一种淬硬钢自由曲面试件及铣削工艺的制作方法

本发明专利涉及淬硬钢模具高速铣削工艺及加工精度，特别涉及汽车淬硬钢模具自由曲面铣削表面位置误差，属于复杂型面加工技术领域。

背景技术：

随着汽车工业的发展，车型更新速度加快以适应人们对新奇特外形的追求；采用冲压加工的车门等覆盖件的模具也需要更复杂的形状，这对模具加工提出了更高的要求；对于大型复杂型面模具，型面特征多变，由于曲率变化引起的刀具切削空间姿态及刀具切削载荷波动加剧，进而引起刀具振动特性多变，刀工接触关系不稳定，最终导致刀具寿命缩短，加工表面位置误差分布不均，加工精度和效率同时下降；由于汽车覆盖件淬硬钢模具轮廓尺寸较大，型面特征复杂，生产成本高，在制造现场对模具进行切削性能实验及表面位置误差实验存在种种困难，无法准确预测曲面的型面特征对加工表面位置误差的影响规律。

技术实现要素：

为解决上述现有技术的不足，本发明提供了一种淬硬钢自由曲面试件及铣削工艺。

本发明首先设计了等效淬硬钢模具试件，有效的反映淬硬钢模具加工曲率多变的特征，再对该试件进行铣削性能试验，揭示表面位置误差的分布规律，最终获得淬硬钢模具自由曲面铣削补偿方法；解决了复杂淬硬钢型面曲率多变，无法直接在制造现场对不同曲率型面进行加工补偿，造成曲面加工表面位置误差波动大，型面尺寸精度下降，无法满足淬硬钢型面加工质量要求的问题。

本发明所采用的技术方案如下：

首先根据空间自由曲面参数方程，设计淬硬钢自由曲面试件，所述试件除去装夹结构主要呈现正方体结构，其长度为59mm，宽度为58mm，上表面为自由双曲面，针对该参数曲面采用适当密度沿等参数线u和v方向进行离散，将自由曲面离散出n*n个点，再对离散点参数坐标进行提取；然后利用加工曲面上的数据点到理论曲面的最小距离来表示加工曲面的加工误差，建立自由曲面加工误差与曲率的经验关系模型；最后采用ug固定轴轮廓铣，基于工件曲面的内蕴几何特征描述，提出三种铣削路径规划方法，即内蕴几何特征描述规律曲线驱动、自适应采样点云驱动、基准面投影曲线驱动。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、所设计的淬硬钢自由曲面等效试件具有淬硬钢凸凹曲面特征，试件的尺寸能够有效排除机床的静态刚度、运动精度及工艺系统对表面位置误差的影响，确保揭示出曲率对加工表面位置误差的影响规律，进而实现复杂淬硬钢型面的高品质加工。

2、针对所得参数曲面采用适当密度沿等参数线u和v方向进行离散，离散后生成的网格顶点作为离散型值点，能够有效提高刀具加工轨迹的准确性和自由曲面误差分布的均匀性。

3、与原工艺相比，加工效率显著提高、误差值更小且分布更加均匀；选取的测试点截面如图7所示，所得误差值见图8。

附图说明

图1为淬硬钢自由曲面试件图。

图2为内蕴几何特征描述图。

图3为曲面采样点分布图。

图4为内蕴几何特征刀具轨迹图。

图5为刀具路径驱动点图。

图6为投影曲线轨迹图。

图7为测试点选取截面图。

图8为测试点误差值大小图。

具体实施方式

1、空间自由曲面设计

1.1空间自由曲面参数方程

微分几何中，曲面通常表示为双参数u和v的矢函数形式，即曲面s：r＝r(u,v)，则曲面上一点沿u线的主曲率为k1，沿v方向的主曲率为k2，他们得乘积k1k2叫做曲面在这一点的高斯曲率，记为k，k＝k1k2；他们的平均数成为曲面在该点的平均曲率，记为h，h＝(k1+k2)/2。

曲面第一基本形式为：

式中e＝ru²，f＝ru·rv，g＝rv²为曲面的第一基本量，则单位法向量：

曲面第二基本向量：

式中，l＝n·ruu，m＝n·ruv，n＝n·rvv为曲面第二基本量，则u，v方向的主曲率分别为：k1＝l/e，k2＝n/g。

由上述分析可知，高斯曲率k和平均曲率h分别为：

通过对自由曲面参数方程的描述，可以进一步分析自由曲面几何参数特称，为自由曲面等参数区域加工和自适应曲面残余高度测量提供依据。

1.2空间自由曲面高斯曲率

一种淬硬钢自由曲面试件，试件除去装夹结构主要呈现正方体结构，长度为59mm，宽度为58mm，上表面为自由双曲面，如图1所示，曲面的参数方程为：

x＝4v²+55v-60

y＝10u²-68u

z＝6(u²v²+u²v)-4uv²+5u²-40v²+24uv-25u+5v+30

＝6u²v²+6u²v-4uv²+5u²-40v²+24uv-25u+5v+30

高斯曲率能反映在曲面上任意一点的弯曲程度。设曲面在p点处的两个主曲率为k1，k2，它们得乘积k＝k1·k2称为曲面位于该点的高斯曲率。由式(1-4)可知，该曲面高斯曲率计算方法如下：

