塑料模具型腔數(shù)控加工過程優(yōu)化設(shè)計

孫瑞寶

（桂林電子科技大學，廣西省桂林市 541004）

塑料模具數(shù)控加工是根據(jù)模型加工需求，按一定規(guī)范制度和標準，結(jié)合及整合模型模具對應(yīng)的形狀，在模具模型整合處理過程中，確保有能力對加工過程中出現(xiàn)的穩(wěn)定性問題、控制性問題進行解決、優(yōu)化、改善［1］。在加工過程中，塑料模具數(shù)控加工技術(shù)可提供技術(shù)性支持，使用新型高效的模型模具及加工設(shè)備等工具，明顯提升了塑料模具進行數(shù)控加工的效率［2］。隨著科技的進步和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，計算機輔助制造（CAM）/計算機輔助設(shè)計（CAD）控制系統(tǒng)已經(jīng)初步達到了成熟階段，因而被更多地應(yīng)用在現(xiàn)代化數(shù)控加工工藝生產(chǎn)中［3］。而CAM/CAD控制系統(tǒng)為數(shù)控加工工藝系統(tǒng)提供了一個產(chǎn)品設(shè)計背景，即對于塑料模具加工數(shù)據(jù)產(chǎn)品，從開發(fā)到設(shè)計、加工，達到了參數(shù)數(shù)據(jù)無縫集成的目的，最大程度優(yōu)化了產(chǎn)品在設(shè)計環(huán)節(jié)和加工環(huán)節(jié)的參數(shù)指標，縮短了整個產(chǎn)品的加工周期，為產(chǎn)品的生產(chǎn)和加工節(jié)約了成本、材料且縮短了時間［4］。對于塑料模具的加工環(huán)節(jié)，最重要的是型腔部件，因為其決定著整個模具產(chǎn)品加工是否合格，而且型腔部件具有極高的精密度，對于加工工藝也有十分高的要求，當型腔滿足相應(yīng)的最優(yōu)條件后，能有效減少加工材料用量、時間、經(jīng)費及資源［5］。

在塑料模具型腔數(shù)控加工過程中，塑料模具型腔數(shù)控加工技術(shù)對工程進展、技術(shù)進步均具有重要意義和作用［6］。通過對塑料模具型腔數(shù)控加工參數(shù)進行設(shè)計優(yōu)化，能顯著提升整個塑料模型的加工能力。同時，利用塑料模具型腔數(shù)控加工模型技術(shù)，可提高整體加工過程的穩(wěn)定性，并增加加工速度、加工效率［7］。在深度加工模具過程中，在材料或加工技術(shù)方面，模具均具有至關(guān)重要的意義及作用，模具可實現(xiàn)工業(yè)材料工序化、一體化生產(chǎn)，可提高生產(chǎn)效率［8］。在塑料模具型腔數(shù)控加工過程中，采用模具可節(jié)省資源、材料，為企業(yè)節(jié)省更多維修經(jīng)費。本工作基于CAM/CAD技術(shù)，采用UG8.5軟件，對塑料模具型腔數(shù)控加工過程進行了優(yōu)化設(shè)計。

1 注塑模具數(shù)控加工常見問題

1.1 撞刀問題

撞刀現(xiàn)象是在塑料模具數(shù)控加工過程中，由于切削刀具的刀柄或刀刃直接撞擊或作用到模具、工件上，從而導致刀具或工件受到損壞。出現(xiàn)撞刀現(xiàn)象的主要因素包括系統(tǒng)加工工藝數(shù)據(jù)編程缺失合理性及切削刀具配置不合格等。

1.2 彈刀現(xiàn)象

彈刀現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是在數(shù)控加工切削環(huán)節(jié)，由于使用刀具進行大規(guī)模切削時，刀具在切削過程中受到反作用力從而產(chǎn)生一個對自身作用力的抗拒，導致其不能在原有的加工軌跡上運動［9］。為了最大可能地降低彈刀現(xiàn)象的產(chǎn)生，最有效的方法是減少力的反沖作用，主要是通過選擇適宜刀具進行切削、減少刀具對細長刀柄的套裝安裝、按照相應(yīng)刀具套裝，保障刀具的切削量在其允許切削范圍內(nèi)。

1.3 過切加工

過切加工是指在不應(yīng)切削的工件位置進行切削操作，導致刀具尺寸、精準度等受到嚴重影響，從而無法進行精準切削。產(chǎn)生過切加工的原因是在刀具進行切削過程中，數(shù)控機床由于刀具精度和傳輸鏈條的原因，使刀具軸的中心出現(xiàn)不對稱等現(xiàn)象，導致彈刀、撞刀和編程等問題，出現(xiàn)刀具使用錯誤。在具體加工工序?qū)嵤┢陂g，使原本使用的小直徑加工刀具有過切狀況產(chǎn)生，且加工過程刀具不夠精準也會導致過切加工的產(chǎn)生，即工件進行切削加工超過預先所估計的范圍。

