五轴数铣中心下注塑模具自动抛光过程翻译.docx
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五轴数铣中心下注塑模具自动抛光过程翻译
五轴数铣中心下注塑模具自动抛光过程
材料加工技术杂志
LURPA,ENSCachan,61avdupdtWilson,94230Cachan,France
christophe.tournier@lurpa.ens-cachan.fr,Tel:
33147402996,Fax:
33147402211
【摘要】
当表面粗糙度很关键,或生产透明的成型零件要求镜面效果时,塑料注射模制造就要求抛光。
这样的抛光主要由分包商公司的技术工人手动地完成。
在本论文中，我们提出一种自动抛光技术,在5轴数控铣削加工中心自动抛光，使模具生产从加工到抛光都使用同样的工具，以节约成本。
我们还研发了一种特殊的算法来计算5轴铣刀在自由型腔上的位置以模仿工人的技术。
这一切计算都基于填充曲线和摆线曲线。
被动刀具和装置通过位移与来自力传感器的力之间的校准保证抛光力。
合规的刀具有助于成型零件在五轴刀具运动中避免运动学误差效应。
就模具表面粗糙度的质量和执行的简单性而言，这个方法的有效性通过一个旋转式发动机和摆动升降台在五轴加工中心中试验来展现出来。
【关键词】
自动抛光5轴加工中心镜面效果表面粗糙度希尔伯特曲线摆线曲线
几何参数
CE（XE,YE,ZE）刀具起始点
（u,v）参数空间坐标的摆线参数曲线
摆线曲线参数
s曲线横坐标
C（s）导线参数方程
P（s）轨迹参数方程
n（s）法向量
p轨迹线的步长（步轨迹）
Dtr轨迹直径
A轨迹线振幅
Step轨迹线两个循环间的步长
工艺参数
D刀具直径
Deff抛光刀具的有效直径
E抛光条振幅
e刀具压缩产生的位移
θ刀具轴的倾斜角
u（i,j,k）刀具坐标系
f导线切向量
Cc摆切线
加工参数
N主轴转速
Vc切削速度
Vf给进速度
Fz给进量
ap切削厚度
at加工点
T运转时间
表面粗糙度参数
Ra表面算术平均差（2D）
Sa表面高度平均差（3D）
Sq表面均方根差
Ssk偏态分布幅值
Sku偏态分布峰值
【简介】
高速加工（HSM）的发展大大改善了塑料注射模和模具制造商。
特别是在大多数情况下,HSM取代了电火花加工,使模具生产循环周期时间减少了。
尽管有了这样的发展，HSM还是不能够省掉抛光这一道程序。
在本文中，我们讨论表面的高质量精加工和镜面效果的关系。
这就意味着成型零件必须绝对光滑，没有条纹反射。
例如，为了使塑料部件十分平滑透明，塑料注射模型腔的质量必须要高。
从经济学的角度来说，抛光是一道耗时长又烦人的工序，要求丰富的经验。
就价钱和模具的停工期而言，抛光的价钱很昂贵，这也正好促进了自动抛光的发展。
我们的目标是从切削加工到抛光都用同样的生产加工工具，以降低成本。
因此，本文提出了在五轴机床上进行自动抛光的方法。
相关的资料也提供了各种自动抛光实验。
这些实验中的抛光一般由拟人机器人来完成，使用拟人机器人来进行抛光主要有两个原因。
第一，拟人机器人的轴数使其能够轻而易举地进入复杂模型的任何地方。
第二，拟人机器人能够装各种各样的刀具，尤其是带有抛光力控制机制的主轴。
资料中还有关于用特制的刀具来控制抛光力，在三轴或五轴数控铣床上以及在并联机器人上进行了自动抛光的研究[2]。
抛光力在自动抛光的过程中确实是一个重要的参数。
磨损速率随着抛光压力的增大而变快。
但是正如上文[3]中提到的接触压力不仅取决于抛光力，还与成型零件的几何变量有关。
在粗抛光的铣削中，适当的抛光力可以去掉残留在成型零件上的尖头或条纹。
然而，为了避免过度抛光，接触压力必须尽可能不变，遵循极限公差。
因而文献资料的很多作者都选择了让抛光力进行动态管理的磨料系统。
在[5]中,Nagataetal.一个抗阻模型沿着力控制的方向来调节成型零件与砂光工具之间的接触力。
在[6]中，Ryuhetal.开发了一个顺从的工具,用一个气压缸为工件表面和成型零件提供恒定的压力。
