前言模具是產(chǎn)品（如汽車、摩托車、家電等）更新?lián)Q代的重要工藝裝音，其制造質(zhì)量與周期直接影響到新產(chǎn)品的質(zhì)量與上市時間。因此，模具的研制與開發(fā)也成了開發(fā)新產(chǎn)品的重要環(huán)節(jié)。為了高質(zhì)量、短周期、低成本地開發(fā)出新產(chǎn)品換型所需的模具模具企業(yè)廣泛地采用了以CAD/CAE/CAM技術(shù)為代表的先進(jìn)制造技術(shù)其中近幾年來迅猛發(fā)展的高速度、高精度數(shù)控加工技術(shù)倍受模具業(yè)界的關(guān)注。本文將詳細(xì)介紹高速度、高精度數(shù)控加工技術(shù)在模具制造上的應(yīng)用，并以Space-ECAD/CAM軟件為例，介紹滿足模具高速度、高精度數(shù)控加工的CAM功能。

 

　　2高速加工的概念與特點高速數(shù)控加工是一種以高主軸轉(zhuǎn)速、快速進(jìn)給、較小的切削深度和間距為加工特征的高效率、高精度數(shù)控加工方式。傳統(tǒng)模式的數(shù)控加工常采用加大切削深度的方法來提高加工效率，而這種加工方法往往受機床剛性、刀具強度和剛度等的制約，而且對模具的加工精度也影響很大因此傳統(tǒng)模式下的數(shù)控加工的效率會受到許多限制。高性能、高轉(zhuǎn)速數(shù)工高速化提供了技術(shù)保障。高速加工是以很高的主軸轉(zhuǎn)速（如20 000r/min）、快速進(jìn)給（如10m/min）來達(dá)到提高加工效率的目的。高速加工的效率不僅僅體現(xiàn)在數(shù)控加工本身加工效率的提高，而關(guān)鍵在于提高了整個制模過程的加工效率。原因在于采用高速加工技術(shù)，可以極大地提高模具表面的加工質(zhì)量。如果用！10mm球頭刀，切削間距為0.行走刀，留在工件表面的理論殘留高度僅為0.001mm.在這種情況下，如果是覆蓋件模具就不需要打磨，直接進(jìn)行調(diào)試；如果是塑料模，除數(shù)控加工不到位的凹圓角需電火花加工外，型腔的型面部分稍做拋光處理，就可以進(jìn)行試模工作，這樣就極大地減少了鉗工的修磨、拋光時間。

 

　　高速加工的主要優(yōu)點是，既可以在單一工序中切除大量的多余材料，又可以達(dá)到很高的加工質(zhì)量，從而大大減少了后續(xù)精加工所花費的時間，這樣就大大縮短了整個模具制造周期。

 

　　高速加工具有如下特點：a.主軸轉(zhuǎn)速高就目前技術(shù)而言，主軸轉(zhuǎn)速超過10的加工就可以稱為高速加工。但隨著高速加工技術(shù)的迅猛發(fā)展，各機床廠已開發(fā)出性能更好的數(shù)控機床，如曰本新瀉鐵工所制造的UHS10數(shù)控機床主軸*高轉(zhuǎn)速為100r/min.b.切削進(jìn)給速度高對加工鑄鐵類或鋼類模具而言，切削進(jìn)給速度就可認(rèn)為是模具的高速加工。*近開發(fā)的數(shù)控機床的切削進(jìn)給速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過5m/min這個值。如德國的XHC240加工中心*大進(jìn)給速度高速加工的切削深度一般在0. 5mm以下。小的切削深度對減少加工過程的切削力、刀具變形與磨損均有益處。

 

　　2mm以下的切削間距。小的切削間距可減少刀具在切削加工過程中的切削力、變形和磨損，同時還可以減少機床的熱變形。

 

