汽车覆盖件模具型面的高精度数控加工

1 前言

　　随着汽车工业的不断发展,尤其是轿车工业的迅猛发展,对汽车车身的制造质量要求越来越高,因此,对加工车身冲压件的工艺装备—冲模的制造质量提出了更高的要求。为了实现模具表面的高精度加工,在采用高精度数控加工技术的前提下,必须仔细地分析影响型面高精度加工的各种因素,并相应地采取有效的预防措施,才能达到模具表面加工的高精度。本文将讨论实现模具表面高精度加工的方法。

2 模具表面数控加工原理

　　模具表面是由许多空间雕塑曲面构成的,为了实现模具表面的数控加工,必须首先构造模具表面的数字模型,该数学模型是由各类曲面构成的。在CAD/CAM软件系统中,描述曲面一般采用贝兹尔、B样条、非均匀有理B样条等方法。无论采用何种算法,它们都是通过特征点和基函数来表示一个曲面。曲面数控加工所需的刀具运动轨迹的主要计算方法如下。

　　a.等参数曲线法

　　这种方法是通过计算被加工曲面的刀具控制点的包络曲面的等参数曲线的方法,来生成刀具运动轨迹的。这种方法主要用于单一曲面的刀具运动轨迹的生成,其优点是能根据曲面的形状特点,来生成最佳的刀具运动轨迹;缺点是编程需要较高的技术水平且费时。

　　b.多曲面连续加工法

　　该方法是对一组曲面进行连续不断地加工,并自动地进行曲面和刀具间的碰撞检验川。该方法导致某些零件的加工精度不够理想。

　　c.清根加工法

　　该方法主要应用于清除两曲面凹向交线处的多余材料,以提高零件的加工精度。

　　不论采用上述的哪种刀具运动轨迹的计算方法,它们都是通过用一组曲线去逼近被加工曲面,然后用一系列的折线段在给定容差范围内去逼近计算出来的曲线。由此可见,刀具运动轨迹的生成精度主要与曲面的造型精度和曲面、曲线的逼近容差值有关。

3 模具型面实际数控加工的误差分析

　　3.1 几何造型误差

　　3.1.1 造型系统误差

　　由曲线、曲面理论可知,曲线、曲面是由一系列离散点拟合而成的,因此,所生成的曲线或曲面不可能绝对通过这些离散点,而是在一定的容差范围内逼近这些原始的离散点,因此在构造曲线、曲面时,就存在着逼近容差值。但在实际曲线、曲面造型中,逼近容差值是很小的,一般小于1μm,因此,这部分误差在数控加工中可以忽略不计。

　　3.1.2曲线、曲面光顺误差

　　在生成车身外覆盖件模具表面的几何模型时,要求所生成的曲线是光顺的,因此在构造这类曲线、曲面时,必须进行恰当的光顺处理,以生成所需的光顺曲线和曲面。为了对生成的曲线、曲面进行有效的光顺处理,必须确切地定义光顺所需的容差值,以及选择适当的光顺方法。所采用的光顺方法和光顺容差值的大小将直接影响所生成几何模型的精度。

　　3.1.3曲面参数对应性误差闭

　　曲面的参数对应性是指各个曲面都具有自身独有的等参数曲线的分布规律,即所生成的曲面与构造该曲面所需的框架曲线之间存在着固有的参数对应关系。相同的框架曲线,由于选择了不同的曲面造型方法,就能生成不同的曲面。因此,在实际曲面造型中,必须认真研究所构造曲面的特点,以及与框架曲线的相互关系,才能准确无误地构造出实际所需的曲面,否则,就会出现曲面造型误差,影响几何造型的精度。

　　3.2 数控编程不当而引起的加工质量问题

　　在数控加工中,存在着一些因数控编程方法不当而出现的加工质量问题。数控编程加工质量问题主要有两类:其一是加工出来的形状与数学模型不符,如型面的局部区域出现了过切、扎刀、加工不到位等编程问题;其二是加工出来的型面精度不符合模具表面的加工精度要求,这类数控加工质量问题是由设定一些不合理的数控加工参数而引起的。

