模具型面定位五軸加工刀軸方向的優(yōu)化措施分析

林球東

摘 要：五軸加工法在制造業(yè)的模具加工過程中應(yīng)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(shù)是一項非常復(fù)雜的工作，稍有不慎就會出現(xiàn)嚴(yán)重的模具質(zhì)量問題。本文以模具型面定位五軸加工刀軸方向的優(yōu)化方法和操作流程為中心，論述了五軸加工刀軸方向的優(yōu)化的流程和方法，指出了刀軸傾角、工作區(qū)域的區(qū)分等重要技術(shù)，為實現(xiàn)模具加工工藝的進(jìn)步提供參考。

關(guān)鍵詞：模具型面 刀軸方向 加工區(qū)域 五軸加工

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

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

1 刀軸方向優(yōu)化流程

定位五軸加工的技術(shù)理念是將加工區(qū)域看作一個符合要求的操作平面，調(diào)整刀軸的方向使之符合加工質(zhì)量要求進(jìn)行操作的過程。而刀軸的方向確定需要依據(jù)創(chuàng)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(fù)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(jù)設(shè)計要求將模具劃分成若干個加工區(qū)域。對刀軸方向進(jìn)行優(yōu)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(jié)實際加工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上制定出對刀軸方向進(jìn)行優(yōu)化的流程圖（如圖1所示）。首先，在進(jìn)行模具的加工之前需要對模具特點(diǎn)進(jìn)行分析，設(shè)定加工型面。其次，以最優(yōu)平面設(shè)想劃定加工區(qū)域。再次，是根據(jù)區(qū)域設(shè)計出最優(yōu)的刀軸方向。最后，進(jìn)行儀器的數(shù)控編程工作，其他區(qū)域同樣按照這樣的工作流程完成加工。其中刀軸傾角的優(yōu)化選擇和加工區(qū)域的劃定是完成模具的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。

2 型面定位五軸加工刀軸方向優(yōu)化的技術(shù)措施

2.1 對刀軸傾角的優(yōu)化

2.1.1 優(yōu)化刀軸傾角提高切削效果

加工區(qū)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(jīng)過實踐證明，刀軸傾角對刀具切削過程中的平穩(wěn)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(zhì)量，我們應(yīng)當(dāng)對刀軸傾角和刀具切削性之間的關(guān)系進(jìn)行認(rèn)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(yōu)化，這是實現(xiàn)刀軸方向優(yōu)化的先決條件。

2.1.2 對刀軸傾角進(jìn)行優(yōu)化的措施

為了保證刀軸傾角的優(yōu)化效果，我們需要將與加工誤差和刀具使用年限有關(guān)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(xiàn)刀軸傾角的優(yōu)化。

同其他的物理、化學(xué)試驗不同，五軸加工的工序復(fù)雜、需要投入很多的人力和物力、而且有效數(shù)據(jù)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(guī)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(zhǔn)確的切削過程的數(shù)據(jù)模型，而模型建立必須以大量的實際試驗為基礎(chǔ)，同樣是費(fèi)時費(fèi)力。所以，我們應(yīng)當(dāng)將現(xiàn)代計算機(jī)模擬技術(shù)引入研究中，現(xiàn)有的有限元模擬技術(shù)克服了傳統(tǒng)的實體試驗的弊端，免去了實際操作的消耗，而采用計算機(jī)模擬切削過程的方法，清晰的模擬出在切削過程中各種應(yīng)力和溫度的變化趨勢，這是進(jìn)行刀軸方向優(yōu)化研究的有效辦法。

在計算機(jī)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(yīng)力、應(yīng)變率和加工當(dāng)中溫度變化規(guī)律的數(shù)據(jù)模型；第二步，針對加工過程中各種力學(xué)的變化情況建立起描述模型；第三步，需要在理想狀態(tài)下將形狀復(fù)雜的切削區(qū)域劃分成若干個部分，采用有限形態(tài)的參數(shù)形式表現(xiàn)出來，建立起切削加工程序的力學(xué)仿真模型；第四步，是在不斷的演化試驗過程中對模型進(jìn)行校正，使其更加接近實際加工過程。這是運(yùn)用有限元模擬試驗對刀軸傾角進(jìn)行優(yōu)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(jié)果僅能在一定范圍內(nèi)有效。

2.2 加工區(qū)域的劃定

對于形狀復(fù)雜的模具需要劃定不同的加工區(qū)域，這樣能夠避免零切速度不斷發(fā)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(qū)域是取得理想的加工效果的保障。但需注意，加工區(qū)域不能劃分太細(xì)，這樣會增加數(shù)控機(jī)床的操作程序，而且接刀點(diǎn)太多也會影響加工模具表面的質(zhì)量。具體的優(yōu)化措施是將模具的整體的型面劃分成點(diǎn)，密度要均勻，同時測算出各點(diǎn)的法向矢量；通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聚類的功能，測算出法向矢量同最優(yōu)的刀軸傾角之間的最小誤差的步距，通過各點(diǎn)的連接劃定區(qū)域。

3 結(jié)語

綜上所述，對于模具型面定位五軸加工刀軸方向的優(yōu)化研究應(yīng)以現(xiàn)代計算機(jī)模擬技術(shù)為基礎(chǔ)?？朔鹘y(tǒng)試驗方法的不足，采用科學(xué)的分析方法，對刀軸傾角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，合理的劃分加工區(qū)域，保證加工的質(zhì)量和效率。

參考文獻(xiàn)

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