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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。#p#分页标题#e#
等高线轮廓加工适合于倾斜角较大的曲面，因其是在Z轴方向按切削深度所设定的分层加工，仅沿着每个加工层的曲面轮廓生成轨迹，因此也适合于曲面较陡峭且倾角有变化的表面，此并可按曲面陡峭的变化采用不同的加工行距和运动路径，以实现运动轨迹生成，从而获得较理想的表面粗糙度。
3.3 等参数线加工方法
由于模具表面通常有大量的曲面,而且不是单一的曲面，如采用投影加工方法是不理想的，运用等参数加工方法是这类模具曲面较适合抛光加工方法，它能够沿着曲面的参数线方向(u、v两个主向)生成流畅的刀路。当然有时不仅仅只是一条等参数线，而且采用两条等参数线用来加工曲面。其目的在于加工时抛光工具的一条参数线沿曲面(u向)切削;另一参数线为(v 向)行距方向,这样容易控制曲面加工，并对不同曲率部分采取不同的行距以控制整个表面的粗糙度[8]。
运用等参数加工方法，首先采取曲面重构的方法将模具的多个曲面建立一个比较接近实际的驱动曲面，再根据这个单一驱动曲面来生成等参数线驱动轨迹，然后再投影到实际模具曲面上进行模具的抛光。虽然抛光轨迹很难实现真正模具曲面等粗糙度加工，但是可以通过对曲面区域进行分解,对不同区域选择合理的运动轨迹。对于特定形状的模具表面，可优先选用比较合适的环形、放射线形和螺线形等，如果为普通模具表面, 只要采取普通的直线型运动轨迹,并选择合适的走刀和跨距方向，就可实现较理想的加工方法。
4 Mastercam 仿真加工
以摩托车头盔凹模的加工为例，由于头盔外表面质量比较高，且要求比较光整，它是一个典型的相对较为复杂的曲面加工,需对模具表面进行抛光处理。如图5所示, 首先对头盔凹模的形状进行分析，把头盔的表面划分为多个不同的曲面:(1)头盔凹模的分型面是一个环形的曲面并且曲面有一定的起伏，而非一个平面，在该表面抛光时宜采用浅平面曲面加工方法;(2)凹模的分型面与侧面的上部衔接处有凹凸的圆弧联接，可采用环绕等距的方法;(3) 凹模的底部是较为平缓的曲面，并属于倾斜角小于40°曲面区域,宜采用宜运用投影方法或浅平面加工方法;(4)模具的侧面属于陡峭曲面，倾斜角大于40°,宜采用等高外线加工方法。现分别以头盔凹模的侧面精加工和凹模的底部两种曲面加工方法，用仿真来分析等高线廓形加工方法及投影加工的轨迹生成方法及其可行性。
4.1 头盔凹模的侧面抛光
头盔凹模的内侧面因其表面较陡，属于陡峭曲面，对于这类表面，适用于等高线加工方法进行抛光。首先在主功能表上进行隐藏刀具路处理，其目的是关闭前一道工步的刀具路径，以避免对现执行工步程序编制的影响。然后在操作管理器中，将选择的“3-挖槽”方工，并使用粘贴操作，这样将会生成一个“4-曲面精加工-等高外形”的窗口，接着更改参数的设置刀具参数(在此选择圆角刀)，并设置曲面加工参数和等高外形精加工参数。在进行摸拟抛光加工时设置起始长度大于0.0，使用进刀位置不断变化，可有效地防止进刀痕的产生,最后返回到操作管理器，系统即可按已设置的参数计算出刀具路径。将它设置为等角视图，便可生成刀具路径图6,并检视刀具路径，通过调整视角，进行缩放、旋转、平移等操作，从不同角度和区域进行观察，证实了该方法的刀具路径是合理的，并无干涉现象产生。
4.2 凹模的底部曲面抛光
凹模的底部是较为平缓的曲面，并属于倾斜角小于40°曲面区域,可采用宜运用投影方法。在操作过程中,选择主功能区，依次单击“回主功能，刀具路径，曲面加工，精加工，投影加工”。然后选取加工曲面和设置刀具参数，即生成刀具路径见图7所示。并通过调整视角，从不同的角度对生成的路径检视，表明该加工方法是合理的，同时也证实了由于投影后的刀具路径只改变了Z坐标值，并没有改变X、Y方向的坐标，对于类似这样较为平坦的曲面加工不失为一种好的加工方法。抛光时直径φ10mm球头刀。主轴转速3000rpm ，进给速度3.5m/min，最大切削间距0.1mm，图7加工角度0度，图8加工角度90度。
5 结束语
通过对抛光轨迹生成方法进行分析与研究，并运用Mastercam软件进行仿真加工，可以看出针对不同零件的曲面特征应采取不同的抛光轨迹生成方法。当加工倾斜角度较大，即较陡峭的曲面时采用等高廓线的抛光方法;而对倾斜角度较小，且较平坦的曲面宜采用曲面投影加工方法;对于有较多的曲面模具表面,即不是单一的曲面宜采用等参数加工方法。
对于同一个零件的不同曲面，对不同特征的曲面抛光区域应该采用不同的抛光方法进行加工，而不能简单地进行一种或两种抛光轨迹来完成所有曲面的抛光，应按其不同部位的特征将分割成不同的区域抛光方法，并对不同区域采用不同的轨迹形式和抛光器的行距，以最终获取适合的抛光途径。
参考文献
[1] J.J. Márquez, J.M. Pérez, J. R'ıos, A. Vizán Process modeling for robotic polishing[J] . Materials Processing Technology 159 (2005) 69~82.
[2] CAI G Q. LU Y S, CAI R, et al. Analysis on lapping and polishing pressure distribution[J]. Annals of the CIRP, 1998,47(1):235~238.
[3] 张雷,袁楚明,周祖德等. 模具曲面抛光时表面去除的建模与试验研究[J].机械工程学报.2002,2:98~102.
[4] 袁楚明，张雷,陈幼平等. 模具机器人智能抛光系统的研究[J]. 高技术通讯.2001,9:76-80.
[5] 张鹏，黄伟九，李晖等.模具曲面光整加工中数字化磁力研磨技术[J].金刚石与磨料磨具工程.2004,12;58~64.
[6] 张鹏，鲁红梅，黄伟九等.模具数字化磁力研磨加工中研磨运动轨迹的研究[J].模具工业.2005,6;52~56.
[7] 卫兵工作室 Master cam 数控加工实例教程[M] 清华大学出版社.2006.1.
[8] 姚志强,章泳健 Cimatron 模具设计与制造指导[M] 清华大学出版社.2004.8.#p#分页标题#e#
Building and Simulation of the Digital Polishing Path of Die&Mould Free-curved Surface
By Ding Jin-fu& Zhang Ke-hua& Yu Fu-jin & Li Wei
Abstract： In order to solve the difficulty of the polishing process at present. Polishing posture was analyzed at the contact spot of polishing tool with work piece in this paper, and how to layout the polishing path and its built method were discussed emphatically, carried out the simulation analysis with Mastercam software, and proposed the suitable building method of path according to the different region using different polishing method. Finally, it is proved that the ideal effect would be achieved.