　　3.3 加工刀具误差

　　3.3.1 刀具的形状与尺寸误差

　　由刀具运动轨迹的生成算法可知,刀具运动轨迹是依据编程时所选用的刀具类型和有关的参数计算出来的,因此要求实际数控加工时所采用的刀具与编程时所选用的刀具在类型和尺寸上都必须一致,否则,它们之间的偏差值将直接反映到被加工零件的表面上,从而影响模具表面的加工精度。

　　3.3.2 刀具的磨损

　　刀具的磨损是影响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时选用了高速钢类的刀具,这样刀具的磨损会很严重,例如,在主轴转速1000f/min之上、进给速度在1500mrn/min之上的切削状态下连续切削加工10h,刀具的磨损量为0.4mm左右,这样就会严重影响模具表面的加工精度。

　　3.3.3刀具变形

　　刀具变形也是影响模具表面高精度加工的主要因素之一。刀具变形主要与下列因素有关:

　　a.被加工零件材料的切削加工性能;

　　b.被加工零件的形状与加工余量大小;

　　d.加工刀具的类型、尺寸和锋利程度;

　　d.数控机床主轴转动的平稳性。研究实际数控加工过程可知,刀具变形的大小随着切削点的刀具受力情况的变化而变化,因此,这个因素是整个模具表面数控加工最难把握和处理的部分。

　　3.4 数控机床本身的精度

　　一般数控机床的系统误差都较小,例如,在sm的行程内,定位精度在0.025~以内,重复定位精度在0.005~以内。尽管其误差为一个随机误差,但其为正态分布,并且被牢牢地控制在某一区域内,因此,这部分误差对整个加工精度来说影响较小。

　　3.5零件的装夹和找正误差

　　零件在进行数控加工前,必须进行适当的找正、装夹处理,才能进行数控加工,这就存在着零件的找正误差,以及安装、夹紧零件时因变形而引起的装夹误差。

4 模具型面高精度数控加工的方法

　　4.1 建立准确无误的模具表面数学模型

　　为了建立准确无误的模具表面数学模型,不仅要对造型中出现的各类曲面的特性进行仔细地分析和透彻的理解,而且要弄清楚所使用的软件系统所提供的各类曲面造型功能的作用方法及技巧。同时还应总结以往在曲面造型中的成功经验,并制定出各类曲面的造型规范。对模型表面数学模型的具体要求为:

　　a.所构造的数学模型是一个完整的几何模型,不能有多余或遗漏的曲面存在;

　　b.数学模型不能有多又性,曲面修剪应干净、彻底,不应有曲面重叠现象存在,确保数学模型的唯一性;

　　C.数学模型应是连续光滑的,在两曲面的交线处,应采用适当的圆角进行过渡处理,确保数学模型的连续光滑性;

　　d.外覆盖件的数学模型应是光顺的,在外覆盖件模具表面的曲面造型中,要求所生成的曲面是光顺的,以满足车身流线型的结构需要以及外形美观要求;

