楔橫軋是一種高效、低耗、清潔的軸類零件成形新工藝、新技術(shù)，是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)的組成部分< 1>.隨著采用楔橫軋工藝加工零件的種類越來越多，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，楔橫軋模具的制造漸漸成為零件是否能精確軋制成形的瓶頸之一。
虛擬加工（Virtual M achining，VM）一直是國內(nèi)外CAD/ CAM技術(shù)的一個(gè)研究熱點(diǎn)< 2>.利用VM技術(shù)，工程技術(shù)人員可以在計(jì)算機(jī)上組織和實(shí)現(xiàn)楔橫軋模具加工過程，在實(shí)際加工前對(duì)模具的可加工性進(jìn)行評(píng)估，保證模具的一次生產(chǎn)成功率，這不僅縮短模具開發(fā)周期、減少了模具生產(chǎn)成本，而且保證了模具的質(zhì)量。
2 VMS的優(yōu)點(diǎn)及體系結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)楔橫軋模具加工首先由工程設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)模具，然后由工藝人員編制數(shù)控程序，最后通過試切來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)控代碼的正確性。這種方法不僅延長了模具的開發(fā)周期，而且提高了模具的成本。而在虛擬加工環(huán)境中，楔橫軋模具的試切、評(píng)估都是在真實(shí)的加工制造前通過在虛擬環(huán)境下對(duì)模具的數(shù)字化模型進(jìn)行模擬仿真來實(shí)現(xiàn)的，從而實(shí)現(xiàn)了楔橫軋模具加工技術(shù)走出僅僅依賴經(jīng)驗(yàn)的天地。
楔橫軋模具虛擬加工系統(tǒng)V MS的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中底層支撐層主要指計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、CAD、CAM軟件等支撐環(huán)境。
應(yīng)用層主要有加工環(huán)境建模M EM、自動(dòng)編程A P、數(shù)控代碼識(shí)別INCC、加工過程仿真SM P等模塊構(gòu)成。實(shí)施理念層是指先進(jìn)制造理念CE（并行工程）、虛擬制造（VM）等。VM S的實(shí)施離不開先進(jìn)制造理念的指導(dǎo)，只有將模具的加工與這些先進(jìn)制造理念完美的結(jié)合起來，才能體現(xiàn)V MS的真正價(jià)值。
傳統(tǒng)楔橫軋模具制造流程圖Fig 1 Flowt of traditional manufacturing of DCWR圖2楔橫軋模具虛擬制造流程圖Fig 2 Flowt of virtual m anufacturing of DCWR 3加工環(huán)境建模模塊（MEMM）加工環(huán)境建模模塊的主要任務(wù)就是要建立與實(shí)際加工環(huán)境相對(duì)應(yīng)的虛擬加工環(huán)境，即對(duì)加工系統(tǒng)中的各個(gè)實(shí)體進(jìn)行數(shù)字化的虛擬描述。
虛擬加工環(huán)境中的實(shí)體模型主要包括虛擬加工機(jī)床模型、夾具模型、刀具模型以及其他制造資源圖3楔橫軋模具虛擬加工的體系結(jié)構(gòu)示意圖Fig 3 Schem atic diagram of framewk of VMS of DCWR模型。由于本系統(tǒng)主要是幾何仿真，為了盡可能簡化建模過程，我們這里建立的模型只要能表達(dá)出加工設(shè)備的形狀特征和功能特征即可，一些與仿真模擬無關(guān)的部件可以不予考慮。
4自動(dòng)編程模塊APM自動(dòng)編程模塊A PM的主要功能包括：提取楔橫軋模具有關(guān)的幾何和工藝信息；然后由工藝決策系統(tǒng)根據(jù)這些信息生成加工工藝文件；再由這些工藝文件生成驅(qū)動(dòng)機(jī)床的NC程序。圖4所示為自動(dòng)編程模塊APM實(shí)現(xiàn)的示意圖。
