模具型面定位五轴加工刀轴方向的优化措施分析

林球东

摘 要：五轴加工法在制造业的模具加工过程中应用非常广泛。在实际的加工过程中，五轴加工的编程和操作技术是一项非常复杂的工作，稍有不慎就会出现严重的模具质量问题。本文以模具型面定位五轴加工刀轴方向的优化方法和操作流程为中心，论述了五轴加工刀轴方向的优化的流程和方法，指出了刀轴倾角、工作区域的区分等重要技术，为实现模具加工工艺的进步提供参考。

关键词：模具型面 刀轴方向 加工区域 五轴加工

中图分类号：TG76 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（a）-0070-01

在机械设备的模具的加工制造工作中，像汽车覆盖见这样的形状复杂、尺寸变化大、表面质量要求高的产品，为保证加工模具型号符合设计要求，制造厂家往往会使用定位五轴的加工方法。应用这一工艺进行加工实际上就是将曲面的加工区域以近似平面加工的方式进行加工。在工作中，通过调整刀轴的角度，使加工过程中的切削速率等于零，使产品符合要求，这种方法在实际工作中是可行的。而调整好刀轴的方向就成为这一工艺的关键环节。

1 刀轴方向优化流程

定位五轴加工的技术理念是将加工区域看作一个符合要求的操作平面，调整刀轴的方向使之符合加工质量要求进行操作的过程。而刀轴的方向确定需要依据创造出的假想平面所包含的法矢方向和刀轴倾角。对于形状复杂的模具是不可能一次性的加工完成的，在加工中需要根据设计要求将模具划分成若干个加工区域。对刀轴方向进行优化的前提是综合加工材料和刀具材料的具体因素，选择最为适合的刀轴倾角。为此我们在总结实际加工经验的基础上制定出对刀轴方向进行优化的流程图（如图1所示）。首先，在进行模具的加工之前需要对模具特点进行分析，设定加工型面。其次，以最优平面设想划定加工区域。再次，是根据区域设计出最优的刀轴方向。最后，进行仪器的数控编程工作，其他区域同样按照这样的工作流程完成加工。其中刀轴倾角的优化选择和加工区域的划定是完成模具的技术关键点。

2 型面定位五轴加工刀轴方向优化的技术措施

2.1 对刀轴倾角的优化

2.1.1 优化刀轴倾角提高切削效果

加工区域的位置的曲面法矢同刀轴方向之间形成的夹角形成了刀轴倾角，经过实践证明，刀轴倾角对刀具切削过程中的平稳性和磨损程度有很大的影响。出于保证面五轴加工方式的加工质量，我们应当对刀轴倾角和刀具切削性之间的关系进行认真分析，使模具切削面法矢和刀轴方向之间形成的夹角得到优化，这是实现刀轴方向优化的先决条件。

2.1.2 对刀轴倾角进行优化的措施

为了保证刀轴倾角的优化效果，我们需要将与加工误差和刀具使用年限有关的切削力和温度作为研究分析的对象。论证的方法包括理论分析、试验验证和有限元模拟等，从实现刀轴倾角的优化。

同其他的物理、化学试验不同，五轴加工的工序复杂、需要投入很多的人力和物力、而且有效数据获取困难，对于探索加工模具切削过程中的各项物理变化规律是很有明显的效果的。所以，仅仅依靠实际操作试验效率极慢。理论分析的先决条件是需要建立准确的切削过程的数据模型，而模型建立必须以大量的实际试验为基础，同样是费时费力。所以，我们应当将现代计算机模拟技术引入研究中，现有的有限元模拟技术克服了传统的实体试验的弊端，免去了实际操作的消耗，而采用计算机模拟切削过程的方法，清晰的模拟出在切削过程中各种应力和温度的变化趋势，这是进行刀轴方向优化研究的有效办法。

在计算机切削加工有限元模拟试验中，第一步，建立起可以反映出加工材料应力、应变率和加工当中温度变化规律的数据模型；第二步，针对加工过程中各种力学的变化情况建立起描述模型；第三步，需要在理想状态下将形状复杂的切削区域划分成若干个部分，采用有限形态的参数形式表现出来，建立起切削加工程序的力学仿真模型；第四步，是在不断的演化试验过程中对模型进行校正，使其更加接近实际加工过程。这是运用有限元模拟试验对刀轴倾角进行优化的措施，但是由于加工过程中，模具形状千差万别，刀轴倾角也会随之变化，因此模拟试验所得结果仅能在一定范围内有效。

2.2 加工区域的划定

对于形状复杂的模具需要划定不同的加工区域，这样能够避免零切速度不断发生变化，确保刀轴倾角始终处于最佳位置。合理的划定加工区域是取得理想的加工效果的保障。但需注意，加工区域不能划分太细，这样会增加数控机床的操作程序，而且接刀点太多也会影响加工模具表面的质量。具体的优化措施是将模具的整体的型面划分成点，密度要均匀，同时测算出各点的法向矢量；通过神经网络聚类的功能，测算出法向矢量同最优的刀轴倾角之间的最小误差的步距，通过各点的连接划定区域。

3 结语

综上所述，对于模具型面定位五轴加工刀轴方向的优化研究应以现代计算机模拟技术为基础。克服传统试验方法的不足，采用科学的分析方法，对刀轴倾角进行优化设计，合理的划分加工区域，保证加工的质量和效率。

参考文献

[1] 陈瑞华，陈贺宏.模具型面分区域3+2轴数控加工方式关键技术研究[J].机械制造与自动化，2009（2）.

[2] 李军，王渝戎，冯云华.高速加工工艺与数控编程研究[J].九江学院学报，2007（3）.