復(fù)雜模具自由曲面拋光工藝規(guī)劃的研究①

王桂蓮， 郭曉云， 李小海， 劉新柱， 王云劍

(佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

模具自由曲面拋光工藝規(guī)劃的任務(wù)是在滿足表面加工質(zhì)量要求的前提下，根據(jù)已知工件信息和在線檢測(cè)信息，給出磨具類型與參數(shù)、拋光軌跡、加工參數(shù)等工藝信息，這是實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)加工過程的保證.拋光是一個(gè)復(fù)雜的材料去除過程，其工藝模型的建立與具體的加工設(shè)備、加工方式等條件有關(guān)，目前國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)機(jī)器人拋光工藝模型、加工表面在線檢測(cè)等進(jìn)行了研究[1～4].對(duì)拋光步驟的規(guī)劃，大多是根據(jù)已知被加工表面質(zhì)量和加工要求，合理規(guī)劃出拋光步驟，在每步中選擇磨具粒度、拋光壓力、工具轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度及拋光次數(shù)等，國(guó)外的日本、韓國(guó)在此方面都進(jìn)行了深入研究[5～6].近些年，國(guó)內(nèi)對(duì)精密拋光工藝規(guī)劃方法也展開了研究，已利用特征提取方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和模糊集理論等建立了拋光工藝規(guī)劃模型[7～9].

目前對(duì)模具自由曲面拋光工藝的研究，大多數(shù)都是對(duì)工藝中某個(gè)部分的研究較為詳細(xì)深入，但整體進(jìn)行系統(tǒng)研究的較少，很多還都處于研究和實(shí)驗(yàn)階段，還沒有通用且成熟應(yīng)用的拋光工藝規(guī)劃方法以及對(duì)模具自由曲面拋光動(dòng)態(tài)工藝規(guī)劃的研究，基于此，本文對(duì)復(fù)雜模具自由曲面拋光的工藝規(guī)劃步驟進(jìn)行研究，針對(duì)拋光過程中拋光次數(shù)的確定依據(jù)進(jìn)行了總結(jié)和探索.

1 拋光工藝規(guī)劃步驟

自由曲面拋光工藝規(guī)劃步驟如圖1所示，首先根據(jù)已知信息，例如工件材料、尺寸、型面特征和曲率、具體加工要求等，對(duì)自由曲面進(jìn)行分區(qū);根據(jù)分區(qū)后的曲面類型、尺寸和在整個(gè)空間上的位置，合理選擇拋光磨具類型和型號(hào);確定拋光路徑;根據(jù)被加工表面拋光前的表面質(zhì)量，確定各類磨具的使用順序，進(jìn)行加工參數(shù)優(yōu)化.從以上分析可以看出，對(duì)于一個(gè)大型復(fù)雜模具自由曲面，整個(gè)拋光工藝規(guī)劃層次如圖2所示.實(shí)際上，理想的自由曲面拋光工藝規(guī)劃應(yīng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，即在加工過程中，根據(jù)拋光后被加工表面質(zhì)量的在線檢測(cè)或預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)的結(jié)果，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行適時(shí)調(diào)整.

2 自由曲面分片、磨具的選擇及路徑規(guī)劃

對(duì)于大型復(fù)雜模具自由曲面，為提高加工效率和表面質(zhì)量，在工藝規(guī)劃中首先對(duì)自由曲面按有關(guān)算法進(jìn)行分區(qū)，分成若干個(gè)曲面信息與工藝特征相同或相似的子片，然后相似的子片采用相同或相近的加工工具和工藝參數(shù)進(jìn)行加工.

在對(duì)模具自由曲面分區(qū)之后，根據(jù)子片特征和表面質(zhì)量合理確定磨具參數(shù)，即:磨具類型與尺寸、磨料材質(zhì)與粒度等.磨料的選擇原則與工件材料物理力學(xué)性能有直接關(guān)系，主要考慮工件材料與磨料之間的化學(xué)反應(yīng)性能.磨具粒度的選用原則與加工表面質(zhì)量和加工效率有直接關(guān)系，通常是在滿足加工表面質(zhì)量要求的條件下，盡可能選用粒度值較低的磨具，以獲得較高的加工效率.表1給出了加工前不同表面粗糙度值對(duì)應(yīng)的磨具粒度值.

表1 磨具粒度值

拋光路徑規(guī)劃主要解決如何在自由曲面上均勻地覆蓋工件表面這一問題，以保證曲面上任意單位區(qū)域內(nèi)的材料去除量基本相同.目前常用的拋光路徑有掃描路徑、Lissajous路徑、分形路徑、環(huán)形和螺旋線形等，其中掃描路徑是在路徑規(guī)劃中比較常用的，相比掃描路徑，Lissajous路徑拋光效果優(yōu)于掃描路徑，而且分型路徑的特點(diǎn)是方向比較均勻，能夠使工具更加均勻的覆蓋加工表面，但其算法復(fù)雜.

