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　　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，是當今先進制造技術的組成部分<  1>.隨著采用楔橫軋工藝加工零件的種類越來越多，結構越來越復雜，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）一直是國內外CAD/ CAM技術的一個研究熱點<  2>.利用VM技術，工程技術人員可以在計算機上組織和實現楔橫軋模具加工過程，在實際加工前對模具的可加工性進行評估，保證模具的一次生產成功率，這不僅縮短模具開發周期、減少了模具生產成本，而且保證了模具的質量。

　　2  VMS的優點及體系結構傳統楔橫軋模具加工首先由工程設計人員根據設計要求設計模具，然后由工藝人員編制數控程序，最后通過試切來檢驗設計及數控代碼的正確性。這種方法不僅延長了模具的開發周期，而且提高了模具的成本。而在虛擬加工環境中，楔橫軋模具的試切、評估都是在真實的加工制造前通過在虛擬環境下對模具的數字化模型進行模擬仿真來實現的，從而實現了楔橫軋模具加工技術走出僅僅依賴經驗的天地。

　　楔橫軋模具虛擬加工系統V MS的體系結構如圖3所示。其中底層支撐層主要指計算機硬件環境、操作系統、數據庫、CAD、CAM軟件等支撐環境。

　　應用層主要有加工環境建模M EM、自動編程A P、數控代碼識別INCC、加工過程仿真SM  P等模塊構成。實施理念層是指先進制造理念CE（并行工程）、虛擬制造（VM）等。VM  S的實施離不開先進制造理念的指導，只有將模具的加工與這些先進制造理念完美的結合起來，才能體現V MS的真正價值。

　　傳統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加工環境建模模塊（MEMM）加工環境建模模塊的主要任務就是要建立與實際加工環境相對應的虛擬加工環境，即對加工系統中的各個實體進行數字化的虛擬描述。

　　虛擬加工環境中的實體模型主要包括虛擬加工機床模型、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構示意圖Fig 3 Schem  atic diagram of framewk of VMS of  DCWR模型。由于本系統主要是幾何仿真，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出加工設備的形狀特征和功能特征即可，一些與仿真模擬無關的部件可以不予考慮。

　　4自動編程模塊APM自動編程模塊A  PM的主要功能包括：提取楔橫軋模具有關的幾何和工藝信息；然后由工藝決策系統根據這些信息生成加工工藝文件；再由這些工藝文件生成驅動機床的NC程序。圖4所示為自動編程模塊APM實現的示意圖。

　　自動編程模塊APM實現示意圖Fig 4 Schem atic diagram of im plem ent of  APM模具信息的獲取首要任務就是要把設計領域的設計特征轉換為加工領域的加工特征。由于CAD和CAM是兩個不同的研究領域，這導致了特征有了不同的含義和表達形式。在設計領域，設計特征表示為一組面和一組諸如尺寸和材料的屬性。而在加工領域，加工特征則表示為一組面和那些對加工操作有意義的面之間的關系。提出了用特征匹配處理的數學描述，并用集合操作從設計特征推導出加工特征。

　　由于從CAD模型中不能直接導出和實際加工有關的工藝信息，因此還需從零件信息庫中提取相應的工藝信息附加到各加工特征上，這樣便形成了加工領域所需的楔橫軋模具加工信息模型。

　　模具信息模型生成后，工藝決策就按照預先規定的決策邏輯，調用相關的知識和數據，進行必要的比較、推理和決策，生成所需的零件加工工藝規程。然后通過刀位文件生成器這一接口將工藝文件轉換為刀位數據文件。最后后置處理模塊根據所使用數控系統的指令代碼及格式生成N  C加工文件。

　　5數控代碼識別模塊INCCM數控代碼識別模塊INCCM主要有：對NC程序進行有效、合理的分析；從NC程序中提取與加工的運動和狀態有關的信息，并生成中間仿真加工文件。所示為虛擬加工模塊實現的示意圖。

