蔡 赟, 韓延?xùn)|, 李 堅(jiān), 姚 禹

(1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130022;2.河北大唐國(guó)際王灘發(fā)電有限責(zé)任公司,河北唐山 063611;3.吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

汽車后視鏡作為車身附件中的安全件、功能件和裝飾件,是駕駛員在行車過(guò)程中觀察車后動(dòng)態(tài)變化,確保安全行車的關(guān)鍵[1]。隨著全世界汽車工業(yè)的飛速發(fā)展和汽車檔次的提高,汽車后視鏡的性能日益增加,對(duì)汽車零部件檢測(cè)設(shè)備的要求越來(lái)越高。采用先進(jìn)的技術(shù)和方法進(jìn)行檢具的加工制造不僅縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期,而且大大提高了產(chǎn)品的制造精度。汽車后視鏡外觀均由復(fù)雜曲面組成,檢具外形需與后視鏡外形相匹配,依賴傳統(tǒng)的二維圖紙進(jìn)行檢具的設(shè)計(jì)加工具有局限性,很難將產(chǎn)品的外觀形狀和尺寸表達(dá)清楚,難以滿足顧客多樣化的設(shè)計(jì)要求[2]。針對(duì)汽車后視鏡而設(shè)計(jì)的檢具,其設(shè)計(jì)、制造及分析過(guò)程通過(guò)先進(jìn)的CAD/CAM/CAE應(yīng)用技術(shù),使檢具的生產(chǎn)流程變得更加便捷精益,使產(chǎn)品的外觀效果更加出色,達(dá)到質(zhì)量與美觀的完美結(jié)合。

國(guó)外汽車零部件檢具的設(shè)計(jì)已逐步由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)向計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)渡,對(duì)產(chǎn)品的要求已不再只滿足外形是否美觀,還對(duì)制造技術(shù)、產(chǎn)品性能提出了更高的要求。美國(guó)IL公司Leopold Kiernicki[3]等人對(duì)汽車零部件制造工藝進(jìn)行改進(jìn),發(fā)明了一種針對(duì)模具制造的計(jì)算機(jī)精密分析方法。德國(guó)IKV機(jī)構(gòu)[4]在AGA Gas Gmbh公司的資助下,研發(fā)了一款3D軟件來(lái)規(guī)劃汽車零部件設(shè)計(jì)、制造及分析過(guò)程。日本Toyo Machinery公司[5]開發(fā)了一款可以對(duì)汽車零部件進(jìn)行超精密檢測(cè)的數(shù)字化控制系統(tǒng)。我國(guó)研究汽車后視鏡檢具的CAD/CAE/CAM技術(shù)雖然起步較晚,但科研成果顯著,如:華中理工大學(xué)模具CAD科研組[6]開發(fā)了具有三維圖形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度和剛度校核等模塊的汽車零部件CAD系統(tǒng)。此外,上海交通大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)也進(jìn)行了一系列研究工作[7-10]。

為了研究汽車后視鏡檢具CAD/CAM/CAE應(yīng)用技術(shù),采用CATIA軟件對(duì)檢具模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)與工藝規(guī)程的分析,對(duì)檢具進(jìn)行了數(shù)控加工仿真,生成數(shù)控程序,進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的檢具滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。

1 汽車后視鏡檢具檢測(cè)原理及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

汽車后視鏡檢具用來(lái)檢測(cè)汽車后視鏡零件的質(zhì)量狀況。檢測(cè)過(guò)程是將后視鏡零件放在檢具正面,用帶有螺紋的銷軸固定,置于檢測(cè)基座上,檢測(cè)基點(diǎn)是底座上部的一個(gè)端點(diǎn),將檢具與被檢測(cè)件配合放到三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上,并以該基點(diǎn)為基準(zhǔn),檢測(cè)配合面之間的間隙,判斷產(chǎn)品是否合格。

檢具設(shè)計(jì)需要滿足企業(yè)規(guī)定的技術(shù)協(xié)議要求。該檢具需要滿足:

1)設(shè)計(jì)制造方面要求;