像这样的被动机制也可以用在[7]，接触力来自于弹簧的压缩力。
为了完成自动抛光，就要使用经过改编的刀具轨迹。
根据[8],为了使模具表面都抛光，减少波动误差，抛光路径应该是多个方向的，而不是单一方向的，而且多向抛光路径与人工抛光的路径差不多。
要是我们观察手工抛光，就会注意到他们会根据不同的样品模式沿着原来的抛光路径返回去再抛光。
例如，摆线抛光路径，（或者摆线编制路径）[8]（图一）。
因此，这样的轨迹路径有利于达到零件所要求的质量。
比如，一些论文用分形轨迹，如：
波亚诺轨迹分形[9]，这是一个空间填充曲线的典型例子，而不是沿着平面彻底抛光[10]。
Figure1（图1）–Manualpolishingpatterns（人工抛光模式）
相关的文件资料表明，用一个带被动工具的五轴加工机床来进行抛光难度不大。
本文的目的是表明用五轴加工机床进行自动抛光的可行性，并提出一些抛光策略。
在第一部分中，我们展示了在五轴高速加工中心怎样进行自动抛光。
我们特别介绍了实验中所用的刀具的灵活性和顺从性。
另外，要特别注意刀具的位移与产生的抛光力之间的相互关系。
五轴自动抛光一旦被证明可行，我们发展的不同的专用抛光战略在第二部分有详细介绍。
这些战略大部分来自于宝贵的实践经验，至于分形刀具轨迹则来自于自动化抛光或是代表手动抛光的摆线编织路径。
在第三部分，这个方法的有效性可以通过在成型零件表面进行各种测试来证实。
所有的工件铣削、抛光都是在五轴MikronUCP710铣削加工中心完成。
在文献资料中，抛光效果是通过求算术平均粗糙度Ra[2]来计算得。
然而，因为这是一个二维参数，所以这种计算标准不能够正确反映出三维抛光的表面质量。
因此，我们建议用三维参数来计算得到抛光面的抛光质量。
这一点将在最后一部分讨论，本论文的最后一部分还拿自动抛光的表面粗糙度和人工抛光的进行比较，这一点在现有的文献资料中几乎没有提到过。
三维表面粗糙度的测量是用非接触式的测量系统来完成。
2实验步骤
2.1刀具的特点
我们在上文中提过，我的目的是开发一种简单实用的自动抛光系统。
因此，自动抛光中所用的刀具与人工抛光用的刀具是一样的。
抛光可分为粗抛和精抛。
粗抛是通过一个安装在适合的支架上的砂盘来完成。
磨料粒度的大小根据欧洲磨料生产者联合会的标准（FEPA）而定，所使用的支架是个用弹性材料制作的可变形的零件，固定在主轴的钢轴上。
因此，我们涉及到一个被动式工具，因而没有力反馈控制，但是有一个定位反馈控制。
我们研究了砂盘支架的偏转度和施加在成型零件上的抛光力之间的关系。
我们把Kistler9011A石英力传感器安装在一个特制的工件固定器上，来建立偏转度和抛光力之间的关系。
把Kistler9011A石英力传感器连接到Kistler5015增压表上，而增压表则通过一个数据收集装置——威尼尔采集器保存数据，并连接到电脑上。
实验系统如图二所示。
此外，所用的传感器是一个动态传感器，因而施力点要随着时间改变，不然就会产生测量偏离。
为了使施力点能够随着时间移改变，刀具的运动就要是呈三角形的。
Figure2–Experimentalset-up（实验设备装置）
为了保证微型芯片在抛光过程中能撤出来，同时保证零件与刀具接触时磨损速度不为0，抛光面的法向量为n，并且n与给进方向f垂直，使刀具轴u向法向量n倾斜，倾斜角ө如图3所示：
Figure3–Toolaxistilting（刀具轴倾斜图）
抛光分别以5°，10°，15°的倾斜角（刀具轴与给进方向表面的法向量之间的倾斜角）进行了实验，刀具偏差与抛光力之间的相互关系如图4所示：
Figure4–Polishingforcesvsdisplacement（抛光力vs位移）
当刀具偏转角度过大时，砂盘就分开了，所以图4中的绿色曲线中断了。
在这个配置中，倾斜角太小，砂盘支架的主体因为向工件靠近并与之接触，更加坚硬了，这使砂盘更加分开了。
当倾斜角在10°~15°之间时，刀具偏转更有价值，抛光力VS位移的曲线一直延伸。