自動(dòng)編程模塊APM實(shí)現(xiàn)示意圖Fig 4 Schem atic diagram of im plem ent of APM模具信息的獲取首要任務(wù)就是要把設(shè)計(jì)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)特征轉(zhuǎn)換為加工領(lǐng)域的加工特征。由于CAD和CAM是兩個(gè)不同的研究領(lǐng)域，這導(dǎo)致了特征有了不同的含義和表達(dá)形式。在設(shè)計(jì)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)特征表示為一組面和一組諸如尺寸和材料的屬性。而在加工領(lǐng)域，加工特征則表示為一組面和那些對(duì)加工操作有意義的面之間的關(guān)系。提出了用特征匹配處理的數(shù)學(xué)描述，并用集合操作從設(shè)計(jì)特征推導(dǎo)出加工特征。
由于從CAD模型中不能直接導(dǎo)出和實(shí)際加工有關(guān)的工藝信息，因此還需從零件信息庫中提取相應(yīng)的工藝信息附加到各加工特征上，這樣便形成了加工領(lǐng)域所需的楔橫軋模具加工信息模型。
模具信息模型生成后，工藝決策就按照預(yù)先規(guī)定的決策邏輯，調(diào)用相關(guān)的知識(shí)和數(shù)據(jù)，進(jìn)行必要的比較、推理和決策，生成所需的零件加工工藝規(guī)程。然后通過刀位文件生成器這一接口將工藝文件轉(zhuǎn)換為刀位數(shù)據(jù)文件。最后后置處理模塊根據(jù)所使用數(shù)控系統(tǒng)的指令代碼及格式生成N C加工文件。
5數(shù)控代碼識(shí)別模塊INCCM數(shù)控代碼識(shí)別模塊INCCM主要有：對(duì)NC程序進(jìn)行有效、合理的分析；從NC程序中提取與加工的運(yùn)動(dòng)和狀態(tài)有關(guān)的信息，并生成中間仿真加工文件。所示為虛擬加工模塊實(shí)現(xiàn)的示意圖。
虛擬加工模塊實(shí)現(xiàn)示意圖Fig 5 Schematic diagram of implement of INCCM前置處理的任務(wù)主要是去掉不必要的注釋及空格，形成僅含功能字的標(biāo)準(zhǔn)程序段。詞法檢查的主要功能就是判斷NC程序中是否有機(jī)床不能識(shí)別的指令。為此首先要建立機(jī)床可以識(shí)別的字符集，然后逐個(gè)讀入NC程序的字符，判斷它是否在機(jī)床字符集中，如果不在，則說明程序使用了機(jī)床不能識(shí)別的指令，這時(shí)顯示錯(cuò)誤發(fā)生的位置和錯(cuò)誤類型，并給出錯(cuò)誤信息，返回到程序+++++++++編輯++++++++++狀態(tài)< 4>.語法錯(cuò)誤相對(duì)于詞法錯(cuò)誤內(nèi)容更加豐富，主要有：書寫錯(cuò)誤，如無效的刀號(hào)；指令使用不當(dāng)，如在同一組中使用兩條G或M指令；邏輯錯(cuò)誤，如倒角的長度大于較短邊的長度。圖6所示為詞法和語法分析的流程圖。
圖6詞法和語法分析的流程圖Fig 6 Flow of lex ical syntax analysis代碼翻譯的主要功能就是從處理后的數(shù)控程序中提取那些影響機(jī)床運(yùn)動(dòng)的NC數(shù)據(jù)信息。G代碼是數(shù)控代碼中最重要的代碼，幾乎控制了數(shù)控機(jī)床的所有功能和動(dòng)作< 5>.對(duì)眾多的G代碼進(jìn)行合理、有效的分析并結(jié)合楔橫軋模具加工的特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)和仿真有關(guān)的G指令有：G00快速定位，G01直線差補(bǔ)，G02/ G03圓弧差補(bǔ)；G33螺紋切削；G4主軸暫停；G90/ G91絕對(duì)/相對(duì)坐標(biāo)設(shè)置。同時(shí)為了使得仿真系統(tǒng)能真實(shí)地反映加工過程，還必須增加M輔助功能字、T刀具功能字，F(xiàn)進(jìn)給速度功能字、S主軸轉(zhuǎn)速功能字。同時(shí)定義差補(bǔ)信息的X、Y、Z（或Z、J、K）功能字也必不可少。這樣就可以用以下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來記錄每一個(gè)程序段的信息。