曲面向量表达式为：

r＝(4v²+55v-60,10u²-68u,6u²v²+6u²v-4uv²+5u²-40v²+24uv-25u+5v+30)

向量一阶导

ru＝(0,20u-68,12uv²+12uv-4v²+10u+24v-25)＝(0，yu,zu)

rv＝(8v+55,0,12u²v+6u²-8uv-80v+24u+5)＝(xv,0,zv)

曲面第一基本量：

e＝yu²+zu²

f＝zu·zv

g＝xv²+zv²

单位法向量：

eg-f²＝(yu²+zu²)·(xv²+zv²)-zu²·zv²

ru×rv＝[yuzv,xvzu,-yuxv]

曲面第二基本量：

ruu＝(0,20,12v²+12v+10)＝(0,20,zuu)

ruv＝(0,0,24uv+12u-8v+24)＝(0,0,zuv)

rvv＝(8,0,12u²-8u-80)＝(8,0,zvv)

抛物面在一点的高斯曲率：

1.3自由曲面区域划分

针对该参数曲面采用适当密度沿等参数线u和v方向进行离散，将自由曲面离散出n*n个点，离散后生成的网格顶点作为离散型值点，然后对离散点参数坐标进行提取，曲面采样点分布如图3所示。

2.自由曲面加工误差

自由曲面的加工误差一般用曲面上的点的法向误差来衡量，即在曲面法线方向上曲面外一点到曲面的最小距离；因此，计算自由曲面的加工误差可以转化为计算加工曲面到理论曲面的法向距离，利用加工曲面上的数据点到理论曲面的最小距离来表示加工曲面的加工误差，建立自由曲面加工误差与曲率的经验关系模型。

诸多因素可能加工误差，除加工系统本身的原因(如主轴的几何误差、热误差、刀具和工件的安装误差等)之外，在稳定的切削过程中，切削参数即转速、进给和切深以及刀具结构影响加工误差；对于自由曲面加工误差，还应考虑曲率的影响，因此设自由曲面误差分布如式：

式中，l为刀具长度，d为刀具直径，1/ρ为曲面曲率，ap为切削深度，fz为每齿进给量，n为转速，μ为稳定切削过程中加工系统本身的影响系数。

3.自由曲面铣削工艺

淬硬钢汽车覆盖件模具通常具有体积大，加工面积大，型面复杂以及曲率多变等特点，但通常不存在加工干涉问题，所以兼顾效率和成本通常三轴数控铣削加工；由于三轴数控铣削机床坐标系、工件坐标系和刀具坐标系不存在空间转换问题，所以本专利针对大型模具零件曲面特征多变的问题，基于工件曲面的内蕴几何特征描述，提出以下三种铣削路径规划的耦合加工方法。

(1)内蕴几何特征描述规律曲线驱动

内蕴几何特征描述方法只与工件自身几何形貌有关，与其所处的空间位置无关，正适用于不存在空间坐标变换的三轴机床加工，所以基于内蕴几何特征描述规律曲线如图2所示，规划刀具轨迹，如图4。

(2)自适应采样点云驱动

根据曲面内蕴几何特征和自适应采样技术，对于特征值变化显著部分分布较密集的点，反之则采样点分布较稀疏如图5所示；首先针对曲面特征显著性的不同划分加工区域，特征明显的区域内可以采用密集的刀位点，反之则分布稀疏的刀位点，刀具轨迹可以采用点驱动的方式，刀具沿点的分布运动，刀具的轨迹规划更加灵活，复杂型面部分通过密集分布点云实现更精细的加工，平缓和几何特征不显著的区域则分布较稀疏的点云，对于整个型面不同区域合理分配切削时间，提高加工效率。

(3)基准面投影曲线驱动

首先在基准平面建立需要投影与曲面的曲线，内蕴几何特征显著的部分采用与其特征值相同曲率半径的曲线，不显著的部分采用直线；通过曲线偏置形成曲线组保证了切削宽度准确，对于特殊部位可以减少偏置量提高行距方向加工精度，最后将曲线组投影于待加工曲面如图6；该方法兼顾了平面路径规划的便捷性，又通过投影曲线形成曲面加工的刀具路径，保证刀具轨迹的准确性和平滑性。