模具生產的研究與探索

史中英

摘 要：當今，“模具就是產品質量”“模具就是經濟效益”的觀念，已被越來越多的人所接受。使用模具生成零件，具有生產率高、質量好、成本低和節約能源與原材料等一系列優點，已成為當代工業生產的重要手段和工藝發展方向。

關鍵詞：模具生產 銑削力的建模預報技術 銑削模型的加工參數優化

模具生產一般可分為設計、工藝規劃、加工和裝配調試等幾個階段，必須抓住每個階段的關鍵環節，才能有效縮短整個模具生產的周期。在工作量最大的模具加工階段，數控加工技術的應用對縮短整個模具生產周期可起到關鍵作用，尤其是飛機、汽車和輪船上的主要零件以及大量的塑料制品，這類零件的模具工作部分或相關電極一般是通過數控加工完成的，加工時間（包括數控編程、切削加工和拋光時間）占整個制造周期的60%以上，其中切削時間是最主要的，約占整個制造周期的30%～50%。

一、銑削力的建模預報技術

關于銑削力的研究在整個虛擬加工和加工過程仿真領域處于基礎核心地位。

1.切屑厚度的計算方法

關于切屑厚度的計算，主要是繼承和發展圓柱銑刀銑削切屑厚度的表達方式。由于圓柱銑刀主要用于兩軸半加工，相關的切屑厚度計算是二維的。適用于三軸曲面加工的切屑厚度計算，比較具有代表性的有：Ohio州立大學的Feng H Y 和Menq C H團隊研究球頭銑刀切削力，應用基礎切削幾何，計算未變形切屑厚度沿切削刃的分布（1994）。西班牙的A·Lamikiz等學者利用了坐標變換的數學表達，計算斜面銑削時的切屑厚度，適用于三維計算（2004）。

2.切削系數的確定

傳統的切削系數是通過平面槽銑試驗，計算平均切削力和平均切屑厚度比值得到的。由于平均切削力和平均厚度的計算弱化了峰值效應，使得預測的切削力在波峰和波谷部位嚴重失真。并且計算得到的切削系數僅局限于試驗范圍，所以試驗量太大。這里介紹的兩種切削系數的試驗方法很具有革新性。

Altintas等人的方法還是基于傳統的假設，認為切削系數是切屑厚度等切削參數的函數，從車削試驗數據，應用斜角變換理論，計算適用于銑削的切削系數（1996）。

Dong-Woo Cho 等學者研究了圓柱銑刀銑削試驗，認為對應于特定的工件材料時，切削系數是常數。從而避免了大量的試驗。并且系數的適用范圍不僅局限于試驗范圍（1999）。

3.切觸區域的判斷

切觸區域的判斷主要是界定參與切削的刀刃范圍，由于很長一段時間該領域的研究局限于平面加工，避免了切觸區域判斷的問題。對于三維曲面加工，目前文獻上關于切觸區域判斷的研究主要有兩種方法，一是應用Z-MAP數據格式表示工件和刀具得到的投影表示。再有就是基于實體模型布爾運算方法表示。前者算法穩定，效率高，但是存在離散精度問題。后者精度高，但是效率低下，對硬件系統要求太高。

韓國的G.M.Kim，B.H.Kim，C.N.Chu應用Z-MAP數據存儲格式構建曲面和刀具，通過判斷z向高度差異，用投影方法表示切觸區域（2000）。

加拿大的A.D.Spence和Altintas研究了實體模型來判斷切觸區域，應用實體模型布爾運算表示工件刀具切觸區域（1999）。

4.刀具幾何參數

精確預測計算銑削力需要精確的刀具幾何參數。由于刀具制造廠家在刀具制造的時候處于強度考慮和磨削制造誤差，一般刀刃曲線和設計曲線有出入。因此對于刀刃曲線的描述目前比較常用的有兩種方法：一種就是按照設計刀刃的理論曲線，認為球頭刀刃曲線是圓柱銑刀刀刃曲線在球頭上的投影；另一種是在刀刃曲線上設定坐標系，測量刀刃曲線的點坐標，擬合曲線。

