塑料模具型腔数控加工过程优化设计
2018-11-29 来源： 淮北职业技术学院 作者：苏兆兴
摘要: 数控加工技术能够通过建立参数优化系统，有效提高塑料模具生产效率和产品质量。对塑料模具型腔数控加工曲面轨迹及知识表达方式进行分析，并建立了塑料模具型腔数控加工曲面切削参数目标函数及约束条件优化模型。最后根据知识表达数据库设计，结合模块系统设计思想，对塑料模具型腔切削工艺参数优化系统开发过程进行了详细说明。
关键词: 数控加工技术; 目标函数; 约束条件; 知识表达; 数据库
模具是指利用外力控制使材料物理状态转变成特定尺寸和形状，实现产品加工成型需求的模子及工具，一般根据产品需求由不同零件构成。模具能够实现工业材料的一体化、工序化生产，其成型产品具有效率高、质量稳定、成本低等优点，因此模具工业成为支持我国国民经济发展和推动相关产业前进的重要基础产业。近年来我国塑料产品的需求量呈急剧增长状态，而塑料模具的生产能力会直接影响塑料产品质量、生产效率及成本，因此塑料工业的发展便在很大程度上依赖于模具工业。传统塑料模具设计主要依靠技术人员的经验及技术，结合反复修模确定，具有较大的主观性和不确定性，严重制约了塑料产业，尤其是精密塑料产业的发展。随着计算机应用技术、信息电子工程技术等的发展，计算机辅助技术被引入塑料模具行业，主要包括计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助工程等。通过不断的开发及研究，目前 CAD/CAE 系统正向着集成化、智能化、网络化的方向发展，其应用软件平台逐步由计算机主机转向工作站，软件类型也在不断更新换代，已发展成塑料模具制造工业的重要控制技术，能够有效缩短塑料模具设计及制造周期。数控技术 (NC) 是指通过电脑设置程序控制机器运行的生产加工技术，是计算机集成制造系统 (CIMS)、柔性制造系统 ( FMS) 等主要控制系统的核心技术
新型数控加工技术与 CAD/CAE 系统相结合，能够使塑料模具制造生产线的运行更高速、功能更多样、控制更智 能、适应 性 更 强。因 此，本 文 在 塑 料 模 具CAD / CAE 集成开发的环境中，结合塑料制品结构尺寸和设计要求，对塑料模具型腔削切数控编程过程及参数设定进行研究。
1 、塑料模具型腔数控加工曲面切削加工过程及知识表达分析
1. 1 塑料模具型腔数控加工曲面轨迹分析
曲面的三轴加工是塑料模具型腔复杂型面数控加工中的重要形式，可以帮助 CAD/CAE 系统实现精确数控编程。其中刀具进退方式对工件寿命、加工质量和加工安全性均具有较大影响，刀具切入角度与其最大等效应力和应变呈反比，因此螺旋进刀是较理想的进退刀方式，尤其是对于薄壁型塑料零件而言，可以最大程度上减少刀具进刀时的载荷变化量。在进行走刀方式的选择时需考虑加工时间和加工余量两个相关因素，其中环切走刀方式即为通过加工区域边界参数提取轮廓轨迹，其加工余量更均匀; 而行切走刀方式即为通过加工区域平行截切平面得出直线轨迹，其加工长度较长，加工时间短，加工余量不均匀，因此可采用行切走刀与环切走刀相结合的方式，在加工区域边界部分采用环切刀轨，其余部分采用行切刀轨。
刀具轨迹常用生成算法包括: (1) 等参数线法，即刀具沿曲面的三轴参数线运动，能够得到较为平整的曲线轨迹。等参数线法计算方法简单、速度快，可应用于曲面参数分布均匀的塑料模具加工。但其轨迹排列需以最小切削宽度为标准，其他宽度的切削位点难以满足，切削效率低。 (2) 截面法，利用截面截取塑料模具型腔加工曲面，其得出的一组交线为刀具切削轨迹。截面法可实现走刀过程的光滑性，但由于计算量较大、精度低，在实际应用中加工间距不易控制，容易导致切面形状与要求不符的情况。 (3) 投影法，根据参数三轴曲面离散模型预先设计好刀具运动曲线，利用其竖自线与曲面投影的求交运算，转化为加工曲面上的实际削切轨迹。投影算法稳定性较强，且加工方式灵活、应用范围广，尤其适用于多曲面的加工方式。但由于实际加工过程难以实时跟踪曲面变化情况，精度难以控制，投影过程又会进一步扩大误差，容易产生刀具轨迹分布不均匀及塑料零件表面厚度不一致的缺陷。 (4) 等残余高度法，使每一组相邻轨迹间的残余高度均达到最大残余高度，由此得出一组最小轨迹数，通过步距增加的方式使加工轨迹长度减短。等残余高度法可确定最大行距、节约加工时间，并改善塑料零件表面粗糙度。
