲面構成的。在CAD/CAM軟件系統中,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來表示一個曲面。曲面數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曲面的等參數曲線的方法,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,其優點是能根據曲面的形狀特點,來生成最佳的刀具運動軌跡;缺點是編程需要較高的技術水平且費時。

　　b.多曲面連續加工法

　　該方法是對一組曲面進行連續不斷地加工,并自動地進行曲面和刀具間的碰撞檢驗川。該方法導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。

3 模具型面實際數控加工的誤差分析

　　3.1 幾何造型誤差

　　3.1.1 造型系統誤差

　　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逼近這些原始的離散點,因此在構造曲線、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,因此在構造這類曲線、曲面時,必須進行恰當的光順處理,以生成所需的光順曲線和曲面。為了對生成的曲線、曲面進行有效的光順處理,必須確切地定義光順所需的容差值,以及選擇適當的光順方法。所采用的光順方法和光順容差值的大小將直接影響所生成幾何模型的精度。

　　3.1.3曲面參數對應性誤差閉

　　曲面的參數對應性是指各個曲面都具有自身獨有的等參數曲線的分布規律,即所生成的曲面與構造該曲面所需的框架曲線之間存在著固有的參數對應關系。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,必須認真研究所構造曲面的特點,以及與框架曲線的相互關系,才能準確無誤地構造出實際所需的曲面,否則,就會出現曲面造型誤差,影響幾何造型的精度。

　　3.2 數控編程不當而引起的加工質量問題

　　在數控加工中,存在著一些因數控編程方法不當而出現的加工質量問題。數控編程加工質量問題主要有兩類:其一是加工出來的形狀與數學模型不符,如型面的局部區域出現了過切、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,這類數控加工質量問題是由設定一些不合理的數控加工參數而引起的。

　　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編程時所選用的刀具類型和有關的參數計算出來的,因此要求實際數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重,例如,在主軸轉速1000f/min之上、進給速度在1500mrn/min之上的切削狀態下連續切削加工10h,刀具的磨損量為0.4mm左右,這樣就會嚴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:

　　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.數控機床主軸轉動的平穩性。研究實際數控加工過程可知,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控加工最難把握和處理的部分。

　　3.4 數控機床本身的精度

　　一般數控機床的系統誤差都較小,例如,在sm的行程內,定位精度在0.025~以內,重復定位精度在0.005~以內。盡管其誤差為一個隨機誤差,但其為正態分布,并且被牢牢地控制在某一區域內,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

　　零件在進行數控加工前,必須進行適當的找正、裝夾處理,才能進行數控加工,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 模具型面高精度數控加工的方法

　　4.1 建立準確無誤的模具表面數學模型

　　為了建立準確無誤的模具表面數學模型,不僅要對造型中出現的各類曲面的特性進行仔細地分析和透徹的理解,而且要弄清楚所使用的軟件系統所提供的各類曲面造型功能的作用方法及技巧。同時還應總結以往在曲面造型中的成功經驗,并制定出各類曲面的造型規范。對模型表面數學模型的具體要求為:

　　a.所構造的數學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.數學模型不能有多又性,曲面修剪應干凈、徹底,不應有曲面重疊現象存在,確保數學模型的唯一性;

　　C.數學模型應是連續光滑的,在兩曲面的交線處,應采用適當的圓角進行過渡處理,確保數學模型的連續光滑性;

　　d.外覆蓋件的數學模型應是光順的,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構需要以及外形美觀要求;

　　e.數學模型中的曲面不能有異常的凸起和凹坑。

　　4.2 生成準確無誤的刀具運動軌跡

　　4.2.1 合理安排數控加工工藝路線

　　在模具型面的數控加工中,如何合理地安排數控加工工藝路線,對模具的數控加工質量和效率是至關重要的。對金屬模具的數控加工而言,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。為了使數控加工在質量與效率兩者之間達到最優化，粗加工采用d 50mm的球頭刀進行加工，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、刀具磨損少、切削狀態穩定等。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:其一是提高模具數控加工的質量;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給速度，從而提高數控加工效率。清根加工可采用d6mm~d 30mm不等的球頭刀進行加工。模具表面精加工的工藝參數的設定方法不能一概而論，在設定加工工藝參數時應考慮下列因素:

　　各類模具的加工精度要求;

　　b.編程設備、數控加工設備的能力;

　　c.數控加工與手工加工費用的綜合評價指數等。

　　4.2.2 數控加工工藝參數的確定

　　模具型面的數控加工分粗加工、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，數控加工工藝參數的設定方法如表1所列。

