模具零件加工中測量精度提升方案和措施

閆慶禹，王冀軍

（1.四川省宜賓普什集團有限公司，四川 宜賓 644000；2.成都普什汽車模具有限公司，四川 成都 610031）

0 引言

汽車覆蓋件模具具有復雜的曲面，在加工中毛坯尺寸為模具、工裝和機加工產(chǎn)品等的結(jié)構(gòu)設計、干涉分析、材料準備、成本分析、確定加工周期等方面提供了參考作用[1]，當毛坯的實際加工余量與理論數(shù)模存在較大差距時，加工時吃刀量的波動會引起機床振動甚至撞刀的風險。對于單件加工，程序的加工效率和安全性一直是編程人員研究的難題，加工余量的不可控使數(shù)控操作員不敢按程序加工，給操作員造成心理壓力[2]，如何將模具零件毛坯的掃描結(jié)果進行優(yōu)化，并將掃描后生成的毛坯用于VERICUT 軟件仿真，對提高模具的加工效率有重要影響。

模具零件加工完成后，需采用三坐標測量儀對凸、凹模進行尺寸精度檢測，因此需要盡量降低因測量誤差對產(chǎn)品尺寸造成的影響，影響三坐標測量儀精度的因素除自身的制造和安裝誤差外，還有測量基準誤差、機房溫度誤差、模具零件支撐裝夾重力引起的變形誤差等。如溫度是影響測量儀精度的較大因素，按照標準測量室的標準溫度是（20±2）℃，變化梯度為24 h 內(nèi)不得超過1 ℃[3]，尤其在季節(jié)變化時，機房的溫度與校驗時存在較大誤差，包括因光柵溫度與量塊溫度不同而造成的誤差等都需要進行補償，誤差補償是一項以較低成本大幅度提高測量精度的先進技術[4]。對于實際生產(chǎn)，從經(jīng)濟效益考慮，只需考慮對模具測量誤差數(shù)值影響較大和容易解決的因素。因此，從模具零件毛坯的掃描精度、加工后模具測量室的溫度控制以及裝夾支撐方面進行了精度提升，能夠提高模具的制造精度，降低開發(fā)成本。

1 激光掃描精度提升方案和措施

1.1 激光掃描現(xiàn)狀分析

激光掃描設備由跟蹤器、球形掃描頭、數(shù)據(jù)處理設備組成，如圖1所示，掃描前對設備進行預熱和儀器精度校準，掃描后刪除非連接項和孤立點，進行點云網(wǎng)格化，最后輸出網(wǎng)格（STL）文件，并導入理論數(shù)據(jù)，進行擬合比對。

圖1 激光掃描設備

模具零件毛坯采用激光掃描后，當前主要有2種方法改善毛坯精度：一是采用最佳擬合功能，即軟件會基于毛坯和理論數(shù)據(jù)進行最佳擬合匹配，技術人員編程時需要將用于加工的基準值指示出來，操作者根據(jù)工藝指示進行反推基準，這種方式基準誤差大，大多無法用于高精度的加工和仿真模擬；二是在機床上對毛坯進行X、Y、Z方向的基準面加工，并以加工的基準進行擬合，實現(xiàn)毛坯擬合后的基準和加工基準一致，但由于加工的基準面尺寸為50 mm×100 mm，對于長寬3 m 以上的大型模座，當基準塊加工的平面度誤差達到0.02 mm 時，會造成模座遠端1 mm左右的相對位置誤差，使掃描的毛坯數(shù)據(jù)無法指導實際的數(shù)控編程加工。

1.2 激光掃描精度提升方法

針對上述情況，提出毛坯掃描數(shù)據(jù)的處理方法，以提高毛坯的符型匹配精度。

（1）數(shù)據(jù)的掃描與劃分最小外包絡體單元類型。先在數(shù)控機床上對模具零件X、Y、Z向的基準面進行加工，通過掃描得到模座的結(jié)構(gòu)和型面的點云數(shù)據(jù)，然后將凸、凹模型面的點云數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化，曲面部分采用四面體單元，平面部分采用六面體單元，通過網(wǎng)格區(qū)分以加快數(shù)據(jù)處理效率。

