李勇華 盧柱陽(yáng) 陳明耀

（廣西玉林農(nóng)業(yè)學(xué)校，廣西 玉林 537000）

機(jī)械制造業(yè)水平是衡量一個(gè)國(guó)家基礎(chǔ)工業(yè)水平的重要標(biāo)志。機(jī)械制造業(yè)的各種加工任務(wù)均對(duì)模具有更高的精度要求和形位誤差要求[1]，并對(duì)模具的曲面有不同于普通機(jī)械產(chǎn)品的加工要求，如要求模具的加工寬度比一般的加工寬度要窄，模具的加工深度比一般的加工深度要深，這就對(duì)機(jī)械加工理論和機(jī)械加工工藝提出了更高的要求[2]。在模具加工方面，三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的使用是比較成熟的加工方法。但是隨著模具曲面的復(fù)雜程度日益增高，對(duì)精度、耐磨性等各項(xiàng)指標(biāo)的要求也日益提升，因此需要將更多自由度的機(jī)床運(yùn)用到模具加工過(guò)程中[3]。為了滿足模具更高標(biāo)準(zhǔn)的加工要求，需要對(duì)模具曲面進(jìn)行合理分析，對(duì)復(fù)雜的曲面進(jìn)行區(qū)域化分，從而使一個(gè)區(qū)域的加工具有更好的規(guī)律性和連續(xù)性。完成合理的加工區(qū)域化分后，需要對(duì)整個(gè)模具的加工過(guò)程進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。判定模具加工工藝是否合理時(shí)，需要采用仿真工具進(jìn)行分析。該文的整個(gè)研究就是從這3 個(gè)方面進(jìn)行的。

1 模具曲面的區(qū)域劃分

在模具曲面加工過(guò)程中，對(duì)整個(gè)模具曲面進(jìn)行區(qū)域劃分是分解加工難度、在每個(gè)區(qū)域執(zhí)行規(guī)律加工的一個(gè)前提性工作。模具曲面的區(qū)域劃分是以各個(gè)區(qū)域的特征差異為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)特殊的參數(shù)進(jìn)行劃分，最后提取出各個(gè)區(qū)域的邊界，即完成區(qū)域的劃分。模具曲面區(qū)域劃分中的主要參數(shù)依據(jù)一般為曲面的曲率，并按照曲率的分布范圍進(jìn)行劃分。在實(shí)際情況下，不同模具因設(shè)計(jì)和使用要求的差異而存在多種多樣的曲面形態(tài)，但一般可以將其劃分為7 個(gè)區(qū)域類型，如圖1 所示。

圖1 模具曲面類型的7 類劃分方法

第一類為平面類型的曲面區(qū)域，第二類為凹形柱面類型的曲面區(qū)域，第三類為凹形橢圓面類型的曲面區(qū)域，第四類為凹形馬鞍面類型的曲面區(qū)域，第五類為凸形柱面類型的曲面區(qū)域，第六類為凸形橢圓面類型的曲面區(qū)域，第七類為凸形馬鞍面類型的曲面區(qū)域。

B 樣條曲面是模具曲面的常見(jiàn)構(gòu)型方法，其實(shí)質(zhì)是通過(guò)一族曲線擬合表達(dá)出曲面，并根據(jù)權(quán)重、頂點(diǎn)等信息的控制和變化形成對(duì)復(fù)雜曲面的表達(dá)。B 樣條曲面的模具曲面構(gòu)型法的數(shù)學(xué)表達(dá)如公式（1）所示。

式中：u代表了模具曲面構(gòu)型中水平方向上的曲線；v代表了模具曲面構(gòu)型中垂直方向上的曲線；dij代表了構(gòu)型出B 樣條曲面后的控制點(diǎn)；wij代表了B 樣條曲面后的控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)的權(quán)重；Nik（u）代表了構(gòu)型出B 樣條曲面在水平方向上的樣條基數(shù)；Njl（v）代表了構(gòu)型出B 樣條曲面在垂直方向上的樣條基數(shù)。

對(duì)曲面進(jìn)行區(qū)域劃分的重要參數(shù)是曲面曲率，對(duì)曲面內(nèi)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行曲率計(jì)算，就可以對(duì)類似曲率的點(diǎn)形成區(qū)域集合，從而將其劃歸為一個(gè)區(qū)域。設(shè)定曲面的一階和二階偏導(dǎo)數(shù)全部可求，那么曲面的2 種表達(dá)方式如下。