1. 2 塑料模具型腔数控加工过程知识库和数据库分析
知识库 (KB) 是指某一领域问题相关求解的知识集群，包括事实、约束和规则三种形式。对于塑料模具型腔数控加工过程，用规则形式表达知识工程的因果关系，其中规则前提是刀具知识库涵盖的所有模型，规则结论是根据知识库数据得出的具体操作。一般塑料模具型腔知识库数据次序结构可根据待解决的问题特性寻找合适的表达方法，本系统选用对象 ( Object) －属性 ( Attribute) －值 ( Value) 的形式表达塑料模具知识库。数据库 (DB) 与知识库具有一定相似点，但又存在区别，包括数据库存储数据量较大、知识库存储数据量较小; 数据库数据类型单一、知识库数据类型多样; 数据库规范性更强、知识库规范性较弱; 数据库修改模式少、权限低，知识库修改模式多、权限更高等。知识库和数据库相结合可起到相互补充的目的，其结合策略包括知识库与数据库相互参入对方条件达到扩充和基于两者建立接口模块，实现系统藕合两种。
2、建立塑料模具型腔数控加工曲面切削参数优化模型
在塑料模具型腔数控加工环境和相关设备不变的情况下，可通过参数设定提高模具的生产效率和质量。本文综合考虑塑料模具削切加工过程效率及成本因素，提出多目标优化方案，设计相关决策变量，建立参数模型，确定其约束条件和目标函数算法。
2. 1 建立塑料模具型腔数控加工曲面切削目标函数
首先将加工过程效率最优作为目标，以切削速度、进给率作为相关变量，建立利用单一刀具削切单一塑料零件所用时间 (Tu) 方程：
综合分目标优化方案，利用统一目标函数加权组合法，权衡目标函数的量纲差异，提出总目标函数最优解计算方程:
上式采用直接加权算法，wi代表第 i 次削切加权因子对整体目标的重要程度，根据其值可调整不同目标量级排序。
2. 2 建立塑料模具型腔数控加工曲面切削约束条件
加工过程各约束条件应满足:
(1) 削切速度:
3 、塑料模具型腔削切工艺参数优化系统设计
3. 1 塑料模具型腔削切工艺参数优化系统数据的设计
本文选用实体－联系模型 (E-Ｒ) 表示塑料模具型腔实体和属性的关联设计模型，进行系统数据库设计。塑料模具型腔 E-Ｒ 模型得出的实体和属性对应关系如表 1 所示。
表 1 塑料模具型腔 E-Ｒ 模型
3. 2 塑料模具型腔削切工艺参数优化系统模块设计
塑料模具型腔削切工艺参数优化系统可分为零件材料模块、刀具模块、机床模块、削切用量模块、工件模块等，其中材料模块数据库可实现塑料零件材料信息的查询; 刀具模块数据库可实现刀具信息的查询，有利于模具型腔加工制造过程中软件的开发及选择; 机床模块数据库可提供不同削切机床的技术参数及使用信息; 削切用量模块数据库可提供模具削切速度、深度和进给量等加工条件信息的查询; 工件模块数据库包括塑料模具工件加工实例及相关分析，为用户在设计过程提供参考依据。塑料模具型腔削切工艺参数优化系统总体结构设计如图 1 所示。
图 1塑料模具型腔参数优化系统总体结构设计
3. 3 塑料模具型腔削切工艺参数优化系统开发过程
选用 Microsoft Visual C++作为系统开发环境和编程工具，开放式数据库连接 (ODBC) 数据库结构及对应的标准应用程序接口 (API) 进行程序驱动。使用 ODBC 中的 CＲecordset 类进行数据库连接，程序从数据源中选取一组数据绘制表格，通过该方式对数据集进行修改、删除等操作。
进行 MFCODBC 数据库开发过程时，可在项目工程中引入定义文件 afxdb. h，具体方法:
建立数据库连接代码:
4 、结语
塑料模具型腔数控加工削切参数优化系统能够将传统 CAD/CAE 控制系统与智能控制集成技术相结合，通过知识库推理，使相关技术人员获取准确削切参数信息，快速有效提高塑料模具生产效率和产品质量。本文研究塑料模具型腔数控加工刀具进退方式和轨迹生成算法，通过知识库和数据库相结合，提出塑料模具型腔削切工艺参数优化系统设计方案，为未来塑料模具型腔数控加工技术的研究及应用提供理论基础。
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