Struct N C _ Data { int G _ Code；/ *準(zhǔn)備功能G指令* / int M _ Code；/ *輔助功能M指令* / int F _ Code；/ *進(jìn)給速度F指令* / int S _ Code；/ *主軸轉(zhuǎn)速S指令* / int T _ Code；/ *刀具F指令* / float X _ code；/ * X軸坐標(biāo)值* / float Y _ code；/ * Y軸坐標(biāo)值* / float Z _ code；/ * Z軸坐標(biāo)值* / } 6加工過程仿真模塊（SMPM）加工過程仿真模塊的主要功能包括：首先由中間仿真文件生成刀具掃描體，然后將刀具掃描體與工件進(jìn)行布爾減運(yùn)算來模擬模具加工的材料切除過程，并在此過程中檢測干涉、碰撞的情況和提供精度檢驗(yàn)、加工周期等信息。圖7所示為加工過程仿真模塊實(shí)現(xiàn)的示意圖。
圖7加工過程仿真模塊實(shí)現(xiàn)示意圖Fig 7 Schematic diagram of implement of SMPM材料切除過程仿真實(shí)際就是毛坯與刀具掃描體作布爾減運(yùn)算來模擬加工仿真過程的。其具體過程可以描述如下：在一個(gè)時(shí)間步長d t內(nèi)，由數(shù)控程序控制刀具的運(yùn)動(dòng)過程，并在此運(yùn)動(dòng)過程中生成一個(gè)刀具掃描體，然后再將此刀具掃描體與工件作布爾減運(yùn)算，從而得到該時(shí)間步長d t內(nèi)工件的變形。如此反復(fù)直到NC程序結(jié)束。
數(shù)控加工中的干涉通常分為兩大類：局部刨削（local gouging）和全局干涉（global interfer ence）< 6>.前者是指刀具切削部分與工件工作表面的干涉，它會(huì)引起過切從而導(dǎo)致工件的報(bào)廢。后者指刀具非切削部分與工件、夾具、機(jī)床部件之間的碰撞，它不僅導(dǎo)致工件的報(bào)廢，嚴(yán)重的還會(huì)引起刀具、夾具甚至機(jī)床的損壞，因此后果更加嚴(yán)重。
由于干涉碰撞檢驗(yàn)是在兩個(gè)物體對(duì)之間進(jìn)行的，因此，需要將樣本空間的所有實(shí)體進(jìn)行配對(duì)< 7>.數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的干涉檢驗(yàn)始終在刀具和工件加工曲面間進(jìn)行，而碰撞檢驗(yàn)則在刀具與工件、夾具和工作臺(tái)之間進(jìn)行，所以，實(shí)體對(duì)僅有刀具！工件、刀具（汽車行業(yè)刀具國產(chǎn)化初現(xiàn)成效）！夾具、刀具！工作臺(tái)3對(duì)< 7>.碰撞多發(fā)生在刀具的快進(jìn)、快退過程中，干涉則發(fā)生加工過程。
因此我們只在刀具的快進(jìn)、快退中檢測全局干涉，而在刀具切削加工過程中檢測局部刨削。
判斷加工過程中是否發(fā)生碰撞的算法和材料切除有點(diǎn)類似，它首先計(jì)算時(shí)間步長內(nèi)刀具掃描體是否與夾具、機(jī)床相交，若相交則發(fā)生碰撞。局部刨削是因?yàn)榈毒叩那市∮诒患庸け砻娴那剩虼宋覀冞@里就是比較二者的曲率大小即可，若刀具曲率在檢測時(shí)間點(diǎn)處小于被加工表面的曲率則發(fā)生局部刨削。當(dāng)發(fā)生干涉碰撞時(shí)，系統(tǒng)則暫停仿真并將干涉碰撞的物體對(duì)變紅示警。
楔橫軋模具加工過程仿真的一個(gè)重要目的就是檢驗(yàn)被加工零件表面是否在期望的公差帶內(nèi)。通過對(duì)N C程序加工結(jié)果在幾何尺寸上和理想的零件模型進(jìn)行校驗(yàn)，可以獲取欠切、過切以及詳細(xì)精度信息情況。
結(jié)論與展望楔橫軋模具虛擬加工技術(shù)作為實(shí)際加工在虛擬世界的映像，有著重要的實(shí)際意義和研究價(jià)值。本文在比較傳統(tǒng)的楔橫軋模具加工和虛擬加工后，給出了楔橫軋模具虛擬加工的體系結(jié)構(gòu)，并闡述了各模塊的具體實(shí)現(xiàn)，為楔橫軋模具虛擬加工系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。
但本系統(tǒng)還沒有考慮到加工過程中實(shí)際切削力的變化規(guī)律、刀具磨損、工藝參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響及切削振顫等方面內(nèi)容。因此下一步的目標(biāo)是考慮機(jī)床性能、振動(dòng)等因素，使得該系統(tǒng)更加真實(shí)的反映實(shí)際的加工過程。
標(biāo)簽:模具加工體系的探討
具高速切削對(duì)機(jī)床的要求