　　3影響模具高速度、高質(zhì)量加工的因素影響模具高速度、高質(zhì)量加工的因素很多，但匯總起來主要有如下幾個方面：產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型、數(shù)控機床、加工刀具與編程方法。

 

　　3.1產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型高精度、高質(zhì)量的產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型是實施模具高速度、高質(zhì)量加工的前提和必要條件。產(chǎn)品建模誤差主要來源于數(shù)據(jù)輸入的隨機誤差，曲線、曲面的逼近誤差，曲線、曲面光順處理公差以及構(gòu)造曲面方法不當(dāng)而產(chǎn)生的誤差，尤其是因曲面造型方法不當(dāng)而產(chǎn)生的誤差對模具加工質(zhì)量影響*大。

 

　　3.2數(shù)控機床數(shù)控機床性能直接影響被加工零件的質(zhì)量和效率。影響模具加工質(zhì)量和效率的與機床有關(guān)的參數(shù)有：機床的定位精度和重復(fù)定位精度、主軸轉(zhuǎn)速和切削進(jìn)給速度、機床的結(jié)構(gòu)與剛性、溫度補償功能及C7C控制系統(tǒng)的性能等。

 

　　3.3加工刀具加工刀具對模具高速度、高精度加工的影響僅次于數(shù)控機床。影響模具加工質(zhì)量和效率的與加工刀具有關(guān)的參數(shù)有：刀具的幾何形狀與尺寸精度，刀具的動平衡性能刀具的變形與磨損等。

 

　　3.4數(shù)控編程合理地設(shè)計模具的數(shù)控加工流程及設(shè)定各工序的加工工藝參數(shù)是實施模具高速度、高精度加工的前提和保障，也是對模具加工質(zhì)量和效率影響*大的能動因素。數(shù)控加工工藝內(nèi)容包括：芫成零件數(shù)控加工的工序數(shù)，工序內(nèi)容與加工順序，每道工序的刀具使用情況及加工工藝參數(shù)選擇等內(nèi)容。

 

　　3.5工件的找正、裝夾與實際加工工件的找正、裝夾與實際加工也對模具的高速度、高精度加工產(chǎn)生很大的影響，如果找正有誤差，這個誤差就會直接反映到被加工零件上；如果工件的定位、裝夾不當(dāng)，零件就會在加工過程中產(chǎn)生較大的變形、移位和振動，而影響被加工零件的加工精度。

 

　　4高速度、高精度加工的技術(shù)要求4.1對產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型的技術(shù)要求8.產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型必須是一個芫善的、統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型不能有遺漏的曲面或多余的曲面存在。

 

　　b.產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型不能有數(shù)據(jù)錯誤和曲面形狀錯誤存在。

 

　　4.產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型必須滿足嚴(yán)密的幾何拓?fù)潢P(guān)系，不允許出現(xiàn)曲面重疊、未修剪曲面、曲面間縫隙過大、曲面間不滿足切矢連續(xù)或曲率連續(xù)等幾何拓?fù)溴e誤。

 

　　產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型應(yīng)是光滑連續(xù)的順暢模型。

 

　　產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型中的曲面應(yīng)滿足參數(shù)對應(yīng)性原理和曲面光順的要求。

 

　　4.2對數(shù)控機床的技術(shù)要求8.機床性能數(shù)控機床必須具音高性能、高精度的特性。具體參數(shù)是機床定位精度和重復(fù)定位精度、幾何位置精度、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等。b.機床結(jié)構(gòu)機床必須具有足夠的強度、剛度和使用穩(wěn)定性，具體包括：機床結(jié)構(gòu)形式、導(dǎo)軌形式、主軸結(jié)構(gòu)、軸承、冷卻方式、防熱變形措施和采用閉環(huán)控制等。

 