第一，基于一階偏導(dǎo)數(shù)的曲面表達(dá)如公式（2）所示。

式中：u代表了模具曲面構(gòu)型中水平方向上的曲線；v代表了模具曲面構(gòu)型中垂直方向上的曲線；Su代表了從模具曲面計(jì)算出的沿著水平方向的一階偏導(dǎo)結(jié)果；Sv代表了從模具曲面計(jì)算出的沿著垂直方向的一階偏導(dǎo)結(jié)果。

第二，基于二階偏導(dǎo)數(shù)的曲面表達(dá)，如公式（3）所示。

式中：u代表了模具曲面構(gòu)型中水平方向上的曲線；v代表了模具曲面構(gòu)型中垂直方向上的曲線；Suu代表了從模具曲面計(jì)算出的沿著水平方向的二階偏導(dǎo)結(jié)果；Svv代表了從模具曲面計(jì)算出的沿著垂直方向的二階偏導(dǎo)結(jié)果；Suv代表了從模具曲面計(jì)算出的先沿著水平方向、再沿著垂直方向的二階偏導(dǎo)結(jié)果；Svu代表了從模具曲面計(jì)算出的先沿著垂直方向、再沿著水平方向的二階偏導(dǎo)結(jié)果。

將相同曲率值劃歸為一個(gè)集合所形成的各個(gè)區(qū)域，即為曲面的區(qū)域劃分，模具曲面的區(qū)域劃分示意結(jié)果如圖2 所示。

圖2 模具曲面區(qū)域劃分的示意結(jié)果

2 模具曲面的加工工藝

在目前機(jī)械加工的總體水平以及模具曲面加工精度、加工效率的影響下，數(shù)控加工已經(jīng)成為模具曲面加工的主流方法。因此，模具曲面的加工工藝流程設(shè)計(jì)應(yīng)該以數(shù)控加工為背景來(lái)進(jìn)行，該文的加工工藝流程設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 模具曲面加工的工藝流程

從圖3 可以看出，該文的模具曲面加工工藝包括4 個(gè)大的步驟：第一步，對(duì)模具曲面加工的參數(shù)要求、特征要求和精度要求進(jìn)行整理歸檔。第二步，在CAD/CAM 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)平臺(tái)下，對(duì)模具曲面的加工進(jìn)行數(shù)控程序設(shè)計(jì)。第三步，將已經(jīng)編制的數(shù)控程序匹配到數(shù)控機(jī)床上，這里又可以分為5 個(gè)子步驟，分別是加工階段的劃分、加工毛坯的選擇、加工刀具的選擇、切削參數(shù)的設(shè)計(jì)以及其他參數(shù)的設(shè)定。第四步，是將模具曲面數(shù)控加工程序轉(zhuǎn)換成加工工藝流程卡，這一卡片將在實(shí)際中指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作工人和數(shù)控機(jī)床的動(dòng)作。

在加工階段的劃分中一般應(yīng)遵循3 個(gè)原則：第一原則，工序集中的原則；第二原則，先主后次的原則；第三原則，先粗后精的原則。1）工序集中，可以最大限度地提升效率，加快加工進(jìn)度，且對(duì)數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)也容易實(shí)現(xiàn)工序集中。2）先主后次，可以提升主要尺寸、主要形狀的工藝滿足程度。3）先粗后精，可以在粗加工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并及時(shí)調(diào)整各種基準(zhǔn)，以保證精加工的效果。從工序流程的設(shè)計(jì)上看，應(yīng)該本著粗加工、半精加工、精加工的策略。

對(duì)加工過(guò)程中關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行選擇和設(shè)定也是非常重要的工作。其中，主軸轉(zhuǎn)速一般按照公式（4）進(jìn)行設(shè)計(jì)。

式中：n代表模具曲面加工過(guò)程中的主軸轉(zhuǎn)速；vc代表模具曲面加工過(guò)程中刀具的切削速度；d代表模具曲面加工過(guò)程中的刀具的直徑。

切削深度也是模具曲面加工過(guò)程中非常重要的參數(shù)，其合理的選擇對(duì)曲面加工質(zhì)量和效率都有直接的影響。如果切削深度的選擇較大，雖然可以以更快的速度完成加工，但是對(duì)刀具的磨損也會(huì)更快，從而影響刀具的使用壽命。