然而，倾斜角小的装置，刀具运动得更快，因为五轴机床的旋转轴转得相对慢了。
[11].另外，从图中可知，考虑到程序化给进速率，余摆刀具路径就需要动态机床。
[12]当倾斜角小时五轴装置和抛光时间就比较重要了。
另外，刀具的灵活性则有助于减少或避免五轴的运动误差[13]。
事实上，因为在两个连续的刀具位置之间刀具轴定向推进，刀具和工件可能会相互阻碍。
因此，砂盘支架的挠曲度可以避免模具表面变形。
根据普勒斯特定理，在抛光中，材料切削率h与平均接触压力P及相对于工件的刀具速度V成正比：
h=KpPV
在式子中，Kp是一个常数（m²·s/N）,并且包含了所有的其他的参数（零件材料、磨料、润滑性能等）。
因此，为了达到适合的接触压力，必须提高刀具的挠曲度（偏转度），同时不断提高剪切应力，分开砂轮。
从运动学的角度分析，旋转轴运动慢，抛光时间就会进减少。
所以我们必须要一个相对低的倾斜角（5~10度）和一个相对高的刀具挠曲度（偏转）来保证材料去除速率。
2.2设置五轴抛光刀具路径
为了生成刀具路径，在五轴铣削中所描绘的经典刀具路径是使用一个平头铣刀产生的。
这样就能确定沿着刀具路径的刀具极端点CE和刀具轴坐标系u（I,j,k）的方向。
至于抛光策略，我们使用摆线刀具路径是为了模仿手工操作使主轴运转。
为了避免工件表面上有刀痕或者具体的图案，我们选择在分形曲线中生成刀具路径，多向式均匀抛光。
而且，我们还特别使用了波亚诺曲线中的一个特例——希尔伯特曲线。
在加工中使用这些曲线的优点是，它们所生成的路径能够覆盖工件的整个表面，均匀抛光[15]。
希尔伯特曲线作为摆线曲线的导线，接下来我们将描述一下希尔伯特曲线，然后再检查摆线曲线。
2.2.1希尔伯特曲线的定义
运用分形曲线有两个好处。
第一，刀具路径不用沿着具体的方向来确保均匀抛光。
第二，能够与刀具路径的编程连接起来。
事实上，刀具路径可以在区间[0,1]²范围内，通过抛光面的参数空间u,v计算出来。
希尔伯特曲线也被称为填充曲线，在参数空间中[16]覆盖一整单位正方形，所以希尔伯特曲线能够填充整个三维表面，使工件表面都均匀地抛光。
希尔伯特曲线可以用递推算法来确定，n阶曲线如下所示：
如果n=0:
x0=0
y0=0（3）
否则:
xn=0.5[−0.5+yn−1−0.5+xn−10.5+xn−10.5−yn−1]
yn=0.5[−0.5+xn−10.5+yn−10.5+yn−1−0.5−xn−1]（4）
接着很容易就可以算出一阶、二阶、三阶，最后得到希尔伯特曲线，如图5所示：
Figure5–Hilbert’scurves（first,secondandthirdordercurve）希尔伯特曲线（一阶，二阶，三阶曲线）
希尔伯特曲线是摆线刀具路径的导线，为了保持沿着希尔伯特曲线相切的连续性，我们给抛光分形的角嵌边。
否则，在分形曲线上每变化一个方向，抛光的刀具路径都将间断，所得的希尔伯特曲线如图6所示。
由此我们可以很容易对曲线进行巧妙地处理，比如，可以把曲线的参数表示直接设计在三维空间中，或者用来它来建立摆线曲线的导线（如图7）。
Figure6–FourthordercorneredHilbert’scurve
Figure7–Polishingtrajectoriesonaconvexfreeform
2.2.2摆线曲线的数学定义
基于在（17中）所提出的关于摆线曲线的描述，在下文，我们将确定摆线曲线。
使C（s）为一个二维参数曲线（s为曲线长度，如图8）。
C（s）=（s,f（s））是由摆线曲线的导线与在所考虑点的二维参数曲线C（s）的法向量n所得。
P是摆线曲线的步长，Dtr为直径。
摆线曲线的参数方程如下所示：
P（s）=C（s）+p/2лn（s）+Dtr[cos（2лs/p）sin（2лs/p）]
-sin（2лs/p）cos（2лs/p）n（s）（5）
现在的问题是把摆线曲线的参数与抛光参数联系起来。
摆线曲线的振幅A是其直径的2倍，即A=2·Dtr.