　　機床控制系統(tǒng)應(yīng)具音能否根據(jù)被加工零件的形狀特點（曲率分布情況）自動調(diào)整切削進(jìn)給速度，即所謂的“向前看”功能；機床的熱變形補償功能；是否支持NURBS插補功能是否支持高速度傳遞數(shù)控加工數(shù)據(jù)的能力（如能否進(jìn)行以太網(wǎng)連接）等。4.3對加工刀具的技術(shù)要求8.具有很高的幾何形狀、尺寸精度數(shù)控加工所需的刀具路徑是通過在數(shù)控編程汽車技術(shù)表1汽車覆蓋件模具數(shù)控加工工藝參數(shù)工序名采用的刀具主軸轉(zhuǎn)速/c表2塑料模具數(shù)控加工工藝參數(shù)工序名采用的刀具主軸轉(zhuǎn)速/c 0000.010.2-0.50.1-0.30CMA軟件必須能生成光滑、平順、穩(wěn)定的高質(zhì)量刀具運動軌跡，必須具有豐富而實用的刀具運動軌跡生成與編輯功能。下面以Space-ECAD/CAM系統(tǒng)為例介紹CAM的功能。

 

　　5高速度、高精度模具數(shù)控加工對CAM功能的要求bookmark4為了實現(xiàn)模具的高速度、高精度數(shù)控加工，時所選擇的刀具形狀和尺寸計算出來的。因此，實際加工所采用的刀具必須與編程時所選擇的刀具在形狀上和尺寸上一致，否則，這些誤差就會直接反映到被加工工件上，而影響模具的加工精度。b.具有良好的動平衡性能由于高速加工是在主軸轉(zhuǎn)速10000r/min以上的條件下進(jìn)行的，因此要求刀具具有良好的動平衡性能。用于高速加工的刀具一般應(yīng)進(jìn)行動平衡試驗。

 

　　具有良好的剛性必須選用適當(dāng)徑長比的刀具和具有良好剛性材質(zhì)的刀具，如精加工時，采用整體硬質(zhì)合金表面涂層刀具。

 

　　d.具有良好的耐磨性必須采用具有良好耐磨性的刀具。目前，用于高速加工的刀具主要有整體硬質(zhì)合金涂層刀具，可轉(zhuǎn)位機夾刀片，刀片有TIN、TIC、TICN、TIAIN、CBN等涂層刀片。

 

　　4.4對編程的技術(shù)要求4.4.1合理確定數(shù)控加工工藝流程模具數(shù)控加工一般由粗加工、半精加工、清根加工、精加工四道工序芫成，對高質(zhì)量的模具表面常需進(jìn)行二次半精加工。模具粗加工的目的是以*快的速度清除毛坯表面的多余材料，一般采用大直徑刀具、大切削間距、大公差值進(jìn)行切削加工。粗加工強調(diào)加工的高效率。模具半精加工的目的，以較快的速度清除模具型面的多余材料，為精加工模具創(chuàng)造條件。一般采用較大直徑刀具，合理切削間距和公差值進(jìn)行切削加工。半精加工強調(diào)加工的效率和質(zhì)量的統(tǒng)一性。半精加工后的模具表面應(yīng)是較光滑的、余量較均勻的。模具清根加工是指清除被加工零件凹向交線處的多余材料，為模具精加工高速化提供條件。如果零件沒有經(jīng)過清根加工直接進(jìn)行精加工處理，就難以實現(xiàn)模具精加工的高速度。這是因為模具表面經(jīng)過半精加工后，在曲率半徑大于刀具半徑的型面處留下的加工余量雖然是均勻的，但在被加工零件的凹向交線處曲率半徑小于刀具半徑的型面的加工余量比其它部位的加工余量要大得多，在模具精加工前，必須把這部分材料先去掉。否則在進(jìn)行精加工過程中，當(dāng)?shù)毒呓?jīng)過這些區(qū)域時，刀具所承受的切削力會突然增大而損壞刀具。從分析中可以看出，清根加工所需的刀具半徑應(yīng)小于或等于精加工時所采用的刀具半徑。經(jīng)過清根加工后，再進(jìn)行精加工，當(dāng)?shù)毒咦叩焦ぜ枷蚪痪€處時，刀具處于不參與切削的懸空狀態(tài)，這樣就大大改善了刀具在工件凹向交線處的受力狀況，為模具精加工的高速度、高精度提供了良好的切削條件。*后是模具的精加工，精加工一般采用小直徑刀具、小切削間距、小公差值進(jìn)行切削加工。