臺灣成功大學的王俊志、鄭嘉敏等學者研究切削力時應用的刀刃形狀是理論曲線即圓柱銑刀刃線在球頭上的

投影。

土耳其的B.U.Guzel等學者研究球頭銑刀銑削力時，利用數碼相機放大照相球頭刃形線，建立坐標系，取點擬合曲線（2004）。

5.刀具撓曲變形的計算

刀具撓曲的研究是考慮刀具受力，引起撓曲變形。目前關于撓度的理論方法還是一直沿用圓柱銑刀銑削理論，假設刀具是懸臂梁，應用靜力試驗方法測定刀具剛度。

美國的Thomas A. Dow等學者研究了小直徑銑刀的加工撓度的誤差補償技術。應用開環的控制手段考慮切削力和軸向力引起的刀具撓度對工件表面形狀的影響，通過改進刀具路徑，減小形狀誤差（2004）。

上海交通大學國家模具重點實驗室的倪其民、李從心等人應用實體造型方法判斷刀刃參與切削的區域，建立了三分量的球頭銑刀銑削力模型。但是回避了計算時間的討論（2002）。

二、基于銑削模型的加工參數優化

切削力的不穩定很可能造成刀具的折斷、崩刃、欠切等。這在模具加工中是絕對不允許的，尤其是模具型腔的精加工。所以很有必要對進給速度、加工余量等加工參數進行優化，以達確保切削力平穩，進而提高加工效率，保證加工質量。

1.進給速度優化

對進給速度的優化主要有在線方式和離線方式。在線方式需要針對不同的機床安裝不同的設備，費用比較大。而且切削力采集的是主軸的切向力，這對于重切削（端面銑削和周銑）是比較合適的。而在模具型腔的加工中，加工刀具往往是嵌入式刀具，只能適合輕切削的加工條件。而且即使材料去除體積一樣，但刀具與工件的切觸情況不同，刀具受力是不一樣的。在切削力瞬時模型的基礎上，需對復雜曲面加工中的進給速度進行優化。

Feng H Y，Su N采用循環迭代的方法求得不同的切削力分量，在每次迭代中進給速度調整，直到切削力值達到設定的范圍（2000）。

2.加工余量預測

通常模具型腔等曲面類零件的數控銑削加工可以分為三個階段：粗加工、半精加工和精加工。粗加工的任務是盡可能多地切除大部分多余材料（余量），高的生產效率是其追求的主要目標；精加工的主要任務是最終加工出滿足設計要求的零件，高的加工精度，包括尺寸精度、形狀精度和表面精度是其主要的目標；而半精加工則通常是為精加工做準備。因此尋求新的簡單、易行、可靠的適應高表面質量要求曲面精加工特點（既要保持恒定的切削力又要保持穩定的進給速度）的切削力控制方法，是一個很只得研究的課題。通過改變現有的半精加工所留余量相等的做法，使得加工余量按照能使精加工時切削力均勻分布，即變等厚余量為等切削力余量。

上海交通大學的倪其民、李從心、阮雪愉等人提出了通過控制加工余量的分布來實現曲面產品恒定切削力精加工方法的基本思想。并對于余量的計算方法做了基本的理論研究。

關于數控加工參數優化的研究正在世界各國展開，但現有的研究還不能產業化，沒有實現實時監控加工過程。目前該領域公認的發展趨勢是：基于刀具撓度的形狀誤差預測應該集成到下一代CAD/CAM系統中，根據加工條件和切削參數，工件幾何形狀，刀具、工件材料等實時地預測切削力，指導工程研究人員合理制定加工工藝和選定加工參數。

（作者單位：煙臺工程職業技術學院）endprint