重制模具镶块的设计原则和方法

王忠华，李宏伟，荣国灿，巨 萌，孙 亮，顾 萌，刘佳一

（1.一汽模具制造有限公司，吉林长春 130011；2.长春创元模具设计有限公司，吉林长春 130011）

1 引言

模具镶块损坏或使用一定时期后磨损，不能满足冲裁制件的尺寸要求，需要重新制造镶块。通常需要按理论数据重新加工，之后进行装配、调试，造成成本的浪费，周期延长。所以用扫描镶块利用点云进行逆向设计，加工后镶块不用再调试，直接安装使用，大大缩短制造周期，节约成本。

2 重制模具镶块前期准备

对模具镶块扫描，其数据质量至关重要。扫描前，要对模具镶块的基准、型面、轮廓等目前存在的质量缺陷进行处理，再利用ATOS 光学扫描设备和三坐标测量机对镶块进行扫描，生成镶块实体点云数据。

2.1 扫描前确定基准

（1）确定扫描基准和加工基准。

将模具镶块的安装结构面确定为扫描和加工基准，精度要求：平面度公差带公差值控制在0.03mm，垂直度公差带公差值控制在0.1mm，表面粗糙度值均达到Ra1.6μm。如图1所示。

图1 扫描基准和加工基准

（2）新制模具镶块的加工基准孔的作用。

重制模具镶块的加工基准孔的作用与镶块的安装面加工基准作用是相同的，要求其表面粗糙度值要达到Ra0.8μm，垂直度公差0.1mm，孔位公差±0.02mm。

（3）重做待重制模具镶块基准。

如果重制模具镶块原有结构基准面或基准孔的垂直度、平面度、表面粗糙度已经不满足精度要求，就必须重新加工基准面或基准孔。重制模具镶块基准确定方式有3种：一种是在重制模具镶块上加工X/Y/Z方向的垂直面；一种是在重制模具镶块上加工X和Z方向的面和一个孔；还有一种是在重制模具镶块上加工出X/Y底面和两个孔。

2.2 扫描前对重制的模具镶块手工修复

模具在调试和生产使用中可能会经历多次修改，会经历烧焊、加工后强度减弱等过程，会使重制模具镶块会产生或残留一些表面缺陷，扫描前钳工要对这些表面缺陷进行手工修复。

（1）去除残余和毛刺。

为了保证扫描点云的表面质量，要去除模具镶块的烧焊残余、毛刺，以保证点云表面光顺，进而使逆向后的镶块型面曲率连续。

（2）表面填充处理。

对镶块表面的塌陷不平等缺陷进行填充，填充材料一般选用腻子、树脂等，以保证逆向后的镶块型面曲率连续。

3 扫描和检测生成点云数据

在ATOS设备上和三坐标测量机上对修复后的模具镶块进行扫描和检测，以扫描和检测结果作为依据，进行加工数据设计。

3.1 ATOS光学扫描

为保证扫描基准的精度，需要清理放置被检测镶块的工作台表面，以保证镶块底面平面度精度要求。在ATOS设备上扫描镶块的型面、结构面、轮廓、销孔、螺钉孔。

3.2 三坐标测量机检测

将模具镶块在ATOS 设备上扫描之后，再在三坐标测量机上进行检测，为保证检测基准统一，三坐标检测时要利用ATOS 光学扫描的基准，测量修边刃口轮廓、及相关的孔位、孔径。斜楔镶块要在斜楔机构上进行检测。

4 设计新加工数据

扫描结束后，获取到扫描和检测数据，导入CATIA软件，可以进行逆向设计。需要特殊注意的是，逆向设计时要对钳工手修部位进行改造，对模具镶块的主型面进行延伸放大，对镶块的孔位、孔径要圆整。使最后设计完成的加工数据满足加工需求，保证加工后的模具镶块趋近于完美的状态。如图2所示。

图2 三坐标测量获取的测量点云

（1）判定扫描点云质量。

对扫描点云质量主要关注模具镶块的基准和关键部位的完整性、型面的光顺性和连续性等。

（2）导入点云数据。

确定点云质量合格，将点云数据导入CATIA中，与模具结构环境中的位置对齐后，再进行下一步工作。

（3）处理点云网格。

处理的方式主要采用点云稀化、堵孔、网格优化，边处理边分析。

a.点云稀化。

点数控制在50 万个以内，型面偏差控制在0.02mm 以内，进行点云稀化。在CATIA 中过滤突兀的型面和R角，稀化比率达到20%，以保证型面质量和精度。如图3、图4、图5、图6所示。

图3 曲率分割前

图5 稀化前

图6 稀化后

b.堵孔。

在镶块上喷显影剂、摆参考点方可获得扫描结果，但参考点位置会在扫描后的点云数据中形成小孔，所以，处理点云时要对这些位置进行堵孔。如图7、图8所示。

图7 堵孔前

图8 堵孔后

c.检查点云数据。

上述工作完成后，在CATIA 中检测点云数据，检测的原则是曲面的法向方向与点云的扫描方向要一致，最后得到理论与实际的偏差分析结果。如图9所示。

图9 理论与实际偏差分析

（4）重制模具镶块新实体加工数据设计。

在重制模具镶块新加工数据设计时，将点云数据导入CATIA中，与模具结构环境中的位置对齐。设计时要综合考虑理论与实际的偏差。

a.建立加工基准坐标系。

在逆向设计优化后的模具镶块实体上的结构面上取X/Y/Z方向的垂直面作为加工基准面，建立镶块加工基准坐标系，通常首要考虑此加工基准与扫描检测基准一致。如图10所示。

图10 加工基准坐标系

b.修复补偿及型面延伸。

钳工手工修复的表面质量不会满足要求，所以加工数据设计时要对这些区域进行修复补偿。为了数控加工完全不残留，加工数据设计时，要对镶块型面进行延伸放大20mm左右。如图11所示。

图11 型面按理论边界向外延伸

c.新轮廓加工数据设计。

加工数据设计时，直接提取扫描点云的轮廓、孔位、孔径，并对这些设计元素进行优化。冲孔孔径和孔位公差按制件产品的原有标准执行，螺钉孔位置偏差控制在±0.2mm以内，销孔是精定位，不能采用原孔位，需要换新位置重新加工，只有这些精度的保证，才能保证了新轮廓加工数据设计准确和合理性。

d.型面负角空开。

设计完成的重制模具镶块，可能会有型面负角，所以，要对模具镶块的整体加工数据型面进行检查，如果有负角，要对这些区域进行空开处理。如图12所示。

图12 镶块新实体加工数据

5 结束语

通过采用重制模具镶块的设计原则和方法，严格保证了重制后模具镶块与原有生产使用的待重制模具镶块的一致性，加工后快速满足使用要求，为客户节省更多的等待时间。