 

　　4.4.2合理確定數(shù)控加工工藝參數(shù)數(shù)控加工工藝參數(shù)包括：加工刀具、加工公差、切削深度、切削間距、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、加工余量等。表1為汽車覆蓋件模具數(shù)控加工工藝參數(shù)表2為塑料模具數(shù)控加工工藝參數(shù)。這兩個表的內(nèi)容僅供，由于不同的企業(yè)，不同精度要求的模具的加工工藝參數(shù)設(shè)定方法會有較大的差異。

 

　　5.1刀具運動軌跡生成方法Space-ECAD/CAM系統(tǒng)為用戶提供了20余種刀具運動軌跡的生成方法，主要包括：等高線粗、精加工，平行走刀粗、精加工，鑄件粗加工，直搗式粗加工，擺線式粗加工，沿面等距精加工，平坦區(qū)域精加工，殘留量加工，清根加工，輪廓加工，區(qū)域加工，自由形狀加工，投影加工，流動型加工等加工方式。

 

　　5.1.1等高線粗、精加工等高線粗加工方式是指按編程時所指定的切削深度生成一組Z平面，每個Z平面對毛坯和產(chǎn)品模型進(jìn)行剖切，從而確定Z平面內(nèi)的加工區(qū)域，然后在加工區(qū)域內(nèi)按切削間距生成刀具運動軌跡的方法，該加工方式所生成刀具運動軌跡是一組等高曲線，這是一種塑料模具粗加工的*常用方法。為了滿足高速度加工的要求，該加工方有許多控制項：如加工方式有順銑加工和逆銑加工；走刀方式有單方向平行走刀、往復(fù)式平行走刀和螺旋式走刀進(jìn)、退刀方式有直接進(jìn)、退刀，沿矢量方向進(jìn)、退刀和螺旋式進(jìn)、退刀；胯步控制方式有直接胯步方式、圓弧胯步方式和S型曲線胯步方式?？梢栽诘毒哌\動軌跡轉(zhuǎn)穹處自動加入圓角，滿足高速加工要求；對采用鑲片式圓角刀的數(shù)控加工而言，為防止未加工區(qū)域的產(chǎn)生，對刀具運動軌跡進(jìn)行優(yōu)化處理，以生成*優(yōu)化刀具運動軌跡。所示為等高線粗加工刀具運動軌跡。

 

　　等高線粗加工刀具運動軌跡等高線精加工方式是指按編程時所指定的切削深度生成一組Z平面，每個Z平面對產(chǎn)品模型進(jìn)行剖切而生成刀具運動軌跡。這是一種塑料模具精加工的*常用方法。它除了具有等高線粗加工方式的特性外，加了一個控制刀具運動軌跡質(zhì)量的選擇項，該選擇項能根據(jù)被加工零件的形狀特征，在刀具運動軌跡的稀疏區(qū)域內(nèi)，在與主刀具運動軌跡垂直方向自動加入一些子軌跡，并且把軌跡間的交叉部分去掉，這樣處理既能保證加工精度，又能保證加工效率。所示為等高線精加工刀具運動軌跡。

 

　　5.1.2平行走刀粗、精加工平行走刀粗加工方式是指按編程時所指定的切削深度生成一組Z平面，每一個Z平面對毛坯和產(chǎn)品模型進(jìn)行剖切，從而確定Z平面內(nèi)的加工區(qū)域，然后在加工區(qū)域內(nèi)按切削間距生成在同一平行平面內(nèi)的刀具運動軌跡。這是一種汽車覆蓋件模具粗加工的常用方法。該刀具運動軌跡的控制方式與等高線粗加工類似。所示為平行走刀粗加工的刀具運動軌跡。