（2）等分切割最小外包絡單元。假設掃描的模具某個部件的點云數(shù)據(jù)總數(shù)為N，則最小外包絡體內(nèi)點云的平均密度為：

現(xiàn)對包絡體進行等分切割成規(guī)則的四面體或六面體單元，其邊長為l，假設切割的單個四面體或六面體單元內(nèi)的平均點數(shù)為n，則：

（3）刪除加工面輪廓附近的毛刺噪聲點云數(shù)據(jù)。由于毛坯鑄造過程中存在不同程度的缺陷，為了刪除該特征，計算2 個相鄰的四面體或六面體單元點云的比值，其相鄰點云個數(shù)分別為n1、n2，若n1/n2＜λ，則刪除前一個單元體內(nèi)的n個點云。λ為小于1 的正數(shù)，該數(shù)值是企業(yè)根據(jù)以往掃描處理總結(jié)得到的經(jīng)驗值。

（4）計算單元內(nèi)點云到中心點的距離di的均值和標準差。假設掃描部件劃分的四面體或六面體單元的中心點坐標為（x0，y0，z0），如圖2所示。

圖2 六面體與四面體單元內(nèi)點云到中心點的距離

單個單元體內(nèi)點云個數(shù)為n，點云到中心點的距離為di（xi，yi，zi），

則該距離的均值為：

該距離的標準差m為：

（5）點云數(shù)據(jù)的判定與處理。在該數(shù)學模型中，四面體或六面體單元內(nèi)點云到中心點距離d服從統(tǒng)計學的正態(tài)分布。判定某些點云數(shù)據(jù)是否符合毛坯加工精度：

其中，k為模具零件毛坯加工精度系數(shù)，針對汽車外覆蓋件的凸、凹模型面、基準面以及配合安裝面，k值取1≤k≤1.5，其他非重要加工面k值取1.5≤k≤2。

當計算得到的體單元內(nèi)點云到中心點距離d不滿足上述范圍時，將點云數(shù)據(jù)刪除并標識在數(shù)模結(jié)構(gòu)中。上述步驟中的點云數(shù)據(jù)處理采用計算機語言進行編程自動實現(xiàn)，最后生成STL 格式的數(shù)據(jù)文件，得到圖3所示的高精度毛坯加工數(shù)據(jù)，在保證毛坯逆向擬合基準與加工基準一致的情況下，最高匹配精度可控制在±2.5 mm。

如果某個殘缺破面導致仿真軟件識別誤差大，不能正常仿真，需要對數(shù)據(jù)進行進一步優(yōu)化，即先將理論CAD 數(shù)據(jù)導入GOM 軟件，建立標稱元素及坐標，再導入上述精度提升的STL數(shù)據(jù)，然后通過對齊操作，讓掃描數(shù)據(jù)關聯(lián)到標稱模型上，最后輸出帶上坐標格面進行程序仿真加工。

2 模具零件三坐標測量精度提升措施

2.1 三坐標測量儀的溫度補償設置

模具零件加工完成后，需要采用三坐標測量儀對凸、凹模進行尺寸精度檢測，其溫度補償?shù)脑O置需要重點考慮材料系數(shù)、溫度變化范圍、標定工具系數(shù)、補償方法等。如在舒適性控溫下需要開啟溫度補償設置，由于不同的工件材料隨溫度變化的熱脹冷縮系數(shù)不同，針對鋁合金、鑄鐵等需設置對應的材料系數(shù)，補償方法選擇“控制器補償軸和零件”，如圖4所示。

圖4 三坐標儀的溫度補償設置參數(shù)

當三坐標儀轉(zhuǎn)運檢測工件時，無論是恒溫方案還是舒適性控溫方案，都要采取如下控溫措施：首先減少三坐標室的打開次數(shù)，保證控溫的平穩(wěn)性，將空間溫度梯度控制在1 ℃/m 以內(nèi)，將時間溫度梯度控制在1 ℃/h 以內(nèi)，同時保證溫度變化控制在1 ℃/24 h 以內(nèi)，以減少溫度不均衡對測量數(shù)據(jù)的影響；其次打開三坐標轉(zhuǎn)運門時，必須啟動空氣幕墻，使溫度均衡；最后對未經(jīng)過三坐標室保溫的待測工件，需監(jiān)測測量時和測量后的工件溫度差，如溫差超過1 ℃，必須采用測量時和測量后的平均溫度作為補償溫度值。

