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5轴数铣中心下注塑模具自动抛光过程

材料加工技术杂志

XavierPessoles,ChristopheTournier*LURPA,ENSCachan,61avdupdtWilson,94230Cachan,Francechristophe.tournier@lurpa.ens-cachan.fr,Tel:33147402996,Fax:33147402211【摘要】

注塑模具的制造过程包括抛光作业时关键的表面粗糙度或镜面效果必须出示透明部分。这抛光进行手动操作主要是通过技术工人进行分步完成。在本文中，我们提出一个5轴铣削自动抛光技术中心，以加工生产使用相同的手段和抛光方式来降低成本。我们开发的特殊算法来计算5轴刀具位置上自由形式的溶洞，为了模仿工人的技能。这是基于两填充曲线和摆线曲线。抛光力是基于一个力传感器的校正设置来保证被动刀具本身的位移与力量。刀具的精密运动有助于避免在5轴数控中心下对刀具的运动误差的影响。在表面的条款效力的方法粗糙度的质量和执行简单的是通过5轴数控加工过程实验证明的。【关键词】

自动抛光，5轴铣削中心，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s 横坐标曲线C(s) 导数参数方程P(s) 轨迹参数方程n(s) 法向量p 步轨迹Dtr 轨迹直径A 轨迹线的幅度Step 循环加强轨迹技术参数D 刀具半径Deff 抛光刀具有效直径E 磨带振幅e 刀具偏差值θ 刀轴倾斜角u(i,j,k) 刀具坐标系f 导线切矢量Cc 摆切线加工参数N 主轴转速Vc 切速度Vf 进给速度fz 进给量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1简介

在高速加工（HSM）的发展极大地改变了注塑模具和模具制造商。特别是高速加工已使人们有可能以减少更换电火花加工模具制造周期

在许多情况下。尽管在这些演变，HSM是不能使消除抛光从操作的过程。在本文中，我们处理的表面与实现高质量的表面处理及镜面效果的行为。这就意味着，部分必须绝对光滑，无条纹反射。这样的质量，例如在必要的塑料注射，以获得完全光滑或模具腔的COM-pletely透明的塑料零件。从经济角度来看，是一个漫长和抛光烦人的过程，需要很多经验。因为这个过程是昂贵的价格上和模具停机，自动抛光已经研制成功。我们的目标是使用相同的生产加工手段，抛光，从而降低成本。该文件的目的，因此，建议在5轴的自动抛光方法机床。文学提供各种自动抛光实验。通常，抛光进行一人形机器人，[1]。拟人机器人是用于两个主要的原因。第一，他们的轴数，使他们有一个容易进入的任何地区复杂的表格。第二，它可以附加的工具种类繁多，尤其是主轴配有抛光力控制机制。自动抛光研究也已进行了3个或5轴数控铣床特别设计的工具

管理抛光力[2]以及对并联机器人[3]。事实上，抛光力是一个过程的关键参数。磨损率折痕抛光时的压力增大[4]。但正如上文[3]联系压力取决于抛光力，也对部分的几何变化。一个适当的抛光力促进了尖头和条纹去除左侧部分

粉碎过程中或上抛光作业。不过，要接触应力尽可能避免过度抛光和尊重的偏差公差不变。因此，许多作者都选择了发展使磨料系统动态管理，常驻代表团将抛光力量。[5]永田等。使用下面的力量阻抗模型控制，调整局部与接触力的打磨工具。[6]，榈等基地。已经开发出一种被动的工具，使用一个气缸提供履约和