Figure8–Trochoidalcurveparameters（摆线曲线参数）
然而，从刀具路径生成的角度来分析，我们更注重刀具包络振幅，而不是摆线曲线振幅。
因为研磨抛光刀具安装在一个活动着的支架上，所以刀具运动塑造包络面最大的困难就是刀具本身。
刀具抛光振幅取决于刀具与成型零件之间的接触面，而接触面与倾斜角ө、刀具直径D、抛光时的刀具位移e有关。
实际上，当刀具平放时，接触面就是整个砂盘，如图9所示。
然而当刀具倾斜并且给定位移e时，接触面只占砂盘的一部分。
Figure9–Contactareabetweenthetoolandthepart（刀具与成型零件之间的接触面）
刀具的有效直径可以由下面的表达式算得：
（6）
（7）
（8）
参数Dtr的计算结果，可以建立摆线曲线：
（9）
2.2.3生成刀具路径
不管所考虑的平面的类型是什么，抛光的刀具路径生成都由三个步骤组成：
在参数空间中计算刀具路径，在三维空间中计算所得的刀具路径，计算刀具轴的方向。
刀具路径的生成正如上文所述，要依靠摆线曲线。
轨迹可以直接确定，但是唯一的难点是计算法向量。
法向量要通过点Ci-1，Ci+1和计算下一个向量积而得。
（10）
接着，我们介绍计算刀具轴方向u的方法（图3）在第一种方法中，我们只用倾斜角来确定平面（f;n）,f是导线，即希尔伯特曲线的相切法向量，n为加工面的法向量。
为了使机床旋转轴的运动振幅减到最小，刀具轴的倾斜度与希尔伯特曲线切线f有关，而不是与摆线曲线有关。
为了计算出刀具与工件接触点Cci的切矢量f，可以使用表达式：
（11）
在加工过程中，刀具端点CE是驱动点，端点位置是由抛光模具决定来决定，也就是通过推拉刀具来决定。
抛光模由参数δ表示。
（12）
（13）
2.3实验
在塑料注射模的生产过程里，我们特别研究了电器装置，如：
电源插座和开关（图10）。
因此，我们会涉及到细长的表面。
为了验证我们的方法，我们分别用一个平面和一个凸面来测试表面，所得的曲率比模曲率稍大。
这些可以在X38CrMoV5钢制作成的50*50mm的sectionbloks上加工完成，经过热处理后成型零件的的洛氏硬度是53HRC。
Figure10–Industrialpartandmold
在抛光之前，成型零件要在五轴MikronUCP710机床上加工到铣精加工状态。
在粗抛中，我们用四个等级的磨料（FEPA120,240,600,1200）。
磨料都是直径为18mm的砂盘，能附在灵活的支架上。
120,240,600等级的磨料是用三氧化二铝制作成的聚合材料，1200等级的磨料理论上是用碳化硅（金刚砂）来制作的。
精抛时，我们使用9μm,3μm和1μm三个等级的人造金刚石研磨膏。
考虑到在精抛中，刀具路径、摆线轨迹都是在希尔伯特曲线的基础上生成，而在粗抛中要用直线，我们把铣削和抛光的顺序总结在表1中。
在抛光过程中，为了达到高的给进率，我们启动西门子840D机床数控系统的优化功能。
尤其是，实时逆运动转换和实时多项式内插法能使轴运动更加平滑。
3结果与讨论
在工业生产中，经过抛光后的表面最后的质量由抛光工人自己通过外观检验确认。
用接触式装置进行表面粗糙度的测量要求十分严格，一定避免损害表面。
然而，新的接触式测量技术能够扫描工件的三维形貌，还可以根据三维表面粗糙度的国际标准来进行数据处理。
国际标准主要是通过大量的参数计算来表示三维表面粗糙度。
在众多参数中，要确认最适合得到镜面效果的参数很重要。
据我们所知，现在还没有能够设置表面镜面效果特征的三维参数。
工业生产实践所显示的只有Ra（表面算术平均差）约为20nm的参数。