 

　　平行走刀粗加工刀具運動軌跡平行走刀精加工方式是指按編程時所指定的切削間距和切削方向，生成一組平行平面，每一個平行平面對產(chǎn)品模型進(jìn)行剖切而生成刀具運動軌跡。這是一種汽車覆蓋件模具精加工的常用方法。該刀具運動軌跡的控制方式與等高線精加工類似。所示為平行走刀精加工的刀具運動軌跡。

 

　　4平行走刀精加工刀具運動軌跡5.1.3沿面等距精加工沿面等距精加工是指根據(jù)編程時所指定的偏距值，沿被加工零件表面等距偏移所獲得的刀具運動軌跡。這是一種用于各類模具精加工的常用方法。

 

　　該加工方法能獲得滿意的加工質(zhì)量。所示為沿面等距精加工的刀具運動軌跡。

 

　　5.1.4殘留量加工殘留量加工是指對前道工序留下的未加工區(qū)域進(jìn)行局部加工的一種加工方式。Space-ECAD/ CAM系統(tǒng)提供了三種殘留量加工方式。

 

　　清根加工是指去掉產(chǎn)品模型內(nèi)凹向交線處剩余材料的一種加工方式。清根加工有兩種：一是筆式清根加工，它是指刀具沿著兩曲面的凹向交線方向，并與兩曲面卩雙切而生成的刀具運動軌跡；二是區(qū)域清根加工，它是指根據(jù)前道工序指定的刀具半徑和本工序所指定的刀具半徑，確定加工區(qū)域，并按切削間距生成刀具運動軌跡的方法。所示為區(qū)域清根加工的刀具運動軌跡。

 

　　5.1.6直搗式粗加工直搗式粗加工是指刀具沿著刀軸方向作往復(fù)直線運動而去除毛坯內(nèi)部材料的一種高效率粗加工方式，它特別適合于大型型腔類模具的粗加工，要求機床和刀具有足夠的強度和剛度。這種加工方式已在歐美、曰本等模具工業(yè)發(fā)達(dá)的國家廣泛使用。

 

　　5.1.7擺線式粗加工擺線式粗加工是一種采用圓弧切入、直線運動、圓弧退出的加工方式，這種加工方式能確保刀具承受一定的載荷，延長刀具的使用壽命。它特別適合于中間高四周低類零件的粗加工。

 

　　5.1.8投影加工投影加工是指先在二維平面內(nèi)生成刀具運動軌跡路徑，然后把該軌跡往被加工表面上投影所生成加工所需的刀具運動軌跡的加工方式。這種加工方式應(yīng)用比較靈活，如果使用方法得當(dāng)，就能生成各種加工所需的刀具運動軌跡。

 

　　5.1.9流動型加工流動型加工方式分為單曲線控制的流動型加工和雙曲線控制的流動型加工。

 

　　單曲線控制的流動型加工方式又分為偏移型加工方式和法向型加工方式。偏移型加工方式是指以某條曲線（一般定義為二維平面曲線）為基準(zhǔn)，給定偏移距離然后生成一系列偏移曲線*后把這些曲線往被加工表面上投影所獲得的刀具運動軌跡的一種加工方式。這種加工方式特別適合于構(gòu)成零件的主體曲面為旋轉(zhuǎn)面類零件的粗、精加工。法向型加工方式是指以某條曲線（一般定義為二維平面曲線）為基準(zhǔn)，給定偏移距離，然后生成一系列法向偏移直線，*后把這些直線往被加工表面上投影所獲得的刀具運動軌跡的一種加工方式。

 