表面之间的接触压力恒定的部分。被动机制亦使用[7]。接触力，给出了一个弹簧的压缩力。为了进行自动抛光，重要的是要使用适合的工具轨迹。根据文献[8]，抛光路径应多向，而不是默notonic，以均匀的覆盖面和模具生产较少起伏错误。此外，多向抛光路径是接近了什么是手动。如果我们观察手动抛光机，我们可以看到，他们回去表面地区雅高丁各种形态，如摆线抛光路径（或摆线编织路径[8]（图1）。因此，它可能是有利可图的遵循这样一个过程，以便获得所需的零件质量。比如，有的论文使用类似分形轨迹的皮亚诺分型曲线，它是一个空间填充曲线的例子沿并行机[10]。这种文献的简要回顾表明，没有采用5大难题轴与被动机自动抛光工具。本文旨在展示自动抛光的可行性用5轴机床，并提出一些抛光战略。在第一部分中，我们揭露自动抛光可以使用5轴高速加工中心。特别是，我们目前的被动和灵活的工具的特点使用。一个具体的注意支付给施加位移之间的相关性由此产生的工具和抛光力量。一旦可行性5轴自动波利，成证明，各种专用抛光我们发展战略的详细在第2。这些战略从过去的经验已作为大部分从刀具轨迹的分形机器人化抛光或摆线编织未来路径代表手工抛光。在第3，我们的方法的有效性进行测试

利用各种测试部分表面。所有的零件都是精抛光，然后在同一亲duction是指：15轴铣削中心米克朗UCP710。在文学，成效抛光评估，并利用算术粗糙度Ra[2]。不过，因为它是一个2D参数，这个标准是不是真的适合，以正确反映三维表面抛光质量。因此，我们建议通过三维资格的抛光表面光洁度参数。这一点在上一节讨论和比较的表面粗糙度自动获得使用与该抛光获得使用手册抛光，这一点在文献中很难处理。三维表面粗糙度测量是否进行了使用非接触式测量系统。

2实验过程

工具的特点

正如以前所说，我们的目的是发展和盈利的一个非常简单的系统。因此，使用的工具是较手工抛光所用的相同。在波利-成计划分为两个步骤，预抛光和抛光加工。预抛光与磨料光碟进行安装在一个适当的支持。磨料粒度是由欧洲的磨料磨具标准（FEPA）生产者联合会。这种支持是一种变形的一部分，在一个钢轴固定一橡胶材料制成允许安装在主轴。因此，我们处理一个被动的工具。因此，我们做没有一个力反馈控制，但一个位置1。我们研究了关系光盘之间的支持和抛光偏转力应用到的部分。为了建立这种关系，我们使用了石英力传感器安装在一奇石乐9011A特别设计的部分持有人。该传感器连接到充电器本身功过一个数据采集装置链接到计算机以节约数据采集时间。该实验系统，如图2所示。此外，所用的传感器一个动态的传感器。因此，必须改变这种努力随着时间的推移，否则将有1漂移的措施。为此，该运动在实施一段时间的工具是一个三角形信号。了确保在抛光的微芯片，并保证疏散

在非零磨损部分之间的联系速度和工具，刀具轴U是

相对倾斜的正常载体表面的抛光n和对料的方向。倾斜角定义如下图（图3）所示：u=cosθ·n+sinθ·f(1)抛光试验已进行了3个不同的倾斜角度考虑（5，10，15）

轴之间的工具和正常向量方向，在饲料表面。该扰度之间的刀具和抛光力的相关性如图4所示绿色曲线（5度）被中断，因为unstick研磨盘时工具挠度过大。在这种配置，倾斜角度太低，身体磁盘的支持，这是更严格，进来的工件，其接触恶化，unsticks磁盘。有10或15度倾角，这种现象对于出现变形的工具价值较高，外图。然而，低倾斜角配置允许更快的工具运动以来的5轴机床的旋转轴工具提示是少[11]。此外，它已表明，摆线刀具路径需要一个动态的机床进给速度要尊重程序[12]。然后在5轴配置，抛光时间，将与低倾斜角度更大。在此外，刀具的灵活性，将有助于减少或避免的5轴运动误差[13]。事实上，由工具和部分interfences可能发生，因为巨大的刀具轴接连两个刀具位置的方向演变。因此，该光盘支持