　　虛擬加工模塊實現示意圖Fig 5 Schematic diagram of implement of  INCCM前置處理的任務主要是去掉不必要的注釋及空格，形成僅含功能字的標準程序段。詞法檢查的主要功能就是判斷NC程序中是否有機床不能識別的指令。為此首先要建立機床可以識別的字符集，然后逐個讀入NC程序的字符，判斷它是否在機床字符集中，如果不在，則說明程序使用了機床不能識別的指令，這時顯示錯誤發生的位置和錯誤類型，并給出錯誤信息，返回到程序+++++++++編輯++++++++++狀態<  4>.語法錯誤相對于詞法錯誤內容更加豐富，主要有：書寫錯誤，如無效的刀號；指令使用不當，如在同一組中使用兩條G或M指令；邏輯錯誤，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控程序中提取那些影響機床運動的NC數據信息。G代碼是數控代碼中最重要的代碼，幾乎控制了數控機床的所有功能和動作<  5>.對眾多的G代碼進行合理、有效的分析并結合楔橫軋模具加工的特點發現和仿真有關的G指令有：G00快速定位，G01直線差補，G02/  G03圓弧差補；G33螺紋切削；G4主軸暫停；G90/  G91絕對/相對坐標設置。同時為了使得仿真系統能真實地反映加工過程，還必須增加M輔助功能字、T刀具功能字，F進給速度功能字、S主軸轉速功能字。同時定義差補信息的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據結構來記錄每一個程序段的信息。

　　Struct N C _ Data { int G _ Code；/ *準備功能G指令* / int M _ Code；/ *輔助功能M指令* /  int F _ Code；/ *進給速度F指令* / int S _ Code；/ *主軸轉速S指令* / int T _ Code；/ *刀具F指令* /  float X _ code；/ * X軸坐標值* / float Y _ code；/ * Y軸坐標值* / float Z _ code；/ *  Z軸坐標值* / }  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行布爾減運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、加工周期等信息。圖7所示為加工過程仿真模塊實現的示意圖。

　　圖7加工過程仿真模塊實現示意圖Fig 7 Schematic diagram of implement of  SMPM材料切除過程仿真實際就是毛坯與刀具掃描體作布爾減運算來模擬加工仿真過程的。其具體過程可以描述如下：在一個時間步長d  t內，由數控程序控制刀具的運動過程，并在此運動過程中生成一個刀具掃描體，然后再將此刀具掃描體與工件作布爾減運算，從而得到該時間步長d  t內工件的變形。如此反復直到NC程序結束。

　　數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，它會引起過切從而導致工件的報廢。后者指刀具非切削部分與工件、夾具、機床部件之間的碰撞，它不僅導致工件的報廢，嚴重的還會引起刀具、夾具甚至機床的損壞，因此后果更加嚴重。

　　由于干涉碰撞檢驗是在兩個物體對之間進行的，因此，需要將樣本空間的所有實體進行配對<  7>.數控加工仿真系統的干涉檢驗始終在刀具和工件加工曲面間進行，而碰撞檢驗則在刀具與工件、夾具和工作臺之間進行，所以，實體對僅有刀具！工件、刀具（汽車行業刀具國產化初現成效）！夾具、刀具！工作臺3對<  7>.碰撞多發生在刀具的快進、快退過程中，干涉則發生加工過程。

　　因此我們只在刀具的快進、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生碰撞的算法和材料切除有點類似，它首先計算時間步長內刀具掃描體是否與夾具、機床相交，若相交則發生碰撞。局部刨削是因為刀具的曲率小于被加工表面的曲率，因此我們這里就是比較二者的曲率大小即可，若刀具曲率在檢測時間點處小于被加工表面的曲率則發生局部刨削。當發生干涉碰撞時，系統則暫停仿真并將干涉碰撞的物體對變紅示警。

　　楔橫軋模具加工過程仿真的一個重要目的就是檢驗被加工零件表面是否在期望的公差帶內。通過對N  C程序加工結果在幾何尺寸上和理想的零件模型進行校驗，可以獲取欠切、過切以及詳細精度信息情況。

　　結論與展望楔橫軋模具虛擬加工技術作為實際加工在虛擬世界的映像，有著重要的實際意義和研究價值。本文在比較傳統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構，并闡述了各模塊的具體實現，為楔橫軋模具虛擬加工系統的開發和應用打下了基礎。

　　但本系統還沒有考慮到加工過程中實際切削力的變化規律、刀具磨損、工藝參數對加工質量的影響及切削振顫等方面內容。因此下一步的目標是考慮機床性能、振動等因素，使得該系統更加真實的反映實際的加工過程。

標簽:模具加工體系的探討  

具高速切削對機床的要求