2.2 三坐標室的恒溫方案

（1）圖5所示是三坐標測量室，空調(diào)控制室內(nèi)溫度在16～26 ℃，冬季溫度在16～22 ℃，夏季溫度在22～26 ℃。溫度在受控范圍時，可只進行通風換氣和除濕操作，換氣次數(shù)每小時不少于5次。

圖5 三坐標測量室

（2）在三坐標室外加工機床附近進行測溫，根據(jù)測得溫度，設置三坐標室內(nèi)溫度；當溫度低于16 ℃時，按16～22 ℃進行設置；當溫度高于26 ℃時，按22～26 ℃進行設置；當溫度在16～26 ℃時，可關閉空調(diào)控溫功能，按（1）進行操作。

（3）模具零件和沖壓零件進入控溫的三坐標室內(nèi)，不再進行測量前的保溫，直接測量。

2.3 三坐標機測量平臺支撐優(yōu)化設置

在采用三坐標測量儀對模具零件型面進行精度檢測過程中，由于模具零件重力原因，平板小車的剛性、平臺墊塊的位置對測量結(jié)果易造成不同程度的干擾，尤其是當多個墊塊共同作用時，墊塊與模具零件底面的接觸間隙不同，造成個別墊塊發(fā)揮不了支撐作用，可能處于懸空狀態(tài)，影響模具零件的測量精度。

為了對三坐標裝夾中的墊塊設置進行研究，選擇尺寸較大（長度達3 500 mm）的1 模2 腔發(fā)罩內(nèi)外板模具，取其一半為研究對象進行分析，墊塊的尺寸為100 mm ×150 mm ×300 mm，間距按照實際放置的1 300 mm進行設置。

（1）左中右支撐下的自重變形。圖6 所示為左中右6 點全部支撐下的模具墊塊支撐設置，通過設置不同墊塊支撐來計算模具自重引起的變形量。

圖6 左中右支撐

分析結(jié)果如圖7所示，由于支撐良好，最大變形在發(fā)罩外板型面的左邊，僅為0.017 mm。

圖7 左中右支撐下的變形分布

（2）左右4 點支撐的分析。在圖6 所示的模型下其邊界條件設置為左右4 點支撐，此時模具中部墊塊未支撐，分析結(jié)果如圖8所示，最大變形在模具的中間，為0.038 mm。此類變形造成的測量誤差較大，因此需要在裝夾過程中檢測中間部位的墊塊與模具底座的接觸狀態(tài)。

圖8 左右支撐下的變形分布

通過上述多點支撐模擬分析，根據(jù)模具零件重力、尺寸和支撐設置情況，可獲得因自重引起的變形數(shù)值，圖9 所示是模具采用6 點支撐到測量平板小車上的變形結(jié)果，其頂蓋下模整體因為重力變形達到了0.01 mm。因此在測量過程中通過人為調(diào)整，如在墊塊附近可采用柔性鋁型材作為輔助支撐，在平板小車遠離輪軌下端增加柔性柱支撐等，能夠最大程度地消除重力引起的變形，通過降低裝夾支撐誤差來提高模具的三坐標檢測精度。

圖9 頂蓋模具支撐到測量平板小車上的變形結(jié)果

3 結(jié)束語

（1）針對激光掃描毛坯數(shù)據(jù)與編程數(shù)據(jù)不匹配的情況，采用提高毛坯符型匹配精度方法，通過其均值d和標準差m進行判別和處理，最高匹配精度可控制在±2.5 mm。

（2）三坐標室的溫度補償設置的重點包括材料系數(shù)、溫度變化范圍、標定工具系數(shù)、補償方法等參數(shù)。

（3）1 模2 腔發(fā)罩內(nèi)外板模具長度為3 500 mm，采用6 點支撐的自重最大變形量為0.017 mm，中部懸空的最大變形量為0.038 mm，需重點關注模具底座中部與墊塊的研配貼合。