偏转可避免的模具表面的变化。如果一个人认为，普雷斯顿[14]法律，在抛光的材料去除速率H是成比例的接触，磷平均压力，以及刀具的速度相对于工件。五：h=KPPV在金伯利进程是一个包括所有其他参数不变（部分材料，磨料，

lubrification等）。因此，为了达到足够的接触压力，我们必须增加

刀具偏转，因此我们提出了剪应力和磁盘unsticks。从

运动学行为的观点来看，低旋转轴的运动，以减少导致

抛光时间。因此，我们必须使用一个相当低的倾斜角度（5-10度）和一个相当高的工具偏转，以确保材料去除的精度。2.25轴抛光刀具路径规划

要生成抛光刀具路径，刀具的路径在5个经典的描述-轴一平头立铣刀铣削使用。这导致界定的工具轨迹下肢点行政长官，以及刀具的轴ü（i和j，k）的沿刀具路径方向。随着问候抛光战略，我们使用摆线刀具路径，以模仿

运动传递到主轴的工人。为了避免标志或特定的模式上的部分，我们选择生成的分形曲线摆线刀具路径，以弥补表面一multidirectionnal方式。我们使用更多的特别希尔伯特曲线，是的皮亚诺的曲线的特例。这些曲线是用于加工，因为他们

在覆盖整个表面上，他们已生成[15]的优势。我们将制定低于希尔伯特曲线是用来描述一个指导曲线为摆线曲线那么我们会研究摆线曲线本身。

希尔伯特曲线的定义

分形轨迹的使用提出了两个重大的意义。第一个是工具路径不遵守它保证了统一的抛光具体指示。第二一个是联系在一起的刀具路径规划。事实上，刀具路径的计算

参数空间u时，表面的五，即限制在[0，1]2间隔。希尔伯特曲线被称为填充曲线，涵盖了在参数空间的充分单位正方形[16]，因此，希尔伯特的曲线填补三维表面进行抛光。希尔伯特曲线可以用递归算法定义。n阶曲线定义如下：一二三阶希尔伯特曲线如下图（图5）所示为了保持沿着希尔伯特曲线相切的连续性，是指导摆线刀具路径的曲线，我们决定对鱼片的角落抛光分形。否则，在每分形曲线，抛光方向的改变刀具路径将是不连续的。造成希尔伯特曲线描绘在图6。基于在此表示，该曲线很容易操作。例如，一个项目可以

这直接在三维空间的参数表示，或者利用它的指导曲线建设（图7）可以在未来的一段时间摆线曲线。

数学定义的摆线曲线

的基础上，在[17]，我们定义提出摆线曲线描述一摆线

曲线如下。设C(S)是二维参数曲线，其中s是曲线的长度（图8）。C(s)=(s,f(s))是摆线曲线和N（s）的正常载体引导曲线

该曲线C（s）在考虑点。P是摆曲线的一步，我们表示Dtr为它的直径。该摆线曲线的参数方程是：现在的问题是连接摆线曲线参数的抛光参数。

在阿的摆线曲线振幅等于其直径的两倍阿=2·数据传输速度。从刀具轨迹生成的角度来看，我们更感兴趣的信封的工具振幅比摆线曲线的振幅。一个建模的困难刀具的运动包络面是工具本身，研磨抛光工具安装在灵活的支持。刀具抛光幅度取决于接触表面之间的工具和零件。这个联络是受倾斜角度，刀具直径D和E的位移施加工具能够抛光表面。事实上，当刀具接触面积是一个磁盘，这可以看到如图9。接触面积是一个光盘的一部分。这就产生的参数Dtr定义调整，以建立摆线曲线。刀具路径生成

无论所考虑的表面性质，抛光刀具路径生成包括三个步骤：在参数空间，计算刀具轨迹的计算在3D的空间和刀轴方向产生的刀具路径计算。刀具路径生成依赖于如上所述摆线曲线。该轨迹定义discretly。唯一的困难是计算法向量。我们现在描述为计算工具的轴ü（图方向的方法

3）。在第一种方法只用在平面倾斜角（定义f;n），F是切向量指导曲线，即希尔伯特曲线和n正常载体已加工表面。刀具轴U是倾斜相对于希尔伯特曲线的切线f而不是向摆线曲线，以减少各运动的振幅机床旋转轴。