　　e.数学模型中的曲面不能有异常的凸起和凹坑。

　　4.2 生成准确无误的刀具运动轨迹

　　4.2.1 合理安排数控加工工艺路线

　　在模具型面的数控加工中,如何合理地安排数控加工工艺路线,对模具的数控加工质量和效率是至关重要的。对金属模具的数控加工而言,由于模具表面所留的加工余量较大,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。为了使数控加工在质量与效率两者之间达到最优化，粗加工采用d 50mm的球头刀进行加工，切削间距选为20mm，加工余量2 mm，这样就能以最快的速度去掉毛坏表面的多余材料。半精加工采用d 30mm的球头刀进行加工，切削间距1 mm--4mm，加工余量为0.3 mm---0.5mm，这样就能有效地去掉零件表面多余材料，为精加工留下均匀的加工余量，从而确保在零件的精加工时刀具受力平稳、刀具磨损少、切削状态稳定等。清根加工是清除两曲面凹向交线处的材料，清根加工的目的有两个:其一是提高模具数控加工的质量;其二是清除两曲面凹向交线处的材料。这样可大大加快精加工时切削进给速度，从而提高数控加工效率。清根加工可采用d6mm~d 30mm不等的球头刀进行加工。模具表面精加工的工艺参数的设定方法不能一概而论，在设定加工工艺参数时应考虑下列因素:

　　各类模具的加工精度要求;

　　b.编程设备、数控加工设备的能力;

　　c.数控加工与手工加工费用的综合评价指数等。

　　4.2.2 数控加工工艺参数的确定

　　模具型面的数控加工分粗加工、半精加工、清根加工、精加工四道工序完成。针对模具的加工精度要求，数控加工工艺参数的设定方法如表1所列。

表1模具型面数控加工工艺参数的设定

　　4.2.3 合理确定走刀方式和加工方向

　　走刀方式是指生成刀具运动轨迹时刀具运动轨迹的分布方式;加工方向是指在切削加工时刀具的运动方向。这两个概念在数控编程中是很重要的,选择是否合理会直接影响零件的加工精度和加工效率,其选择原则为:根据被加工零件表面的几何形状,在保证加工精度的前提下,使切削加工时间尽可能短。

　　在型面加工的刀具运动轨迹生产技术中,可采用如下二种走刀方式:往复型走刀方式和单方向走刀方式。这两种走刀方式所形成刀具运动轨迹的优缺点如表2所列。

表2两种走刀方式比较

　　在三维型面的数控加工中,合理地选择切削加工方向是很重要的,选择最佳的切削方向,不仅能提高模具的表面加工质量,而且也能大大地提高模具的加工效率。在设置切削加工方向时,应避免与铅直面或关键棱线平行,使切削加工方向与铅直面或关键棱线成某一角度,使生成的刀具运动轨迹均匀、整齐且可靠,从而保证型面加工精度和清晰的棱线。

　　4.2.4 选择合理的加工方法

　　根据被加工曲面的特点和加工范围,选择合理的加工方法。对于曲面数量不多且曲面间的相互拓扑关系不是太复杂的零件表面,可采用等参数曲线法来生成刀具运动轨迹;对于曲面数量多或曲面间的相互拓扑关系比较复杂的零件表面可采用多曲面连续加工方法。在一般情况下,均可采用平行截面的多曲面连续加工方法。该方法的优点是生成的刀具运动轨迹均匀、整齐、可靠、速度快等;其缺点是不能反映曲面的形状特征。对于主体曲面为旋转类曲面的零件表面,应采用插值型的多曲面连续加工方法。该方法能通过定义两条插值曲线来确定轨迹的走刀方向和加工范围,使所生成的刀具运动轨迹能反映出被加工零件的形状特征,从而提高了零件表面的加工精度。对刀具运动轨迹的具体要求为:

　　a.刀具运动轨迹准确无误,无过切、扎刀等加工质量问题;

　　b.刀具运动轨迹分布均匀、整齐、便于钳工修整;

　　c.在刀具运动轨迹中,应避免主轴、铣头、刀具碰撞工件;

　　d.在数控加工过程中,刀具受力均匀,变形小;

　　e.在刀具运动轨迹中,应避免空走刀轨迹的产生,以提高数控加工效率。

　　4.3 采用合理的加工刀具和进行恰当的刀轴定位

　　4.3.1 选择合理的刀具进行数控加工

　　为了能对被加工曲面进行整体加工,必须要求刀具的球头半径小于被加工曲面凹向处的最小曲率半径,否则有些区域就不能进行彻底的加工而剩下加工余量,影响表面加工精度。

　　4.3.2 对刀轴进行恰当的定位

　　在精加工过程中,应根据被加工曲面的形状特点,对刀轴相对于被加工曲面的法矢量方向进行恰当的定位,以获得最佳切削状态。其最佳切削应满足下列条件:其一是刀具与零件的接触点必须不能与刀具的底端中心点一致,因该点的切削速度为零,两点一致将使刀具磨损大大加剧,同时也降低了加工表面的质量;其二是切削状态应是稳定的,这样能提供均匀一致的加工质量。