1.4 漏加工

有些零部件雖然參與了加工切削環(huán)節(jié)，但是并沒有真正進行加工，這主要是由于刀具加工切削并沒有精準地加工到工件上，且在生產(chǎn)檢驗的時候沒有被檢出，照常投入到后續(xù)的加工銷售環(huán)節(jié)，這一現(xiàn)象被稱為漏加工現(xiàn)象。漏加工現(xiàn)象較多發(fā)生在數(shù)控加工期間，由于數(shù)控系統(tǒng)的讀取錯誤，從而導致刀具無法對零件進行切削加工。

1.5 空刀現(xiàn)象

空刀現(xiàn)象主要指在實際工件切削加工環(huán)節(jié)中，工件雖然在傳輸鏈上運行，但由于數(shù)控編程錯誤，導致刀具僅在工件上空滑，并未對其進行實質(zhì)性加工。一旦刀具出現(xiàn)空刀現(xiàn)象會使整個加工環(huán)節(jié)的路徑出現(xiàn)彎路，延長了加工時間，使加工效率明顯下降。而在數(shù)控加工過程中，整個加工環(huán)節(jié)流程較長，刀具在工件上空刀現(xiàn)象頻發(fā)，需要對整個數(shù)控系統(tǒng)的編程進行修改和更新，明確劃分每個加工區(qū)域，并且在每個加工區(qū)域完成加工切削后，使刀具完全按照預期設(shè)計的運動軌跡行走，最大程度杜絕空刀現(xiàn)象。

2 塑料模具型腔數(shù)控加工過程及知識表達

2.1 塑料模具型腔數(shù)控加工軌跡分析

對于塑料模具型腔而言，復雜型面數(shù)控加工中，曲面三軸加工是重要形式，可幫助CAD/計算機輔助工程（CAE）系統(tǒng)實現(xiàn)精確數(shù)控編程。對工件的加工質(zhì)量、使用壽命、加工過程中的安全保障等起決定性影響的因素為刀具的進退軌跡、刀具進行加工的切入角度、最大等效應(yīng)變力、應(yīng)力的反比關(guān)系等。理想狀態(tài)下應(yīng)采用的刀具進退模式為螺旋進刀，對薄壁型塑料零件來說，要最大程度減少刀具進刀時的載荷變化量。在選擇走刀方式時，需考慮加工余量、加工時間，可通過提取加工工件區(qū)域邊界參數(shù)進行刀具運動軌跡的設(shè)計（即環(huán)切走刀模式），采用這種模式加工時，加工余量十分均勻。當通過提取加工工件區(qū)域平行截切平面參數(shù)進行直線刀具運動軌跡設(shè)計（即行切走刀模式），可以在較短的時間內(nèi)進行長加工工藝，但加工余量不夠均勻。因而對于刀具的走刀方式而言，最適合的模式為環(huán)切走刀與行切走刀相結(jié)合方式，在加工區(qū)域邊界進行環(huán)切的走刀設(shè)計。

2.2 刀具軌跡生成算法

刀具運動軌跡的計算主要使用等參數(shù)線法，即加工刀具沿著工件的曲面三軸進行參數(shù)線運動，得到的整個運動軌跡平整光滑。等參數(shù)線法的特點是計算速度快、方法簡單，可在曲面參數(shù)分布較為均勻的塑料模具數(shù)控加工工藝上采用。刀具的運動軌跡曲線光滑主要是依靠截面法，該方法特點是精度低、計算量較大，在實際應(yīng)用中，不易控制加工間距，易造成切面形狀不符合要求。投影法是根據(jù)參數(shù)三軸曲面離散模型，將刀具運動曲線預先設(shè)計好，利用曲面進行投影和豎曲線運算，得到工件表面的曲線切削運動軌跡。

2.3 塑料模具型腔數(shù)控加工過程的知識庫和數(shù)據(jù)庫分析

通常，根據(jù)待解決的問題特性，通過塑料模具型腔知識庫數(shù)據(jù)次序結(jié)構(gòu)，可對合適的表達模式進行查詢，本工作主要采用對象、屬性和值的相互傳遞連接模式表達塑料模具型腔數(shù)控知識庫。知識庫與數(shù)據(jù)庫雖然都可以對塑料模具型腔次序結(jié)構(gòu)進行表達尋找，二者存在著相似之處，但具有極大的差異：規(guī)范模式的差異，知識庫的規(guī)范性弱于數(shù)據(jù)庫；權(quán)限的差異，知識庫的權(quán)限等級較高，可以針對庫內(nèi)數(shù)據(jù)模式進行修改，而數(shù)據(jù)庫的權(quán)限等級局限了其修改模式。因此，本工作中選擇數(shù)據(jù)庫與知識庫共同應(yīng)用，二者結(jié)合，很大程度上保障了數(shù)據(jù)量的擴充、規(guī)范程度、修改模式的擴充以及系統(tǒng)耦合信息。

