模具型面定位五軸加工刀軸方向的優化措施分析

林球東

摘 要：五軸加工法在制造業的模具加工過程中應用非常廣泛。在實際的加工過程中，五軸加工的編程和操作技術是一項非常復雜的工作，稍有不慎就會出現嚴重的模具質量問題。本文以模具型面定位五軸加工刀軸方向的優化方法和操作流程為中心，論述了五軸加工刀軸方向的優化的流程和方法，指出了刀軸傾角、工作區域的區分等重要技術，為實現模具加工工藝的進步提供參考。

關鍵詞：模具型面 刀軸方向 加工區域 五軸加工

中圖分類號：TG76 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（a）-0070-01

在機械設備的模具的加工制造工作中，像汽車覆蓋見這樣的形狀復雜、尺寸變化大、表面質量要求高的產品，為保證加工模具型號符合設計要求，制造廠家往往會使用定位五軸的加工方法。應用這一工藝進行加工實際上就是將曲面的加工區域以近似平面加工的方式進行加工。在工作中，通過調整刀軸的角度，使加工過程中的切削速率等于零，使產品符合要求，這種方法在實際工作中是可行的。而調整好刀軸的方向就成為這一工藝的關鍵環節。

1 刀軸方向優化流程

定位五軸加工的技術理念是將加工區域看作一個符合要求的操作平面，調整刀軸的方向使之符合加工質量要求進行操作的過程。而刀軸的方向確定需要依據創造出的假想平面所包含的法矢方向和刀軸傾角。對于形狀復雜的模具是不可能一次性的加工完成的，在加工中需要根據設計要求將模具劃分成若干個加工區域。對刀軸方向進行優化的前提是綜合加工材料和刀具材料的具體因素，選擇最為適合的刀軸傾角。為此我們在總結實際加工經驗的基礎上制定出對刀軸方向進行優化的流程圖（如圖1所示）。首先，在進行模具的加工之前需要對模具特點進行分析，設定加工型面。其次，以最優平面設想劃定加工區域。再次，是根據區域設計出最優的刀軸方向。最后，進行儀器的數控編程工作，其他區域同樣按照這樣的工作流程完成加工。其中刀軸傾角的優化選擇和加工區域的劃定是完成模具的技術關鍵點。

2 型面定位五軸加工刀軸方向優化的技術措施

2.1 對刀軸傾角的優化

2.1.1 優化刀軸傾角提高切削效果

加工區域的位置的曲面法矢同刀軸方向之間形成的夾角形成了刀軸傾角，經過實踐證明，刀軸傾角對刀具切削過程中的平穩性和磨損程度有很大的影響。出于保證面五軸加工方式的加工質量，我們應當對刀軸傾角和刀具切削性之間的關系進行認真分析，使模具切削面法矢和刀軸方向之間形成的夾角得到優化，這是實現刀軸方向優化的先決條件。

2.1.2 對刀軸傾角進行優化的措施

為了保證刀軸傾角的優化效果，我們需要將與加工誤差和刀具使用年限有關的切削力和溫度作為研究分析的對象。論證的方法包括理論分析、試驗驗證和有限元模擬等，從實現刀軸傾角的優化。

同其他的物理、化學試驗不同，五軸加工的工序復雜、需要投入很多的人力和物力、而且有效數據獲取困難，對于探索加工模具切削過程中的各項物理變化規律是很有明顯的效果的。所以，僅僅依靠實際操作試驗效率極慢。理論分析的先決條件是需要建立準確的切削過程的數據模型，而模型建立必須以大量的實際試驗為基礎，同樣是費時費力。所以，我們應當將現代計算機模擬技術引入研究中，現有的有限元模擬技術克服了傳統的實體試驗的弊端，免去了實際操作的消耗，而采用計算機模擬切削過程的方法，清晰的模擬出在切削過程中各種應力和溫度的變化趨勢，這是進行刀軸方向優化研究的有效辦法。

在計算機切削加工有限元模擬試驗中，第一步，建立起可以反映出加工材料應力、應變率和加工當中溫度變化規律的數據模型；第二步，針對加工過程中各種力學的變化情況建立起描述模型；第三步，需要在理想狀態下將形狀復雜的切削區域劃分成若干個部分，采用有限形態的參數形式表現出來，建立起切削加工程序的力學仿真模型；第四步，是在不斷的演化試驗過程中對模型進行校正，使其更加接近實際加工過程。這是運用有限元模擬試驗對刀軸傾角進行優化的措施，但是由于加工過程中，模具形狀千差萬別，刀軸傾角也會隨之變化，因此模擬試驗所得結果僅能在一定范圍內有效。

2.2 加工區域的劃定

對于形狀復雜的模具需要劃定不同的加工區域，這樣能夠避免零切速度不斷發生變化，確保刀軸傾角始終處于最佳位置。合理的劃定加工區域是取得理想的加工效果的保障。但需注意，加工區域不能劃分太細，這樣會增加數控機床的操作程序，而且接刀點太多也會影響加工模具表面的質量。具體的優化措施是將模具的整體的型面劃分成點，密度要均勻，同時測算出各點的法向矢量；通過神經網絡聚類的功能，測算出法向矢量同最優的刀軸傾角之間的最小誤差的步距，通過各點的連接劃定區域。

3 結語

綜上所述，對于模具型面定位五軸加工刀軸方向的優化研究應以現代計算機模擬技術為基礎。克服傳統試驗方法的不足，采用科學的分析方法，對刀軸傾角進行優化設計，合理的劃分加工區域，保證加工的質量和效率。

參考文獻

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