切削寬度在很大程度上受刀具最大直徑的影響，一般將其設(shè)定為刀具最大直徑的0.6～0.9 倍。雖然切削寬度設(shè)定較大可以提高加工效率和加工速度，但同樣也會(huì)影響刀具的使用壽命。

進(jìn)給速度也是影響加工效率和加工質(zhì)量的重要參數(shù)，其計(jì)算如公式（5）所示。

式中：vf代表了模具曲面加工的進(jìn)給速度；z代表了模具加工主軸的回轉(zhuǎn)齒輪齒數(shù)；n代表了模具加工主軸的轉(zhuǎn)速；fz代表了模具加工主軸的每齒進(jìn)給量。

3 模具曲面的仿真加工

上述對(duì)模具曲面加工的區(qū)域劃分、加工工藝等進(jìn)行了研究，為了驗(yàn)證這些研究的有效性和可用性，該文將通過(guò)仿真試驗(yàn)進(jìn)行模具加工的仿真分析。這里選擇的仿真軟件是常用的三維軟件平臺(tái)UG。

該試驗(yàn)將一個(gè)以多凹槽平面為主要結(jié)構(gòu)的模具進(jìn)行加工，其三維視圖如圖4 所示。

圖4 多凹槽平面的模具結(jié)構(gòu)

從圖4 可以看出，這個(gè)模具的主體形態(tài)是一個(gè)長(zhǎng)方體，長(zhǎng)方體的上表面開(kāi)了3 個(gè)凹槽，3 個(gè)凹槽的深度相同。從形態(tài)上看，雖然這個(gè)模具沒(méi)有復(fù)雜的曲面且加工部位主要是凹槽的平面，但是這3 個(gè)凹槽比較窄，并有一定加工深度，這對(duì)加工提出了很高的要求。

模具凹槽曲面的加工工藝按照粗加工、半精、精加工的次序進(jìn)行。其中，粗加工階段選擇平底銑刀，其刀具直徑為2mm，銑削刃長(zhǎng)度為10mm，刀具整體長(zhǎng)度為70mm。半精加工和精加工階段選擇球頭刀，其刀具直徑為1mm，銑削刃長(zhǎng)度為10mm，刀具整體長(zhǎng)度為60mm。

根據(jù)上述選擇和設(shè)定，整個(gè)加工工藝流程設(shè)計(jì)中的各主要參數(shù)配置見(jiàn)表1。

表1 模具型槽曲面加工的參數(shù)配置

從表1 可以看出，精加工階段又分為整體精加工和6個(gè)區(qū)域精加工，6 個(gè)區(qū)域的劃分與模具帶有3 個(gè)凹槽有關(guān)。除此以外，表1 中還給出了每道工序所使用的刀具、主軸轉(zhuǎn)速、銑削深度以及銑削寬度等參數(shù)的配置情況。3 個(gè)型槽曲面的加工路線如圖5 所示。

圖5 3 個(gè)型槽曲面的加工路線

從圖5可以看出，3個(gè)型槽曲面的加工路線是從左側(cè)第一個(gè)凹槽的上方下刀，一直加工到下方。再平行移動(dòng)刀具來(lái)到中間凹槽的位置，自下而上完成第二個(gè)凹槽的加工。再斜向下移動(dòng)刀具來(lái)到右側(cè)凹槽的位置，自下而上完成第三個(gè)凹槽的加工。

4 結(jié)論

在各類機(jī)械加工中，模具的精度要求高、工藝流程復(fù)雜且加工難度大。為了更好地完成模具加工，該文以模具曲面加工為核心進(jìn)行研究。首先，對(duì)模具曲面進(jìn)行分類，并對(duì)復(fù)雜模具曲面的加工任務(wù)進(jìn)行區(qū)域劃分，提出了基于曲率的劃分方法并展示了區(qū)域分割效果。其次，提出了曲面區(qū)域加工的步驟、工序劃分標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置。最后，以多凹槽曲面模具為研究對(duì)象，在UG 平臺(tái)下完成了仿真加工分析，并在仿真過(guò)程中論述了刀具選擇、工序設(shè)定、參數(shù)配置和加工路線等。