3 建立塑料模具型腔數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化模型

在塑料模具型腔數(shù)控加工切削過程中，保持其他儀器設(shè)備和工作環(huán)境不變，可通過改變系統(tǒng)參數(shù)指標，優(yōu)化整體加工系統(tǒng)，提高所生成的模具質(zhì)量、使用壽命和生產(chǎn)效率等。充分考慮塑料模具型腔數(shù)控加工切削過程中所涉及到的參數(shù)指標，提出了多目標優(yōu)化方案，即通過參數(shù)升級優(yōu)化的設(shè)計，建立參數(shù)模型結(jié)構(gòu)，對目標函數(shù)進行計算得到最優(yōu)解和約束條件。

3.1 建立塑料模具型腔數(shù)控加工切削目標函數(shù)

優(yōu)化和完善塑料模具型腔數(shù)據(jù)加工工藝，目的在于提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，因而需要將產(chǎn)品生產(chǎn)效率作為目標進行函數(shù)求解，相關(guān)變量包括進給量、切削速度，使用單一刀具切削單一工件，按式（1）計算加工時間。

式中：Tu為加工時間，s；ts為加工切削程序的初始啟動時間，s；K1為刀具在單位時間內(nèi)進行切削所產(chǎn)生的費用，元；f為進給量，mm/s；V為刀具加工效率，mm/min；n為刀具的使用壽命，即切削次數(shù)；ttc為切削摩擦滯后時間，s；ω為函數(shù)加權(quán)因子，ω＞0；l為工件切削長度，mm；K2為刀具在單位時間內(nèi)進行切削摩擦滯后所產(chǎn)生的費用，元。

如果為單一刀具對單一工件進行多次切削，則式（1）變形為式（2）。

式中：Tu′表示單一刀具加工時間，s；i表示第i次切削；m表示刀具進行多次切削的使用次數(shù)。

在塑料模具型腔數(shù)控加工切削過程中，將切削成本最優(yōu)作為目標，按式（3）計算單個塑料零件成本（C）。

式中：af為切削深度，mm；Tf為刀具實際壽命，km；Tc為刀具材料壽命，km；v為切削速度，mm/s。

總目標函數(shù)最優(yōu)解按式（4）計算。

式中：ωi表示第i次切削加權(quán)因子對整體目標重要程度，根據(jù)其值可調(diào)整對不同目標量級排序。

3.2 建立塑料模具型腔數(shù)控加工約束條件

3.2.1 進給速度

數(shù)控機床的主軸轉(zhuǎn)速高以及切削速度快，切削速度在一定數(shù)值內(nèi)的加工過程中可以延長刀具的壽命，對于工件表面光潔度的提高有很大的作用，且能夠達到一定的精度要求。機床主軸轉(zhuǎn)速約束方程見式（5）和式（6）。

式中：x1，x2均表示機床同步主軸方向；g1（x1，x2），g2（x1，x2）分別為最小和最大機床主軸轉(zhuǎn)速約束條件；nmin為最小主軸轉(zhuǎn)速，r/min；nmax為最大主軸轉(zhuǎn)速，r/min；D為機床主軸半徑，mm；Z為機床主軸長度，mm。

3.2.2 進給量

進給量約束方程見式（7）和式（8）。

式中：g3（x1，x2）為最小進給量約束條件；g4（x1，x2）為最大進給量約束條件；vmin為最小進給速度，mm/s；vmax為最大進給速度，mm/s。

3.2.3 進給功率

進給功率約束方程見式（9）。

式中：g5（x1，x2）為進給功率約束條件；Fc為單個塑料工件的加工進給速度，mm/s；Pmax為最大有效功率，kW。

4 塑料模具型腔切削工藝優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計

4.1 塑料模具型腔切削工藝優(yōu)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

通過塑料模具型腔實體-聯(lián)系（E-R）模型，獲得屬性和實體的對應(yīng)關(guān)系，見表1。

表1 塑料模具型腔E-R模型Tab.1 E-R model of plastic mould cavity

4.2 塑料模具型腔切削工藝優(yōu)化系統(tǒng)模塊設(shè)計

塑料模具型腔切削優(yōu)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成包括切削刀具模塊、零件材料模塊、切削用量模塊、機床模塊和工件模塊等。對于加工工藝中所涉及到的切削工具可以通過刀具模塊數(shù)據(jù)庫進行相關(guān)查詢，在加工制造過程中，刀具模塊數(shù)據(jù)庫有利于模具型腔軟件選擇及開發(fā)；不同切削機床的生產(chǎn)廠商、使用信息以及參數(shù)指標均可以通過機床模塊數(shù)據(jù)庫查詢；對于切削刀具的進給速度、運行速度、刀具的進給量等的查詢主要使用切削用量模塊數(shù)據(jù)庫完成；工件模塊數(shù)據(jù)庫中主要針對塑料模具加工的實際切削案例分析，為系統(tǒng)的設(shè)計和參數(shù)的優(yōu)化提供技術(shù)支撐和理論指導。塑料模具型腔優(yōu)化系統(tǒng)的總體構(gòu)成設(shè)計方案見圖1。

