史中英

摘 要：當(dāng)今，“模具就是產(chǎn)品質(zhì)量”“模具就是經(jīng)濟(jì)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(chǎn)率高、質(zhì)量好、成本低和節(jié)約能源與原材料等一系列優(yōu)點，已成為當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)的重要手段和工藝發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：模具生產(chǎn) 銑削力的建模預(yù)報技術(shù) 銑削模型的加工參數(shù)優(yōu)化

模具生產(chǎn)一般可分為設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工和裝配調(diào)試等幾個階段，必須抓住每個階段的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，才能有效縮短整個模具生產(chǎn)的周期。在工作量最大的模具加工階段，數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用對縮短整個模具生產(chǎn)周期可起到關(guān)鍵作用，尤其是飛機(jī)、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(guān)電極一般是通過數(shù)控加工完成的，加工時間（包括數(shù)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(yù)報技術(shù)

關(guān)于銑削力的研究在整個虛擬加工和加工過程仿真領(lǐng)域處于基礎(chǔ)核心地位。

1.切屑厚度的計算方法

關(guān)于切屑厚度的計算，主要是繼承和發(fā)展圓柱銑刀銑削切屑厚度的表達(dá)方式。由于圓柱銑刀主要用于兩軸半加工，相關(guān)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(xué)的Feng H Y 和Menq C H團(tuán)隊研究球頭銑刀切削力，應(yīng)用基礎(chǔ)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(xué)者利用了坐標(biāo)變換的數(shù)學(xué)表達(dá)，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(shù)的確定

傳統(tǒng)的切削系數(shù)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(yīng)，使得預(yù)測的切削力在波峰和波谷部位嚴(yán)重失真。并且計算得到的切削系數(shù)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(shù)的試驗方法很具有革新性。

Altintas等人的方法還是基于傳統(tǒng)的假設(shè)，認(rèn)為切削系數(shù)是切屑厚度等切削參數(shù)的函數(shù)，從車削試驗數(shù)據(jù)，應(yīng)用斜角變換理論，計算適用于銑削的切削系數(shù)（1996）。

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

3.切觸區(qū)域的判斷

切觸區(qū)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(lǐng)域的研究局限于平面加工，避免了切觸區(qū)域判斷的問題。對于三維曲面加工，目前文獻(xiàn)上關(guān)于切觸區(qū)域判斷的研究主要有兩種方法，一是應(yīng)用Z-MAP數(shù)據(jù)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(yùn)算方法表示。前者算法穩(wěn)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(tǒng)要求太高。

韓國的G.M.Kim，B.H.Kim，C.N.Chu應(yīng)用Z-MAP數(shù)據(jù)存儲格式構(gòu)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(qū)域（2000）。

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

4.刀具幾何參數(shù)

精確預(yù)測計算銑削力需要精確的刀具幾何參數(shù)。由于刀具制造廠家在刀具制造的時候處于強(qiáng)度考慮和磨削制造誤差，一般刀刃曲線和設(shè)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(shè)計刀刃的理論曲線，認(rèn)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(shè)定坐標(biāo)系，測量刀刃曲線的點坐標(biāo)，擬合曲線。

臺灣成功大學(xué)的王俊志、鄭嘉敏等學(xué)者研究切削力時應(yīng)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(xué)者研究球頭銑刀銑削力時，利用數(shù)碼相機(jī)放大照相球頭刃形線，建立坐標(biāo)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(guān)于撓度的理論方法還是一直沿用圓柱銑刀銑削理論，假設(shè)刀具是懸臂梁，應(yīng)用靜力試驗方法測定刀具剛度。

美國的Thomas A. Dow等學(xué)者研究了小直徑銑刀的加工撓度的誤差補(bǔ)償技術(shù)。應(yīng)用開環(huán)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(jìn)刀具路徑，減小形狀誤差（2004）。

上海交通大學(xué)國家模具重點實驗室的倪其民、李從心等人應(yīng)用實體造型方法判斷刀刃參與切削的區(qū)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(shù)優(yōu)化

切削力的不穩(wěn)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(jìn)給速度、加工余量等加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)確保切削力平穩(wěn)，進(jìn)而提高加工效率，保證加工質(zhì)量。

1.進(jìn)給速度優(yōu)化

對進(jìn)給速度的優(yōu)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(jī)床安裝不同的設(shè)備，費(fèi)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(chǔ)上，需對復(fù)雜曲面加工中的進(jìn)給速度進(jìn)行優(yōu)化。

Feng H Y，Su N采用循環(huán)迭代的方法求得不同的切削力分量，在每次迭代中進(jìn)給速度調(diào)整，直到切削力值達(dá)到設(shè)定的范圍（2000）。

2.加工余量預(yù)測

通常模具型腔等曲面類零件的數(shù)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(wù)是盡可能多地切除大部分多余材料（余量），高的生產(chǎn)效率是其追求的主要目標(biāo)；精加工的主要任務(wù)是最終加工出滿足設(shè)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(biāo)；而半精加工則通常是為精加工做準(zhǔn)備。因此尋求新的簡單、易行、可靠的適應(yīng)高表面質(zhì)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(wěn)定的進(jìn)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(xiàn)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(xué)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(xiàn)曲面產(chǎn)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(guān)于數(shù)控加工參數(shù)優(yōu)化的研究正在世界各國展開，但現(xiàn)有的研究還不能產(chǎn)業(yè)化，沒有實現(xiàn)實時監(jiān)控加工過程。目前該領(lǐng)域公認(rèn)的發(fā)展趨勢是：基于刀具撓度的形狀誤差預(yù)測應(yīng)該集成到下一代CAD/CAM系統(tǒng)中，根據(jù)加工條件和切削參數(shù)，工件幾何形狀，刀具、工件材料等實時地預(yù)測切削力，指導(dǎo)工程研究人員合理制定加工工藝和選定加工參數(shù)。

（作者單位：煙臺工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院）endprint