　　雙曲線控制的流動型加工方式可分為插值型加工方式和直紋線型加工方式。插值型加工方式是指以選擇的二條曲線為基準(zhǔn)曲線給定切削間距，然后生成一系列中間插值曲線，*后把這些曲線往被加工曲面上投影所獲得的刀具運動軌跡的一種加工方式。直紋線型加工方式是指以選擇的二條曲線為基準(zhǔn)曲線給定切削間距然后生成以這兩條曲線所構(gòu)成直紋面的直紋線，*后把這些直紋線往被加工曲面上投影所獲得的刀具運動軌跡的一種加工方式。

 

　　5.2提供多種進(jìn)、退刀功能系統(tǒng)提供給用戶多種進(jìn)、退刀功能，如直接進(jìn)、退刀方式沿給定矢量方向進(jìn)、退刀方式圓弧型進(jìn)、退刀方式和螺旋型進(jìn)、退刀方式。

 

　　5.3提供多種胯步控制方式系統(tǒng)提供給用戶多種胯步控制方式，如直接胯步方式，圓弧胯步方式，型曲線胯步方式等。

 

　　5.4刀具軌跡途徑轉(zhuǎn)穹處控制為了滿足高速切削加工要求，在刀具軌跡途徑轉(zhuǎn)穹處系統(tǒng)自動加入圓弧避免高速切削加工中機床運動方向的劇烈改變。

 

　　5.5控制系統(tǒng)支持NURBS插補功能為了滿足高速切削加工對傳遞加工數(shù)據(jù)的要求控制系統(tǒng)支持NURBS插補功能。

 

　　6高速度、高精度加工在模具制造上的應(yīng)用所示為汽車曲軸模具的實體模型，該模具采用4道工序來芫成，即粗加工、半精加工、清根加工和精加工。每道工序的工藝參數(shù)設(shè)定見表3.所示為曲軸模具的精加工刀具運動軌跡。

 

　　7結(jié)束語高速度、高精度數(shù)控加工是模具制造的高新技術(shù)，是實現(xiàn)模具制造高質(zhì)量、短周期必不可少的加工技術(shù)。隨著數(shù)控機床性能的不斷提高與芫善，刀-使用維修-豐田佳美轎車安全氣囊系統(tǒng)的維修長安大學(xué)戴冠軍系統(tǒng)發(fā)生故障其自診斷電路可存貯并顯示故障代碼。修理時可提取故障代碼按代碼進(jìn)行檢查與維修。若無故障代碼但有故障征兆則可按故障征兆進(jìn)行檢修若故障代碼時有時無l可按間斷故障進(jìn)行檢修。

 

　　主題詞轎車安全氣維修為了保證駕駛員和乘員的安全，在現(xiàn)代中高檔轎車上均裝有防撞安全氣系統(tǒng)，當(dāng)汽車發(fā)生前端碰撞事故時，若減速度超過規(guī)定限值，控制系統(tǒng)就會引爆安全氣，使安全氣迅速膨脹以阻擋駕駛員和乘員向前沖擊的慣性力以減少傷害?，F(xiàn)以曰本豐田佳美轎車的安全氣系統(tǒng)為例，闡述其結(jié)構(gòu)、使用與維修。

 

　　曰本豐田佳美94型轎車的安全氣系統(tǒng)，它由轉(zhuǎn)向盤墊（與氣接觸）、乘員側(cè)氣（如裝用）、中心氣傳感器、螺旋形電纜、左前、右前安全氣傳感器及儀表板上的安全氣報警指示燈等組成，如所示。安全氣的觸發(fā)由電控模塊根據(jù)碰撞表3曲軸模具數(shù)控加工工藝參數(shù)工序名加工方式采用的刀具主軸轉(zhuǎn)速/r-min-1進(jìn)給速度/mm-min-1切削公差mm切削深度/mm切削間距/mm加工余量具和材料性能的提高以及CAD/CAM軟件功能的不斷芫善，這一技術(shù)將成為未來模具數(shù)控加工的主流數(shù)控加工技術(shù)。