重制模具鑲塊的設計原則和方法

王忠華，李宏偉，榮國燦，巨 萌，孫 亮，顧 萌，劉佳一

（1.一汽模具制造有限公司，吉林長春 130011；2.長春創(chuàng)元模具設計有限公司，吉林長春 130011）

1 引言

模具鑲塊損壞或使用一定時期后磨損，不能滿足沖裁制件的尺寸要求，需要重新制造鑲塊。通常需要按理論數(shù)據(jù)重新加工，之后進行裝配、調(diào)試，造成成本的浪費，周期延長。所以用掃描鑲塊利用點云進行逆向設計，加工后鑲塊不用再調(diào)試，直接安裝使用，大大縮短制造周期，節(jié)約成本。

2 重制模具鑲塊前期準備

對模具鑲塊掃描，其數(shù)據(jù)質(zhì)量至關重要。掃描前，要對模具鑲塊的基準、型面、輪廓等目前存在的質(zhì)量缺陷進行處理，再利用ATOS 光學掃描設備和三坐標測量機對鑲塊進行掃描，生成鑲塊實體點云數(shù)據(jù)。

2.1 掃描前確定基準

（1）確定掃描基準和加工基準。

將模具鑲塊的安裝結構面確定為掃描和加工基準，精度要求：平面度公差帶公差值控制在0.03mm，垂直度公差帶公差值控制在0.1mm，表面粗糙度值均達到Ra1.6μm。如圖1所示。

圖1 掃描基準和加工基準

（2）新制模具鑲塊的加工基準孔的作用。

重制模具鑲塊的加工基準孔的作用與鑲塊的安裝面加工基準作用是相同的，要求其表面粗糙度值要達到Ra0.8μm，垂直度公差0.1mm，孔位公差±0.02mm。

（3）重做待重制模具鑲塊基準。

如果重制模具鑲塊原有結構基準面或基準孔的垂直度、平面度、表面粗糙度已經(jīng)不滿足精度要求，就必須重新加工基準面或基準孔。重制模具鑲塊基準確定方式有3種：一種是在重制模具鑲塊上加工X/Y/Z方向的垂直面；一種是在重制模具鑲塊上加工X和Z方向的面和一個孔；還有一種是在重制模具鑲塊上加工出X/Y底面和兩個孔。

2.2 掃描前對重制的模具鑲塊手工修復

模具在調(diào)試和生產(chǎn)使用中可能會經(jīng)歷多次修改，會經(jīng)歷燒焊、加工后強度減弱等過程，會使重制模具鑲塊會產(chǎn)生或殘留一些表面缺陷，掃描前鉗工要對這些表面缺陷進行手工修復。

（1）去除殘余和毛刺。

為了保證掃描點云的表面質(zhì)量，要去除模具鑲塊的燒焊殘余、毛刺，以保證點云表面光順，進而使逆向后的鑲塊型面曲率連續(xù)。

（2）表面填充處理。

對鑲塊表面的塌陷不平等缺陷進行填充，填充材料一般選用膩子、樹脂等，以保證逆向后的鑲塊型面曲率連續(xù)。

3 掃描和檢測生成點云數(shù)據(jù)

在ATOS設備上和三坐標測量機上對修復后的模具鑲塊進行掃描和檢測，以掃描和檢測結果作為依據(jù)，進行加工數(shù)據(jù)設計。

3.1 ATOS光學掃描

為保證掃描基準的精度，需要清理放置被檢測鑲塊的工作臺表面，以保證鑲塊底面平面度精度要求。在ATOS設備上掃描鑲塊的型面、結構面、輪廓、銷孔、螺釘孔。

3.2 三坐標測量機檢測

將模具鑲塊在ATOS 設備上掃描之后，再在三坐標測量機上進行檢測，為保證檢測基準統(tǒng)一，三坐標檢測時要利用ATOS 光學掃描的基準，測量修邊刃口輪廓、及相關的孔位、孔徑。斜楔鑲塊要在斜楔機構上進行檢測。

4 設計新加工數(shù)據(jù)

