模具曲面数字化抛光轨迹生成及其运动仿真

来源：网络作者：发布时间：2008-04-03

关键字：模具|自由曲面|抛光轨迹|仿真加工

　　摘要：针对目前模具自由曲面抛光过程加工难的问题。从抛光工具与模具表面的接触入手，分析抛光工具的姿态, 并着重对模具曲面抛光运动轨迹的规划和生成方法进行探讨，提出了根据模具曲面的不同区域宜采用不同的抛光轨迹生成方法，通过Master cam软件进行仿真分析,验证其抛光运动轨迹生成的合理性。

　　在模具制造过程中,模具的形状精度及表面粗糙度直接影响着成形加工产品的质量，因而模具型腔表面形状加工之后一般都需要进行抛光加工，其目的是为了去除粗加工在模具表面留下的刀痕或杂质层，以获得较细的表面粗糙度。但由于很多模具表面属于一种复杂的、不规则的、非回转的曲面, 一般很难用机械运动原理等精确地来描述,给模具曲面抛光带来较大的困难。近些年随着数控技术和CAD/CAM技术在模具工业中的广泛应用，数字化和机器人等抛光方法对复杂模具曲面进行抛光处理得到了较快的发展[1]，并成为模具曲面加工行之有效的方法。

　　本文针对模具曲面抛光过程中的抛光，分析了抛光工具的姿态以及运动轨迹生成的方法，根据模具表面的曲率变化，提出按模具曲面的不同区域应采取不同的抛光工具生成轨迹，以获得模具表面较佳的表面粗糙度和形状精度。

　　1 抛光运动机理分析

　　抛光加工是为获得所要求的加工表面，去除粗加工在模具表面留下的刀痕或变质层，以获得较低的表面粗糙度。Ca i[2] [等人在研究球面抛光工具对圆柱工件表面的抛光时，以二者接触处压强的分布作为影响抛光表面去除量的主要因素，提出由于工件表面的凹凸不平，抛光工具与工件表面的接触压强是不均匀的，抛光工具与工件表面之间不是完全接触。由于模具型腔65%的表面是曲面，而且40%左右是自由曲面，这样抛光工具与模具自由曲面的接触为三维接触，为简化问题以球面磨头抛光圆柱表面探讨曲面抛光接触情况，如图1所示，此时球面磨头的轴线与圆柱工件表面的轴线垂直，抛光轨迹方向为圆柱工件表面的轴线方向。这样二者的接触压强应服从椭圆赫兹分布，接触区域为椭圆形[2、3]。图2所示椭圆接触区域中，Y为抛光轨迹方向，a和b为接触椭圆的长、短半轴长度。抛光工具沿着圆柱表面的轴线方向运动对圆柱表面进行抛光加工的过程，可以看作是抛光工具与圆柱表面之间的接触椭圆沿着抛光轨迹的运动 [3、4]。

　　2 抛光姿态

　　在模具抛光过程中，抛光方法无论是采用手工抛光和机器抛光，它总是使抛光工具以一定的姿态作用

　　于被加工的模具表面上，并沿着抛光轨迹对模具表面进行加工，在这一过程中，操作者通常通过改变法向抛光力F、抛光工具的线速度v，进给速度f以及抛光次数N等工艺参数来获得理想的抛光效果。由于抛光

　　工具与自由曲面之间的接触为三维接触，为了保证抛光力沿着模具自由曲面上的法线方向施加，同时为避免抛光工具与自由曲面之间发生干涉，抛光工具的姿态要根据需要发生相应的改变。此外，抛光轨迹上各点的曲率半径必须随着自由曲面表面的变化而发生变化。由于抛光工具与模具表面存在一定的相对位置关系，所以还要考虑抛光工具的几何尺寸对于抛光效果的影响。如图3所示，在抛光接触区域的中心点O处，抛光工具的主方向是x1、y1 ，相应的主曲率半径为R1和R1′，模具曲面的主方向是x2、y2，相应的主曲率半径为R2和R2′，二者主方向的夹角为j，则抛光工具和模具曲面的相对主曲率A和B为[3、4]：

　　Rep值反映了抛光过程中工具与模具曲面之间的相对位置关系，是模具曲面抛光过程中的几何特征参数。这样就便于对模具表面的不同曲面(Rep值不同)合理地选择抛光工具，有利于抛光工具轨迹路径生成。

图3 模具曲面抛光示意图

　　3 抛光运动轨迹生成

　　在模具曲面抛光过程中，抛光工具总是沿着一定的抛光轨迹对模具表面进行光整加工，要使抛光运动轨迹生成达到较理想的效果,不仅要求计算速度快、占用计算机内存少，而且还要使切削行间距分布均匀、加工误差小、走刀步长分布合理和加工效率高等。因此必须确保工件加工表面和抛光工具表面在抛光运动轨迹上各点均有相同或相近的被切削条件，同时抛光工具的运动也应保证工件上各点有相同或相近的抛光行程，尽量不出现周期性重复情况，同时抛光运动力求平稳，尽量避免曲率过大的转角[5]。

　　作为常规的抛光运动轨迹主要有直线、正弦曲线、次摆线、外摆线、内摆线、椭圆线轨迹等[5、6](如图4)。但对于绝大多数模具曲面，特别是模具型腔曲面抛光运动轨迹相对较为复杂，对于加工不同的模具曲面应采取不同的加工方法。目前用于抛光运动轨迹生成主要有投影加工方法、等高线加工方法、等参数线加工等。

　　3.1 投影加工计算方法

　　在抛光运动过程中虽然生成轨迹较多，但在各种运动轨迹中, 像外摆线、内摆线等不适合曲面的抛光。在模具曲面的抛光运动轨迹中,主要采用直线式、环形、放射线形和螺线形等。对于正弦曲线、次摆线、椭圆线轨迹在生成运动轨迹由于抛光轨迹不易重复，有利于降低表面粗糙度，但轨迹生成难度较大，而且还需采取一定的程序编制手段以生成平面的轨迹曲线，然后用曲线驱动的方法投影到模具表面才可获得较好的结果。而投影加工方法则是一种比较容易生成运动轨迹的方法。其方法是先建立像平面抛光一样的运动轨迹，然后将这个运动轨迹投影到要加工的模具曲面上。曲面投影加工适用于较平坦的曲面加工，有时也用于加工注塑模的流道、筋条和字体标记等加工。

图4 模具抛光工具运动轨迹图

　　3.2 等高线加工方法

　　等高线加工方法是CAM中应用最为广泛的一种加工形式之一，其加工刀路的主要特点：以恒定的切削深度和切削宽度，由高到低逐层除去加工区域的材料，加工过程平稳、安全，加工效率高。它不仅支持基于毛坯残余知识进行半精加工，而且在精加工中支持曲面斜率分析，在精加工中效果更好，它能针对不同的曲面采取不同的加工策略[7、8]。等高线加工方法有时又可分为等高线区域加工和等高线轮廓加工。等高线区域加工主要用于粗加工、半精加工策略;而等高线轮廓加工适用于曲面的精加工，当然也是曲面抛光较理想的方法之一。