Suhetal.的一项关于表面纹理参数的研究表明，Sa（表面高度平均差）和Sq（表面均方根差）这两个参数还不足以确定工件表面的划痕。
他们建议用参数Ssk（偏态分布幅值）来表示。
Hilerioetal.[20]也解释了在抛光的假肢膝关节中的Ssk和Sku的标准规则。
Ssk代表剖面的对称性：
-Ssk=0：
剖面与中线对称，
-Ssk>0：
剖面的波峰多于波谷，
-Ssk<0:
剖面的波谷多于波峰。
Sku代表分布平均值：
-Sku>3：
分布较宽（表面相对平），
-Sku<3：
分布密集（表面呈波峰或是波谷）。
成型零件一旦被抛光，我们就用非接触式测量系统（TalysurfCCI6000）进行三维表面粗糙度测量。
在图11中，我们展示了用我们自己的方法抛光零件（平面和曲面），和一个专业的手工抛光平面的测量。
测量结果如表2所示。
可以看到，自动抛光的凸面的几何偏差更大，而且所得到的Sa（表面高度平均差）和Sq（表面均方根差）比平面的大。
换而言之，在（u，v）参数空间中，当轨迹相同时，凸面的材料切削速率比平面的材料切削速率慢。
Figure11–3Dsurfaceroughness:
convexsurface（top）,planarautomatic（middle）,planarmanual（bottom）
Table1–Millingandpolishingoperations
Table2–3DRoughnessparameters
这主要有以下几种原因。
第一，在参数空间中，对于抛光表面的来说，平面所生成的抛光模式一样，然而凸面部分的表面积比平面大，因而切削的平均覆盖率就低。
第二，与在抛光每一部分时的机械运动有关。
平面抛光时用的是三轴运动，而曲面抛光要求在五轴机床上同时切削。
在切削过程中，由于五轴机械运动（A:
15rpm;C:
20rpm）慢，刀具与成型零件之间的相应的给进率并不与已经编好的给进率相符合，这就致使运动轨迹慢而且不平滑，降低抛光效率。
曲面的Sa和Sq相对来说较大，但是毕竟所抛光的那部分也有镜面效果，证明了上文[19]和[20]中所提到的备注和这些参数的“平均效应”。
镜面效果似乎由参数Ssk和Sku来决定。
但是事实上，曲面与平面在抛光中的价值是一样的，因为曲面也要有镜面效果。
至于波峰和波谷，那三个例子显示，相对手工抛光来说，参数Sku相同的数量级有一点优势。
这些数值与观察所得到的数值相一致。
最后，我们可以得出，就参数Ssk和Sku而言，在参数Sa和Sq之前，抛光程序应该可以优化。
4结论
在本论文中，我们提出了一个解决方案。
在五轴机床上，抛光面自动产生镜面效果这一技术用于模具的铣削。
所使用的被动式工具就能轻而易举地完成。
经过初步校准，我们可以知道，抛光力与刀具偏离相互联系。
另外，为了避免在抛光零件上留有痕迹，我们还开发设计了与人工抛光所用的刀具路径模式相似的刀具路径。
在相同的抛光时间下，自动抛光的质量与人工抛光的质量差不多。
然而，为了保持恒定的覆盖率，在平面（u,v）中，当生成刀具路径时，我们要考虑抛光工件的有效抛光区。
从粗糙度的角度分析，抛光程序一定要降低波峰与波谷的振幅，通过Sku参数大于3表现出来。
对于复杂的形状，为了保证给进率尽可能高而稳定，以达到较好的材料去除率，机床的运动特性很重要。
特别是，旋转轴的运转要与已编程好的给进率一致。
现在，我们在探寻发展抛光策略来抛光半径小的注射模的表面。
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