掃描結束后，獲取到掃描和檢測數(shù)據(jù)，導入CATIA軟件，可以進行逆向設計。需要特殊注意的是，逆向設計時要對鉗工手修部位進行改造，對模具鑲塊的主型面進行延伸放大，對鑲塊的孔位、孔徑要圓整。使最后設計完成的加工數(shù)據(jù)滿足加工需求，保證加工后的模具鑲塊趨近于完美的狀態(tài)。如圖2所示。

圖2 三坐標測量獲取的測量點云

（1）判定掃描點云質(zhì)量。

對掃描點云質(zhì)量主要關注模具鑲塊的基準和關鍵部位的完整性、型面的光順性和連續(xù)性等。

（2）導入點云數(shù)據(jù)。

確定點云質(zhì)量合格，將點云數(shù)據(jù)導入CATIA中，與模具結構環(huán)境中的位置對齊后，再進行下一步工作。

（3）處理點云網(wǎng)格。

處理的方式主要采用點云稀化、堵孔、網(wǎng)格優(yōu)化，邊處理邊分析。

a.點云稀化。

點數(shù)控制在50 萬個以內(nèi)，型面偏差控制在0.02mm 以內(nèi)，進行點云稀化。在CATIA 中過濾突兀的型面和R角，稀化比率達到20%，以保證型面質(zhì)量和精度。如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

圖3 曲率分割前

圖5 稀化前

圖6 稀化后

b.堵孔。

在鑲塊上噴顯影劑、擺參考點方可獲得掃描結果，但參考點位置會在掃描后的點云數(shù)據(jù)中形成小孔，所以，處理點云時要對這些位置進行堵孔。如圖7、圖8所示。

圖7 堵孔前

圖8 堵孔后

c.檢查點云數(shù)據(jù)。

上述工作完成后，在CATIA 中檢測點云數(shù)據(jù)，檢測的原則是曲面的法向方向與點云的掃描方向要一致，最后得到理論與實際的偏差分析結果。如圖9所示。

圖9 理論與實際偏差分析

（4）重制模具鑲塊新實體加工數(shù)據(jù)設計。

在重制模具鑲塊新加工數(shù)據(jù)設計時，將點云數(shù)據(jù)導入CATIA中，與模具結構環(huán)境中的位置對齊。設計時要綜合考慮理論與實際的偏差。

a.建立加工基準坐標系。

在逆向設計優(yōu)化后的模具鑲塊實體上的結構面上取X/Y/Z方向的垂直面作為加工基準面，建立鑲塊加工基準坐標系，通常首要考慮此加工基準與掃描檢測基準一致。如圖10所示。

圖10 加工基準坐標系

b.修復補償及型面延伸。

鉗工手工修復的表面質(zhì)量不會滿足要求，所以加工數(shù)據(jù)設計時要對這些區(qū)域進行修復補償。為了數(shù)控加工完全不殘留，加工數(shù)據(jù)設計時，要對鑲塊型面進行延伸放大20mm左右。如圖11所示。

圖11 型面按理論邊界向外延伸

c.新輪廓加工數(shù)據(jù)設計。

加工數(shù)據(jù)設計時，直接提取掃描點云的輪廓、孔位、孔徑，并對這些設計元素進行優(yōu)化。沖孔孔徑和孔位公差按制件產(chǎn)品的原有標準執(zhí)行，螺釘孔位置偏差控制在±0.2mm以內(nèi)，銷孔是精定位，不能采用原孔位，需要換新位置重新加工，只有這些精度的保證，才能保證了新輪廓加工數(shù)據(jù)設計準確和合理性。

d.型面負角空開。

設計完成的重制模具鑲塊，可能會有型面負角，所以，要對模具鑲塊的整體加工數(shù)據(jù)型面進行檢查，如果有負角，要對這些區(qū)域進行空開處理。如圖12所示。

圖12 鑲塊新實體加工數(shù)據(jù)

5 結束語

通過采用重制模具鑲塊的設計原則和方法，嚴格保證了重制后模具鑲塊與原有生產(chǎn)使用的待重制模具鑲塊的一致性，加工后快速滿足使用要求，為客戶節(jié)省更多的等待時間。