　　通过对刀轴的恰当定位,可减少使用刀具的长度来提高刀具的刚性;还可以减少刀具与被加工零件材料的接触面积,使刀具所受的切削力大大减少,从而改善刀具的变形程度。

　　4.4 采用先进的CNC控制系统

　　为了实现模具表面的高精度加工,要求机床的控制系统除能满足正常的功能外,还应具备如下功有旨。

　　4.4.1先读功能

　　先读功能是指控制系统预先把将要执行加工的数控数据读人计算机内存中,把这些数据点构成拟合曲线,根据曲线上各点的曲率半径的分布情况,来调整切削进给速度的大小,以达到零件加工的高精度。在加工型面时,偏差(酝)、曲率半径(R)、进给速度(F)的关系如下:

　　从式(1)中可以看出,当偏离量△。确定时,允许的进给速度与曲率半径成正比。在特殊情况下,如即将加工到某条棱线时,该棱线处型面的曲率半径几乎等于零,为了保证加工精度,进给速度将调整到几乎为零。

　　4.4.2公差补偿功能

　　采用先读功能技术,已大大地提高了零件的加工精度,但因机床移动部分的惯性和伺服控制系统的灵敏度等方面的因素,不可避免地要产生加工误差。为了最大限度地减少系统加工误差,对采用不同结构和伺服控制系统的机床加工各种形状的零件的加工误差,进行系统地统计分析并找出其规律性,形成加工误差分析专家系统。这样,当数控机床加工零件时,利用先读功能分析即将要加工零件的形状,根据零件的形状特点,从专家系统的专用数据库中提取相应的偏差值,并对相应的加工程序数据进行有效的偏差补偿,从而使整体加工误差控制在最低限度内,达到零件加工的高精度。

　　4.5零件的自动找正、对刀及加工补偿

　　以往零件的找正、对刀步骤如下:按编程时建立的工件坐标系,把工件安放在机床的工作台上,并且通过手工敲打的方法使工件坐标系的各轴与机床坐标系的对应轴平行,然后,按在模具表面上所画的中心线和特征面进行手工找正和对刀。采用这种方法进行零件的找正和对刀存在着作业时间长、找正对刀精度差等弊病。为了克服上述缺点,应采用自动找正和对刀的新方法,其具体操作步骤为:被加工的零件可按任意方位安装在数控机床的工作台上,机床的测量系统通过测量被加工零件上的某些特征(如基准孔、中心线、棱线等)来建立工件坐标系,并自动确定工件坐标系与机床坐标系的相互位置关系,达到零件自动找正的目的。对刀是通过在机床上放置的传感器,对刀具控制点进行测量来完成的。在型面数控加工过程中,还可以利用放置在机床上的传感器,定期地对刀具进行测量,以确定刀具的磨损情况,以便采取相应的加工补偿措施,达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轴数控加工技术的引人为模具表面的高精度加工提供了强有力的技术保证。高速、高精度5轴数控加工方法的主要特点是采用微量切削方式,精加工余量控制在0.5~以内,切削间距在0.5~以内。同时还可以通过转动刀轴的方法使刀具处于最佳切削状态(刀具受力平稳、变形量小)。

5 结束语

　　在模具表面的数控加工中,误差存在于从数学模型建立到型面数控加工的整个过程的所有环节之中,因而有效地控制各个环节所产生的误差就能对模具表面的最终加工精度进行有效的控制,从而达到模具表面加工的高精度。