表1模具型面數控加工工藝參數的設定

　　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技術中,可采用如下二種走刀方式:往復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缺點如表2所列。

表2兩種走刀方式比較

　　在三維型面的數控加工中,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量,而且也能大大地提高模具的加工效率。在設置切削加工方向時,應避免與鉛直面或關鍵棱線平行,使切削加工方向與鉛直面或關鍵棱線成某一角度,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。對于曲面數量不多且曲面間的相互拓撲關系不是太復雜的零件表面,可采用等參數曲線法來生成刀具運動軌跡;對于曲面數量多或曲面間的相互拓撲關系比較復雜的零件表面可采用多曲面連續加工方法。在一般情況下,均可采用平行截面的多曲面連續加工方法。該方法的優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類曲面的零件表面,應采用插值型的多曲面連續加工方法。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.刀具運動軌跡準確無誤,無過切、扎刀等加工質量問題;

　　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,應避免主軸、銑頭、刀具碰撞工件;

　　d.在數控加工過程中,刀具受力均勻,變形小;

　　e.在刀具運動軌跡中,應避免空走刀軌跡的產生,以提高數控加工效率。

　　4.3 采用合理的加工刀具和進行恰當的刀軸定位

　　4.3.1 選擇合理的刀具進行數控加工

　　為了能對被加工曲面進行整體加工,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,否則有些區域就不能進行徹底的加工而剩下加工余量,影響表面加工精度。

　　4.3.2 對刀軸進行恰當的定位

　　在精加工過程中,應根據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行恰當的定位,以獲得最佳切削狀態。其最佳切削應滿足下列條件: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量;其二是切削狀態應是穩定的,這樣能提供均勻一致的加工質量。

　　通過對刀軸的恰當定位,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 采用先進的CNC控制系統

　　為了實現模具表面的高精度加工,要求機床的控制系統除能滿足正常的功能外,還應具備如下功有旨。

　　4.4.1先讀功能

　　先讀功能是指控制系統預先把將要執行加工的數控數據讀人計算機內存中,把這些數據點構成擬合曲線,根據曲線上各點的曲率半徑的分布情況,來調整切削進給速度的大小,以達到零件加工的高精度。在加工型面時,偏差(醞)、曲率半徑(R)、進給速度(F)的關系如下:

　　從式(1)中可以看出,當偏離量△。確定時,允許的進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,進給速度將調整到幾乎為零。

　　4.4.2公差補償功能

　　采用先讀功能技術,已大大地提高了零件的加工精度,但因機床移動部分的慣性和伺服控制系統的靈敏度等方面的因素,不可避免地要產生加工誤差。為了最大限度地減少系統加工誤差,對采用不同結構和伺服控制系統的機床加工各種形狀的零件的加工誤差,進行系統地統計分析并找出其規律性,形成加工誤差分析專家系統。這樣,當數控機床加工零件時,利用先讀功能分析即將要加工零件的形狀,根據零件的形狀特點,從專家系統的專用數據庫中提取相應的偏差值,并對相應的加工程序數據進行有效的偏差補償,從而使整體加工誤差控制在最低限度內,達到零件加工的高精度。

　　4.5零件的自動找正、對刀及加工補償

　　以往零件的找正、對刀步驟如下:按編程時建立的工件坐標系,把工件安放在機床的工作臺上,并且通過手工敲打的方法使工件坐標系的各軸與機床坐標系的對應軸平行,然后,按在模具表面上所畫的中心線和特征面進行手工找正和對刀。采用這種方法進行零件的找正和對刀存在著作業時間長、找正對刀精度差等弊病。為了克服上述缺點,應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控機床的工作臺上,機床的測量系統通過測量被加工零件上的某些特征(如基準孔、中心線、棱線等)來建立工件坐標系,并自動確定工件坐標系與機床坐標系的相互位置關系,達到零件自動找正的目的。對刀是通過在機床上放置的傳感器,對刀具控制點進行測量來完成的。在型面數控加工過程中,還可以利用放置在機床上的傳感器,定期地對刀具進行測量,以確定刀具的磨損情況,以便采取相應的加工補償措施,達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軸數控加工技術的引人為模具表面的高精度加工提供了強有力的技術保證。高速、高精度5軸數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,切削間距在0.5~以內。同時還可以通過轉動刀軸的方法使刀具處于最佳切削狀態(刀具受力平穩、變形量小)。

5 結束語

　　在模具表面的數控加工中,誤差存在于從數學模型建立到型面數控加工的整個過程的所有環節之中,因而有效地控制各個環節所產生的誤差就能對模具表面的最終加工精度進行有效的控制,從而達到模具表面加工的高精度。