利用专用数控机床加工汽车油泥模型

作者：王仁广 张伯俊 杨方群 王怀国

欢迎访问e展厅 展厅 2 工业设计/产品设计展厅 产品设计, 工业设计, 样件打样, 手板制作, 模型制作, ... [摘要] 汽车造型人员利用计算机辅助造型技术（CAS）和逆向工程技术（RE）生成三维数学模型，数控加工人员根据数学模型，加工出相应的油泥模型用于评价与修改。本文通过利用美国TPI 公司的TARUS-PCMM 数控铣床对汽车油泥模型的具体加工操作，将有关技术加以总结，对产品的数学模型，刀具的选择，加工轨迹的生成等方面进行讨论。 关键词：曲面数学模型 油泥模型 数控加工 1 前言 在现代汽车开发过程中，造型设计人员可以利用计算机辅助造型软件生成三维数学模型，或者利用已有实物通过数据扫描，由逆向工程技术生成数学模型加以改造。虽然现在计算机技术可以仿真显示造型效果，但实际过程中往往要通过真实的物理模型加以验证和修改。在这一过程中利用先进的数控加工技术代替传统的手工操作，可以实现准确高效的产品开发过程。 作者所使用的美国TPI 公司的TARUS-PCMM 数控铣床，具有数控加工和三坐标测量功能。 2 数控加工对产品三维数学模型的要求 三维表面数学模型是铣削加工油泥模型的基础，汽车外表面是由复杂的三维自由曲面组成，且大多为修剪曲面，因此对产品的三维数学模型的要求较高。通过利用计算机辅助造型和逆向工程软件生成的汽车外表面数学模型，一般应满足以下基本要求： (1) 要合理利用测量所得到的表面数据，在误差范围内，应该力求反映造型人员的思想。 (2) 模型表面要确定的边界，同一曲面曲率变化要均匀，相邻曲面的曲率变化要平缓。 (3) 对整个汽车车身外表面要合理分块，曲面间有唯一的公共边界，曲面的剪裁合理。 (4) 过渡面的调配自然，使整个模型符合光顺要求。 3 刀具轨迹的生成 加工油泥模型，生成高质量的数控加工刀具轨迹是关键的步骤之一。设置合理的铣削加工参数，确定适宜的加工方式，是生成数控加工文件的前提。 在刀具轨迹生成过程中，我们使用过两种计算机辅助加工（CAM）软件，分别为美国CV 公司CADDS5软件CAM 模块和TPI 公司CAM 模块。其中前者CAM 模块功能较强，能生成两轴到五轴的加工程序，但参数设置较为复杂，对三维表面数学模型要求严格，且在机床的数据转换过程中存在缺陷。后者为TPI 公司的可移动式油泥铣削机床（PCMM）自带的CAM 模块，可生成三轴和五轴两种刀具加工程序，且生成的刀具轨迹经检查无误后可直接用于加工。在具体加工过程中，经过实际操作比较后，最后采用了TPI 公司CAM 模块来生成刀具轨迹。在生成刀具轨迹过程中主要考虑以下几个方面的问题。 (1) 表面的检查 为保证得到无异常刀位点的铣削加工轨迹，需要检查汽车外表面的曲面片的边界是否唯一，曲面间的接合间隙是否小于加工容差，曲面的方向（法向）是否一致等问题。 (2) 走刀方式的选择 由于汽车外表面为自由曲面，相邻曲面间为过渡面连接，且大多数曲面都为修剪面，所以不适合采用等参数法生成刀具轨迹，而采用多曲面等间距连续加工的方法。 (3) 刀具的选择 利用数控机床加工自由曲面选用球头铣刀。在加工过程中采用了直径分别为20mm、10mm、3mm 三种尺寸的球刀。在粗加工和基体加工中为达到快速去除多余材料的目的，采用了较大直径的球刀；而在精加工中要根据自由表面的曲率半径来选择刀具，具体原则为球刀半径要小于或等于所加工曲面的最小曲率半径，只有这样，加工出来的模型才能真实反映数学模型形状。另外为使加工面光滑均匀，对吃刀深度和走刀速度也要合理确定。 4 汽车外表面油泥模型的具体加工过程 在油泥模型的具体加工过程中，根据油泥的特点，把整个过程分为基体加工、粗加工、精加工三个阶段。 4.1 油泥模型的基体加工 油泥模型的基体加工是指加工粘贴在木制骨架上的泡沫材料。木制框架的外廓尺寸比外表面的数学模型小100mm 左右，在框架上粘贴泡沫塑料，要求用泡沫把木制骨架的外表全部充满，泡沫与泡沫间及泡沫与木头间都要粘贴牢靠。为保证粘贴效果，在粘贴完后停放24 小时后才进行加工。由于泡沫本身的形状，粘贴的厚度不可能均匀，可用手锯对其表面进行适当修整，把明显多出部分去掉。 基体加工轨迹分两步进行。第一步设置加工余量为0mm，第二步设置加工余量为负30mm。这两步为去除多余泡沫，并为糊油泥留出地方。 有了以上准备后，即可准备进行加工。把骨架用螺栓固定加工支架上，模型尽量摆放水平，其中心线同机床X 轴基本保持平行，定义加工坐标系，设定刀长，设置基准点，利用机床自身的相关功能生成刀具轨迹进行铣削。 4.2 油泥模型的粗加工 基体加工完后，就可以准备粗加工。这过程包括糊油泥，生成刀具轨迹、具体加工三大部分。在糊油泥前要把基体上的泡沫碎屑打扫干净，以免影响油泥的粘贴；然后用长度为60mm 左右的长铁钉扎在泡沫基体表面做厚度参照，使铁钉顶端距泡沫表面为35mm 左右。接下来在泡沫基体上糊油泥，要注意油泥厚度基本同铁钉顶端持平，涂抹力求均匀，但不要覆盖铁钉，糊完后取出所有铁钉，并修补铁钉孔。 生成加工余量为5mm 的刀具轨迹。生成刀具轨迹和糊油泥准备完后，就可以进行加工。加工所用坐标系和基准点同基体加工时一致，但更换新的刀具后要重新定义刀长。 4.3 油泥模型的精加工 精加工为达到尺寸精确，必须仔细确定有关加工参数。根据外表面数学模型的曲率半径确定所用刀具大小，在模型加工时根据具体情况采用了Ф10mm 和Ф3mm 两种尺寸的刀具。加工完毕后，造型人员对表面效果较为满意。 5 数据的传递 由于在工作过程中采用IMAGEWARE 软件生成外表面数学模型，利用TPI 公司的PCMM 机床生成加工轨迹，因此两者之间存在着数据的转换与传递问题。利用IGES 数据交换格式，顺利地实现数据在IMAGEWARE 软件和PCMM 机床间的传递。 6 结论 利用国内某厂家提供的汽车外表面数学模型，具体加工出比例为1﹕1 前保险杠和1﹕5 整车油泥模型，效果良好。并通过其它一些项目具体加工操作，初步总结出了利用数控机床加工油泥模型的基本方法和步骤。但在以下几个方面还须进一步工作和探讨：一是油泥的选择，在加工中发现有些油泥不适用铣削加工；二是加工参数的选择要使加工出的表面尽量光整；另外油泥粘贴到泡沫上的方法也有待进一步研究。 参考文献 1 美国TPI 公司TARUS–PCMM 机床使用操作手册 2 美国TPI 公司TARUS–PCMM 三轴CNC 手册 3 美国TPI 公司TARUS–PCMM 五轴CNC 手册(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/9/2005)