圖1 塑料模具型腔參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.1 General structure design of optimization system for plastic mould cavity parameters

4.3 塑料模具型腔切削工藝優(yōu)化系統(tǒng)開發(fā)

本系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境和編程工具選用Microsoft Visual C++軟件，開放式數(shù)據(jù)庫連接結(jié)構(gòu)，并與對應(yīng)的標準應(yīng)用程序接口進行程序驅(qū)動。

5 某殼體模具型腔的三維建模應(yīng)用實例

通過UG8.5軟件中的加工命令，模擬車削加工過程，最終自動生成數(shù)控機床可識別的G代碼。在編程過程中，人工完成制定工藝方案、分析圖樣，其余全部通過計算機輔助完成。二軸加工為手工編程極限，采用自動編程可獲得五軸聯(lián)動加工模式，即對于復雜形狀零件的編程，自動編程完全能勝任，可以使用自動編程來進行工藝方案的設(shè)計。因此，采用UG8.5軟件對型腔進行加工。模具型腔尺寸為123 mm×123 mm，最小圓角半徑為1.02°，最小間隙為3.22 mm，模具型腔示意見圖2。

圖2 模具型腔示意Fig.2 Mold cavity

為方便加工時對刀，在工件中心創(chuàng)建加工坐標系。做好準備工作后，進行工件開粗（即用機床將模具大致形狀加工出來），進行工序型腔銑的創(chuàng)建。刀具選用D12立銑刀。獨立對型腔虎口位置進行加工，從而提高了加工效率，減少了“跳刀”現(xiàn)象以及加工時間。而在縱向車外圓時，切削深度按式（10）計算。

式中：dw為工件待加工表面直徑，mm；ap為切削深度，mm；dm為工件已加工表面直徑，mm。

設(shè)定進給速度和進給量，進給速度是指選定的切削刃上的點，其相對工件運動的瞬時速度。進給速度按式（11）計算。

式中：vf為進給速度，mm/s；g為主軸轉(zhuǎn)速，r/s。

切削速度按式（12）計算。

式中：s為工件轉(zhuǎn)速，r/min。

在型腔銑粗加工中，因刀具直徑限制，在模具型腔部分狹窄區(qū)域會出現(xiàn)加工不到的情況。通過改變刀具的尺寸可提高刀具加工切削速度，針對加工零件中較小的間隙，可以使用重復開粗的模式進行。利用UG8.5軟件可通過參考粗加工刀具，將剩余材料作為二次開粗切削區(qū)域進行加工，二次開粗刀路詳見圖3。在圖3中，XM，YM，ZM分別表示x，y，z軸，切削方式為跟隨周邊，對于跟隨部件適用于凹凸不平或凸臺部件，周邊對內(nèi)腔銑削比較適用。在二次開粗中，經(jīng)常發(fā)生殘料過多造成刀具斷裂的情況，根據(jù)切削模式對跟隨部件進行選擇，從而改變切削參數(shù)中設(shè)置的空間范圍參數(shù)，將連接中的開放刀路選項改為“變換切削方向”，這樣可有效避免碰撞，并減少過多抬刀。同時，采用跟隨周邊加工方式，減少了加工時間，可使刀軌比較整潔。

圖3 跟隨周邊Fig.3 Following periphery

6 結(jié)論

a）基于CAM/CAD技術(shù)，采用UG8.5軟件，對塑料模具型腔數(shù)控加工過程進行了優(yōu)化設(shè)計。

b）對塑料模具型腔數(shù)控加工切削工藝各參數(shù)指標進行優(yōu)化和完善，將其與傳統(tǒng)的CAD/CAE技術(shù)結(jié)合，通過知識庫推理，得到了該加工系統(tǒng)中關(guān)于切削工藝的參數(shù)指標，最大化提高塑料模具型腔數(shù)控的加工效率及產(chǎn)品質(zhì)量。

c）以塑料模具型腔數(shù)控加工切削工藝為研究對象，通過分析切削刀具的運動軌跡和模式，研究其軌跡從而得到算法。再結(jié)合數(shù)據(jù)庫和知識庫，得到一套關(guān)于塑料模具型腔切削加工工藝系統(tǒng)的優(yōu)化和升級方案，可為塑料模具型腔數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用及研究提供理論基礎(chǔ)。