下面的表达式是使用：刀具的肢体CE，这是在加工过程中驱动点的位置取决于抛光模式

通过参数定义δ

在塑胶模具注塑方面，我们研究更多的，特别是在注射电气设备的模具，如电源插座和开关（图10）。因此，我们处理小细面。为了测试我们的方法，我们使用两个单斑贴试验面，一个平面和凸曲面，其曲率大于一点点模具的曲率。这是在加工50x50mm取得了第块的X38CrMoV5钢。零件的洛氏硬度为53HRC后热处理。该部分是对加工的5轴机床米克朗UCP710达成铣床抛光整理状态之前。我们使用四个预抛光磨料不同等级（FEPA120，240，600，1200）。磨料粘结在直径为18mm磁盘上的灵活支持。

120，240和600等级，磨料是由三氧化二铝（Al2O3）的内高分子材料纸碳化硅为1200级。最后抛光，

我们使用三种，等级9μm合成钻石膏3μm和1μm的。关于工具路径，摆线轨迹的基础上进行最后的抛光和基于希尔伯特曲线预抛光直线使用。铣床，抛光序列总结

表1。

为了实现在高进给速度抛光，功能的优化西门子SINUMERIK840D系统控制器都被激活。特别是，实时运动学变换（TRAORI）以及实时多项式插值（COMPCURV）产生平滑轴向运动。3结果与讨论

工业上，造成的抛光表面质量第一验证的波利，舍尔目测检查自己。接触表面粗糙度测量装置是严禁以避免表面损伤。然而，新的非接触测量科技研究

logies允许根据对部分和数据处理三维地形扫描国际标准的三维表面粗糙度。国际标准的[18]目的是通过各种特征参数的三维表面粗糙度。其中，

重要的是要确定哪些是最适当的限定一个镜面效果行为。据我们所知，有没有3D参数设置功能的镜面效果表面。工业实践表明只有大约20纳米镭。

按苏等人的研究。19]表面纹理参数[显示，Sa和SQ参数都不足以识别表面划伤。他们建议使用参数SSK、Hilerio等。[20]也作出了标准的SSK的解释

和SKU在人工膝关节的抛光控制范围内。

SSK的代表配置文件的对称性：

-SSK=0：配置文件是对称的中线，

-SSK>0：轮廓更比谷峰，

-SSK<0：个人资料已经比高峰更山谷。

SKU的代表分配平均：

-SKU的>3：分布广泛（而不是平面的表面），

-SKU的<3：分布tighted（表面有一种倾向，目前波峰

或波谷）。一旦部分抛光，我们会表现三维表面粗糙度测量使用非接触式测量系统（TALYSURF轮廓CCI6000）。我们进行测量的波利，棚与我们的办法（平面与凸面部位），在飞机上已被擦亮的一个专业（图11手动）。测量结果公布

在表2。可以观察到的凸表面自动抛光呈现较大的地缘以及较高的沙和SQ比那些对平面上观察度量偏差。轨迹是在（u和v）参数空间相同。有几种解释此行为。首先，用抛光模式，生成参数化的空间，是而比在平面凸部分面积较大的表面一样。其结果是较低的覆盖率。这也可以解释为机kinemati-卡尔行为在每个部分抛光。表面抛光的平面与3轴运动而凸表面需要5轴同时进行插补机床。在加工过程中，两者的工具和零件的相对进给速度不符合程序1由于5轴加工缓慢旋转轴（15rpm;ç：20rpm）[11]。这导致了慢，不流畅的轨迹，减少抛光效率。Sa和SQ较大的凸表面抛光，但部分提供了一面镜子反正效果的行为。这证实了[19]和[20]中提到的言论，以及“平均影响这些参数”。镜面效果的行为似乎取决于SSK和SKU的参数。事实上，他们的价值观的凸表面是adequation这些平面的表面，也提供镜面效果的行为观察。雷加，丁的高峰和低谷，这三个例子展出同一数量级用手动抛光小优势参数的SKU。的数值对应相当不错的意见。最后，我们可以假设抛光