2)檢測(cè)精度要求。

檢具要求具體包括:底座臺(tái)面300 mm×300 mm,采用鋁座結(jié)構(gòu)。平面度要求≤0.05 mm/m,表面粗糙度要求Ra≤1.6 μ m。通常檢具基準(zhǔn)有加工基準(zhǔn)和測(cè)量基準(zhǔn),兩套基準(zhǔn)應(yīng)重合并互為使用。加工基準(zhǔn)設(shè)定為檢具周邊。測(cè)量基準(zhǔn)通常在檢具底座上平面適當(dāng)位置處設(shè)置坐標(biāo)基準(zhǔn)孔(基準(zhǔn)面)。底座基準(zhǔn)孔的位置精度在0.05 mm以內(nèi)。底座基準(zhǔn)的布置原則為:最大范圍覆蓋底座整體。支撐架材質(zhì)為不低于20#鋼;支撐架配合平面粗糙度為Ra≤1.6 μ m。支撐架通過(guò)支撐座與底座連接,用M10的螺栓,附平墊圈及彈簧墊圈;調(diào)整件的固定用M6螺栓,附平墊圈,其形式以外六角螺栓優(yōu)先選用。檢測(cè)部件具備互換功能,重量盡可能控制在7.5 kg以下。經(jīng)常拆卸的檢測(cè)部件與底座之間的定位采用錐銷定位和限位銷(限位面)雙重定位。且采用錐銷定位時(shí),用塞尺檢查限位基準(zhǔn)不得超過(guò)0.05 mm。支撐架的安裝孔位置及尺寸公差為±0.05 mm。樣板與被測(cè)零件之間的間隙為3 mm,其型面公差為±0.15 mm。斷面樣板支座及底板厚度≥10 mm,當(dāng)支座高度≥150 mm時(shí),則應(yīng)增加料厚,高度在150～300 mm時(shí),可通過(guò)增加加強(qiáng)筋增強(qiáng)支座剛性,當(dāng)≥300 mm時(shí),應(yīng)制作專門的支座以保證剛性。斷面樣板在檢具上要穩(wěn)定、無(wú)松動(dòng),且有安放位置。定位銷加工表面粗糙度為Ra≤0.8 μ m。優(yōu)先采用螺母鎖緊式定位銷?；鶞?zhǔn)銷的有效長(zhǎng)度為5～7 mm?；鶞?zhǔn)銷在10 kg推力作用下不能有0.1 mm以上的移動(dòng)。檢查功能表面,檢查面粗糙度Ra≤1.6 μ m。基準(zhǔn)銷的徑向配合為H8/f7。劃線銷的劃線外徑要求統(tǒng)一系列孔徑尺寸公差f7;檢測(cè)銷與基準(zhǔn)套的徑向配合為H9/f9。檢查基準(zhǔn)銷配合表面粗糙度Ra≤0.8 μ m,檢查表面粗糙度Ra≤1.6 μ m。

2 汽車后視鏡檢具模型設(shè)計(jì)

在CATIA軟件中分別對(duì)后視鏡零件及檢具件進(jìn)行建模。采用曲面造型技術(shù)對(duì)零件曲面各個(gè)片體進(jìn)行設(shè)計(jì)、縫合、拼接,之后對(duì)生成的曲面實(shí)體進(jìn)行布爾運(yùn)算,得到最終零件及檢具實(shí)體模型,如圖1所示。

由圖1(a)可知,包含后視鏡內(nèi)側(cè)壁表面B、后視鏡邊緣表面C、內(nèi)壁表面E及D,F,G,H四孔面。由圖1(b)可知,包含基點(diǎn)A,檢具配合面B1,C1,E1及孔定位面D1,F1,G1,H1。在檢測(cè)過(guò)程中,A點(diǎn)作為檢測(cè)坐標(biāo)系基點(diǎn),B與B1,C與C1,D與D1,E與E1,F與F1,G與G1,H與H1為相互配合的對(duì)應(yīng)面或?qū)?yīng)孔,而F1是連接檢具和被測(cè)件的銷軸頭部,二者是通過(guò)螺紋連接,即F1是一段螺紋,同時(shí)C,D,F是對(duì)應(yīng)的3個(gè)螺紋孔。檢具上對(duì)應(yīng)的配合孔用銷軸定位,通過(guò)旋緊銷軸連接被測(cè)后視鏡工件。

圖1 汽車后視鏡及其檢具實(shí)體模型

由于在待測(cè)后視鏡背面的下部有轉(zhuǎn)向指示燈,因此檢具背面開有相應(yīng)圓孔,用來(lái)穿過(guò)連接燈具的線束。檢具背面開有螺紋孔連接夾具和坯料,作為檢具加工好后放到三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上檢測(cè)時(shí)與檢測(cè)底座安裝的連接孔。檢具背面開有安放銷軸的階梯孔,通過(guò)該孔將伸出的銷軸與后視鏡零件螺紋孔相連接,以用來(lái)在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上檢測(cè)檢具與零件之間的間隙。所以,其相關(guān)重要配合的表面精度應(yīng)重點(diǎn)予以保證。

3 汽車后視鏡檢具工藝規(guī)程設(shè)計(jì)及其CAM過(guò)程分析

該檢具零件質(zhì)量較輕,為鋁合金的鑄件,硬度較低,形狀比較復(fù)雜,包含曲面及斜孔,所以主要加工面的質(zhì)量要求相對(duì)比較高,重要基準(zhǔn)面和檢測(cè)基面要滿足設(shè)計(jì)精度要求。在規(guī)劃工藝過(guò)程前,需要指定各相應(yīng)表面,如圖2所示。

圖2 汽車后視鏡檢具定位基準(zhǔn)面圖示

主要工作面是與后視鏡塑料件的配合面。其中需要指出的是:

1)為了滿足加工工藝的要求,在B1和C1面之間設(shè)計(jì)一缺口斷面,避免在加工過(guò)程中產(chǎn)生撞刀現(xiàn)象;