3 加工參數(shù)的選擇

對(duì)于一般的自動(dòng)拋光系統(tǒng)，加工參數(shù)主要指拋光壓力、進(jìn)給速度、工具轉(zhuǎn)速和拋光次數(shù)等.目前常用方法是利用Taguchi、灰關(guān)聯(lián)分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化以獲得最佳的工藝參數(shù).當(dāng)磨具和加工參數(shù)選擇之后，應(yīng)確定拋光次數(shù)，即臨界拋光次數(shù)，以下具體給出了三種確定臨界拋光次數(shù)的方法.

圖1 拋光工藝規(guī)劃步驟

3.1 表面粗糙度法

在拋光過程中，隨著拋光次數(shù)的增加，表面粗糙度逐漸降低并接近于某一固定值，即當(dāng)拋光次數(shù)達(dá)到一定次數(shù)時(shí)，表面粗糙度值基本不再變化.已有研究表明，表面粗糙度的變化與拋光次數(shù)基本成指數(shù)函數(shù)關(guān)系.這里規(guī)定當(dāng)表面質(zhì)量提高到90%時(shí)所需拋光次數(shù)定義為表面粗糙度法的臨界拋光次數(shù).

表面粗糙度隨拋光次數(shù)變化曲線可使用根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的經(jīng)驗(yàn)公式，即:

式中:Ra為工件拋光后表面粗糙度;Ra0為工件拋光前表面粗糙度;Rae為使用該磨具能夠達(dá)到的表面粗糙度;λ是一個(gè)與具體加工條件有關(guān)的綜合系數(shù);N為拋光次數(shù).

將Ra－Rae=0.1(Ra0－Rae)代入公式(1)中，則臨界拋光次數(shù)為:

圖2 拋光工藝規(guī)劃層次圖

3.2 材料去除深度法

在自由曲面拋光過程中，無論哪一種拋光方式，通常都是當(dāng)某一粒度磨料在完全去除上道拋光工序的加工紋理后(即產(chǎn)生新的加工紋理)，才更換另一種粒度的磨料.當(dāng)材料去除深度等于上道工序工件表面輪廓最大高度Ry時(shí)，繼續(xù)拋光，工件表面質(zhì)量進(jìn)一步變化很小，此時(shí)所需的拋光次數(shù)定義為材料去除深度法的臨界拋光次數(shù).

已知拋光前工件表面的Ry值，則被加工表面應(yīng)去除的材料深度為

式中:De為應(yīng)去除的材料深度;Ry與Ra有關(guān)，且與峰谷形狀有關(guān):

當(dāng)表面峰谷形狀為V形時(shí)，kR=4;當(dāng)表面峰谷形狀為正弦曲線形時(shí)，kR=π;當(dāng)是拋光表面時(shí)，kR=10[4].

基于以上分析，對(duì)于磨具Ti，如果要求去除的材料去除深度為Dei，則臨界拋光次數(shù)為

3.3 效率法

根據(jù)公式(1)，若采用磨具Ti拋光，則表面粗糙度和拋光次數(shù)的關(guān)系為

根據(jù)公式Ef= λA(Ra－Rae)，式中，Ef為拋光效率;A為拋光面積，能夠得出拋光效率和表面粗糙度的關(guān)系為

公式(6)和(7)中，i為常數(shù)(i=1，2，3)，分別對(duì)應(yīng)磨具粒度從粗到細(xì)的使用順序號(hào).

當(dāng)此次拋光效率和下一級(jí)磨粒的拋光效率相等時(shí)，即Efi=Ef(i+1)，所需的拋光次數(shù)即為效率法的臨界拋光次數(shù).

根據(jù)公式(7)，當(dāng)Efi=Ef(i+1)時(shí)，即

把Rai+1=Rai代入公式(8)，得到

根據(jù)公式(6)，已知Rai，可以計(jì)算臨界拋光次數(shù)為

4 結(jié)論

模具自由曲面拋光的工藝規(guī)劃步驟主要由自由曲面分區(qū)、磨具的選擇、路徑規(guī)劃、加工參數(shù)優(yōu)化和確定最佳拋光次數(shù)等步驟組成.在確定臨界拋光次數(shù)的方法中，表面粗糙度法是以被加工表面質(zhì)量提高90%所需的拋光次數(shù)作為臨界拋光次數(shù);材料去除深度法是以當(dāng)材料去除深度等于上道拋光工序產(chǎn)生的表面最大輪廓高度值時(shí)所需的拋光次數(shù)作為臨界拋光次數(shù);效率法是以此次操作的效率與下一級(jí)操作的的效率相等時(shí)所需的拋光次數(shù)作為臨界拋光次數(shù)，是根據(jù)工件表面粗糙度曲線和拋光效率曲線來綜合確定拋光次數(shù).

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