史中英

摘 要：当今，“模具就是产品质量”“模具就是经济效益”的观念，已被越来越多的人所接受。使用模具生成零件，具有生产率高、质量好、成本低和节约能源与原材料等一系列优点，已成为当代工业生产的重要手段和工艺发展方向。

关键词：模具生产 铣削力的建模预报技术 铣削模型的加工参数优化

模具生产一般可分为设计、工艺规划、加工和装配调试等几个阶段，必须抓住每个阶段的关键环节，才能有效缩短整个模具生产的周期。在工作量最大的模具加工阶段，数控加工技术的应用对缩短整个模具生产周期可起到关键作用，尤其是飞机、汽车和轮船上的主要零件以及大量的塑料制品，这类零件的模具工作部分或相关电极一般是通过数控加工完成的，加工时间（包括数控编程、切削加工和抛光时间）占整个制造周期的60%以上，其中切削时间是最主要的，约占整个制造周期的30%～50%。

一、铣削力的建模预报技术

关于铣削力的研究在整个虚拟加工和加工过程仿真领域处于基础核心地位。

1.切屑厚度的计算方法

关于切屑厚度的计算，主要是继承和发展圆柱铣刀铣削切屑厚度的表达方式。由于圆柱铣刀主要用于两轴半加工，相关的切屑厚度计算是二维的。适用于三轴曲面加工的切屑厚度计算，比较具有代表性的有：Ohio州立大学的Feng H Y 和Menq C H团队研究球头铣刀切削力，应用基础切削几何，计算未变形切屑厚度沿切削刃的分布（1994）。西班牙的A·Lamikiz等学者利用了坐标变换的数学表达，计算斜面铣削时的切屑厚度，适用于三维计算（2004）。

2.切削系数的确定

传统的切削系数是通过平面槽铣试验，计算平均切削力和平均切屑厚度比值得到的。由于平均切削力和平均厚度的计算弱化了峰值效应，使得预测的切削力在波峰和波谷部位严重失真。并且计算得到的切削系数仅局限于试验范围，所以试验量太大。这里介绍的两种切削系数的试验方法很具有革新性。

Altintas等人的方法还是基于传统的假设，认为切削系数是切屑厚度等切削参数的函数，从车削试验数据，应用斜角变换理论，计算适用于铣削的切削系数（1996）。

Dong-Woo Cho 等学者研究了圆柱铣刀铣削试验，认为对应于特定的工件材料时，切削系数是常数。从而避免了大量的试验。并且系数的适用范围不仅局限于试验范围（1999）。

3.切触区域的判断

切触区域的判断主要是界定参与切削的刀刃范围，由于很长一段时间该领域的研究局限于平面加工，避免了切触区域判断的问题。对于三维曲面加工，目前文献上关于切触区域判断的研究主要有两种方法，一是应用Z-MAP数据格式表示工件和刀具得到的投影表示。再有就是基于实体模型布尔运算方法表示。前者算法稳定，效率高，但是存在离散精度问题。后者精度高，但是效率低下，对硬件系统要求太高。

韩国的G.M.Kim，B.H.Kim，C.N.Chu应用Z-MAP数据存储格式构建曲面和刀具，通过判断z向高度差异，用投影方法表示切触区域（2000）。

加拿大的A.D.Spence和Altintas研究了实体模型来判断切触区域，应用实体模型布尔运算表示工件刀具切触区域（1999）。

4.刀具几何参数

精确预测计算铣削力需要精确的刀具几何参数。由于刀具制造厂家在刀具制造的时候处于强度考虑和磨削制造误差，一般刀刃曲线和设计曲线有出入。因此对于刀刃曲线的描述目前比较常用的有两种方法：一种就是按照设计刀刃的理论曲线，认为球头刀刃曲线是圆柱铣刀刀刃曲线在球头上的投影；另一种是在刀刃曲线上设定坐标系，测量刀刃曲线的点坐标，拟合曲线。

台湾成功大学的王俊志、郑嘉敏等学者研究切削力时应用的刀刃形状是理论曲线即圆柱铣刀刃线在球头上的

投影。

土耳其的B.U.Guzel等学者研究球头铣刀铣削力时，利用数码相机放大照相球头刃形线，建立坐标系，取点拟合曲线（2004）。

5.刀具挠曲变形的计算

刀具挠曲的研究是考虑刀具受力，引起挠曲变形。目前关于挠度的理论方法还是一直沿用圆柱铣刀铣削理论，假设刀具是悬臂梁，应用静力试验方法测定刀具刚度。

美国的Thomas A. Dow等学者研究了小直径铣刀的加工挠度的误差补偿技术。应用开环的控制手段考虑切削力和轴向力引起的刀具挠度对工件表面形状的影响，通过改进刀具路径，减小形状误差（2004）。

上海交通大学国家模具重点实验室的倪其民、李从心等人应用实体造型方法判断刀刃参与切削的区域，建立了三分量的球头铣刀铣削力模型。但是回避了计算时间的讨论（2002）。

二、基于铣削模型的加工参数优化

切削力的不稳定很可能造成刀具的折断、崩刃、欠切等。这在模具加工中是绝对不允许的，尤其是模具型腔的精加工。所以很有必要对进给速度、加工余量等加工参数进行优化，以达确保切削力平稳，进而提高加工效率，保证加工质量。

1.进给速度优化

对进给速度的优化主要有在线方式和离线方式。在线方式需要针对不同的机床安装不同的设备，费用比较大。而且切削力采集的是主轴的切向力，这对于重切削（端面铣削和周铣）是比较合适的。而在模具型腔的加工中，加工刀具往往是嵌入式刀具，只能适合轻切削的加工条件。而且即使材料去除体积一样，但刀具与工件的切触情况不同，刀具受力是不一样的。在切削力瞬时模型的基础上，需对复杂曲面加工中的进给速度进行优化。

Feng H Y，Su N采用循环迭代的方法求得不同的切削力分量，在每次迭代中进给速度调整，直到切削力值达到设定的范围（2000）。

2.加工余量预测

通常模具型腔等曲面类零件的数控铣削加工可以分为三个阶段：粗加工、半精加工和精加工。粗加工的任务是尽可能多地切除大部分多余材料（余量），高的生产效率是其追求的主要目标；精加工的主要任务是最终加工出满足设计要求的零件，高的加工精度，包括尺寸精度、形状精度和表面精度是其主要的目标；而半精加工则通常是为精加工做准备。因此寻求新的简单、易行、可靠的适应高表面质量要求曲面精加工特点（既要保持恒定的切削力又要保持稳定的进给速度）的切削力控制方法，是一个很只得研究的课题。通过改变现有的半精加工所留余量相等的做法，使得加工余量按照能使精加工时切削力均匀分布，即变等厚余量为等切削力余量。

上海交通大学的倪其民、李从心、阮雪愉等人提出了通过控制加工余量的分布来实现曲面产品恒定切削力精加工方法的基本思想。并对于余量的计算方法做了基本的理论研究。

关于数控加工参数优化的研究正在世界各国展开，但现有的研究还不能产业化，没有实现实时监控加工过程。目前该领域公认的发展趋势是：基于刀具挠度的形状误差预测应该集成到下一代CAD/CAM系统中，根据加工条件和切削参数，工件几何形状，刀具、工件材料等实时地预测切削力，指导工程研究人员合理制定加工工艺和选定加工参数。

（作者单位：烟台工程职业技术学院）endprint