2)B1與底面的過(guò)渡面需要鉗修,避免與零件配合時(shí)出現(xiàn)干涉;

3)孔G1及檢具背面的線束孔分別是用來(lái)定位后視鏡零件的凸銷和穿線之用,精度要求不需過(guò)高,保證有足夠空間即可。

根據(jù)該檢具零件的技術(shù)要求,選擇檢具毛坯背面和底面作為精基準(zhǔn)(需要說(shuō)明的是上述兩面是經(jīng)過(guò)精銑后得到的,此過(guò)程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是基于CATIA的CAM復(fù)雜曲面加工,故精銑毛坯、鉆螺紋孔、攻絲等部分工藝省略),加工任務(wù)為精銑配合面B1,D1,E1。

在CATIA環(huán)境下,具體過(guò)程為:首先選擇加工程序工具,在原有的基礎(chǔ)上建立一個(gè)新的加工程序,在該程序下選擇投影加工,進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置,在maching設(shè)置界面下,在tool path style(走刀方式)一欄選擇zig-zag(之)字加工,在maching tolerance(加工余量)一欄設(shè)置成0.005 mm,在radial界面下將步距調(diào)整為0.005 mm。選擇刀具軸向和走刀方向的兩個(gè)箭頭進(jìn)行設(shè)置,采用mannual(手動(dòng))設(shè)置,其刀具為Z向,走刀方向?yàn)閄軸偏向Y軸45°方向。然后進(jìn)入徑向參數(shù)設(shè)置,步距采用恒定步距。軸向參數(shù)設(shè)置,選擇切削層數(shù)為一層。

在zone(區(qū)域參數(shù)設(shè)置)、island和HSM的界面下按默認(rèn)設(shè)置。點(diǎn)擊上步加工節(jié)點(diǎn),選擇清根加工,在加工路線界面下,加工余量定為0.01 mm,選擇順銑,軸向加工策略定為向下,加工層定為一層,進(jìn)入加工區(qū)域界面,在offset on part一欄定為0.1 mm,在offset on check一欄定為0.1 mm,刀具選擇球頭銑刀,進(jìn)給量定為500 mm,加工切削速度為6 m/min,退刀速度為2 000 mm/min。

選擇limit line(限制線),選擇被加工零件的部分輪廓,并在選中的part autolimit的欄下,即limit definition下的side to machine選擇outside,即加工限制線以外的部分,刀具停留在限制線外部,以刀具的刀尖作為停止模式,其限制線的偏置量為0 mm。其check面選擇檢具頂部的幾個(gè)面的集合。選擇球刀,進(jìn)給量為500 mm,切削速度為500 mm/min,退刀速度為上述數(shù)值自動(dòng)生成。進(jìn)入宏定義,進(jìn)刀速度1 500 mm/min,主軸轉(zhuǎn)式定為back方式,退刀采用刀具軸向方式,然后進(jìn)行刀具路線仿真,得到刀具軌跡圖和加工效果圖,如圖3所示。

圖3 汽車后視鏡檢具加工過(guò)程

選擇haas_vf6_mill5后處理器計(jì)算得到相應(yīng)的NC代碼。以上加工的檢具是汽車左側(cè)后視鏡檢具,在得到加工NC代碼后,進(jìn)入實(shí)際數(shù)控加工過(guò)程,采用絕對(duì)編程方式,以側(cè)面為對(duì)稱面,運(yùn)用數(shù)控指令G51,調(diào)用上述得到的數(shù)控程序,加工另一半坯料,得到右側(cè)倒車鏡的檢具。截取部分代碼如下:

在此次CAM加工中,首先對(duì)檢具坯料進(jìn)行粗銑下料,然后對(duì)檢具正面進(jìn)行半精銑,最后對(duì)各個(gè)重要的配合面進(jìn)行了精銑加工,其它面相對(duì)于實(shí)體模型的實(shí)際尺寸還留有0.1 mm余量,在精加工中將其忽略掉,原因是這些未被精加工表面不是與被測(cè)后視鏡的配合表面,只進(jìn)行半精銑就可達(dá)到所需的尺寸,而且對(duì)檢測(cè)過(guò)程不構(gòu)成影響,從經(jīng)濟(jì)角度考慮也是節(jié)約了成本,加工實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品如圖4所示。

圖4 汽車后視鏡檢具實(shí)物圖示

4 結(jié) 語(yǔ)

深入研究了汽車后視鏡檢具的檢測(cè)原理及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),并在充分考慮汽車后視鏡檢測(cè)過(guò)程和加工工藝要求的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了某品牌汽車后視鏡檢具。利用CATIA軟件建立了三維實(shí)體模型,并對(duì)模型進(jìn)行了數(shù)控加工過(guò)程仿真,結(jié)合加工工藝規(guī)程及精度要求,進(jìn)行了后視鏡檢具的CAM分析,生成數(shù)控代碼,給出加工實(shí)驗(yàn)零件。

結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的檢具滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。

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