要优化过程有关SSK和SKU参数之前，Sa和平方米参数。

4结论

在这篇文章中，我们提出了一个解决方案，生产出表面抛光镜面效果5轴机床，通常致力于模具的加工。被动使用的简单工具实施。使我们的初步标定关联的力量和抛光刀具偏差。我们还开发了抛光刀具路径类似的模式用手工抛光，以避免对抛光的一部分标记。抛光质量是可比的手工方法和抛光时间是相似的。然而，在为了保持恒定的覆盖率，我们应该考虑到有效对部分地区进行抛光时产生的（u和v）面的刀具路径。从表面粗糙度来看，炮管过程必须减少幅度峰值和由一个SKU的参数优于三特点山谷。对于复杂的形状机床运动学性能非常重要，以保证刀具进给速度尽可能平稳高，从而导致材料的优良率减少。特别是，旋转轴必须十分服从执行程序进给速度。现在我们寻求更好的措施，使抛光面积小于注塑模具的半径混合表面。附录：三维表面粗糙度参数Sa:算数平均表面高度Sq:根均方误差的表面。这是一个分散的参数定义为根平均面积的表面离散方值。Ssk:偏态分布曲线，这是不对称值

关于平面平均偏差。Sku：地形高度分布的峰度。这是一个平衡峰值参考资料：[1]X.WuandY.KitaandK.Ikoku,NewpolishingtechnologyoffreeformsurfacebyGC,JournalofMaterialsProcessingTechnology,187-188,81-84(2007).[2]J.P.HuissoonandF.IsmailandA.JafariandS.Bedi,AutomatedPolishingofDieSteelSurfaces,InternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology,19(4),285-290(2002).[3]A.RoswellandF.XiandG.Liu,Modellingandanalysisofcontactstressforau-tomatedpolishing,InternationalJournalofMachineToolsandManufacture,46(3-4),424-435(2006).[4]S-C.LinandM-L.Wu,Astudyoftheeffectsofpolishingonmaterialremovalrateandnon-uniformity,InternationalJournalsofMachineToolsandManufacture,42,99-103(2002).[5]F.NagataandY.KusumotoandY.FujimotoandK.Watanabe,Roboticsandingsystemfornewdesignedfurniturewithfree-formedsurface,RoboticsandComputer-IntegratedManufacturing,23(4),371-379(2007).[6]B-S.RyuhandS.M.ParkandG.R.Pennock,Anautomatictoolchangerandinte-gratedsoftwareforaroboticdiepolishingstation,MechanismandMachineTheory,41,415-432(2006).[7]Y.MizugakiandM.Sakamoto,DevelopmentofaMetal-MoldPolishingRobotSystemwithContactPressureControl,AnnalsoftheCIRP,39(1),523-526(1990).[8]M.J.TsaiandJ.F.Huang,Efficientautomaticpolishingprocesswithanewcompliantabrasivetool,InternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology,30,817-827(2006).[9]Y.MizugakiandM.Sakamoto,FractalPathGenerationforaMetal-MoldPolishingRobotSystemandItsEvaluationbytheOperability,AnnalsoftheCIRP,41(1),531-534(1992).[10]H-Y.TamandO.CHangLuiandA.C.K.Mok,Roboticpolishingoffree-formsurfacesusingscanningpaths,JournalofMaterialsProcessingTechnology,95,191-200(1999).[11]S.LavernheandC.TournierandC.Lartigue,Kinematicalperformancepredictioninmulti-axismachiningforprocessplanningoptimization,InternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology,37,534-544(2008).[12]M.RauchandJY.Hascoet,Roughpocketmillingwithtrochoidalandplungingstrategies,InternationalJournalofMachiningandMachinabilityofMaterials,2,161-175(2007).[13]M.MunlinandS.S.MakhanovandE.L.J.Bohez,Optimizationofa5-axismill