模具零件加工中测量精度提升方案和措施

闫庆禹，王冀军

（1.四川省宜宾普什集团有限公司，四川 宜宾 644000；2.成都普什汽车模具有限公司，四川 成都 610031）

0 引言

汽车覆盖件模具具有复杂的曲面，在加工中毛坯尺寸为模具、工装和机加工产品等的结构设计、干涉分析、材料准备、成本分析、确定加工周期等方面提供了参考作用[1]，当毛坯的实际加工余量与理论数模存在较大差距时，加工时吃刀量的波动会引起机床振动甚至撞刀的风险。对于单件加工，程序的加工效率和安全性一直是编程人员研究的难题，加工余量的不可控使数控操作员不敢按程序加工，给操作员造成心理压力[2]，如何将模具零件毛坯的扫描结果进行优化，并将扫描后生成的毛坯用于VERICUT 软件仿真，对提高模具的加工效率有重要影响。

模具零件加工完成后，需采用三坐标测量仪对凸、凹模进行尺寸精度检测，因此需要尽量降低因测量误差对产品尺寸造成的影响，影响三坐标测量仪精度的因素除自身的制造和安装误差外，还有测量基准误差、机房温度误差、模具零件支撑装夹重力引起的变形误差等。如温度是影响测量仪精度的较大因素，按照标准测量室的标准温度是（20±2）℃，变化梯度为24 h 内不得超过1 ℃[3]，尤其在季节变化时，机房的温度与校验时存在较大误差，包括因光栅温度与量块温度不同而造成的误差等都需要进行补偿，误差补偿是一项以较低成本大幅度提高测量精度的先进技术[4]。对于实际生产，从经济效益考虑，只需考虑对模具测量误差数值影响较大和容易解决的因素。因此，从模具零件毛坯的扫描精度、加工后模具测量室的温度控制以及装夹支撑方面进行了精度提升，能够提高模具的制造精度，降低开发成本。

1 激光扫描精度提升方案和措施

1.1 激光扫描现状分析

激光扫描设备由跟踪器、球形扫描头、数据处理设备组成，如图1所示，扫描前对设备进行预热和仪器精度校准，扫描后删除非连接项和孤立点，进行点云网格化，最后输出网格（STL）文件，并导入理论数据，进行拟合比对。

图1 激光扫描设备

模具零件毛坯采用激光扫描后，当前主要有2种方法改善毛坯精度：一是采用最佳拟合功能，即软件会基于毛坯和理论数据进行最佳拟合匹配，技术人员编程时需要将用于加工的基准值指示出来，操作者根据工艺指示进行反推基准，这种方式基准误差大，大多无法用于高精度的加工和仿真模拟；二是在机床上对毛坯进行X、Y、Z方向的基准面加工，并以加工的基准进行拟合，实现毛坯拟合后的基准和加工基准一致，但由于加工的基准面尺寸为50 mm×100 mm，对于长宽3 m 以上的大型模座，当基准块加工的平面度误差达到0.02 mm 时，会造成模座远端1 mm左右的相对位置误差，使扫描的毛坯数据无法指导实际的数控编程加工。

1.2 激光扫描精度提升方法

针对上述情况，提出毛坯扫描数据的处理方法，以提高毛坯的符型匹配精度。

（1）数据的扫描与划分最小外包络体单元类型。先在数控机床上对模具零件X、Y、Z向的基准面进行加工，通过扫描得到模座的结构和型面的点云数据，然后将凸、凹模型面的点云数据进行网格化，曲面部分采用四面体单元，平面部分采用六面体单元，通过网格区分以加快数据处理效率。

（2）等分切割最小外包络单元。假设扫描的模具某个部件的点云数据总数为N，则最小外包络体内点云的平均密度为：

现对包络体进行等分切割成规则的四面体或六面体单元，其边长为l，假设切割的单个四面体或六面体单元内的平均点数为n，则：

（3）删除加工面轮廓附近的毛刺噪声点云数据。由于毛坯铸造过程中存在不同程度的缺陷，为了删除该特征，计算2 个相邻的四面体或六面体单元点云的比值，其相邻点云个数分别为n1、n2，若n1/n2＜λ，则删除前一个单元体内的n个点云。λ为小于1 的正数，该数值是企业根据以往扫描处理总结得到的经验值。

（4）计算单元内点云到中心点的距离di的均值和标准差。假设扫描部件划分的四面体或六面体单元的中心点坐标为（x0，y0，z0），如图2所示。

图2 六面体与四面体单元内点云到中心点的距离

单个单元体内点云个数为n，点云到中心点的距离为di（xi，yi，zi），

则该距离的均值为：

该距离的标准差m为：

（5）点云数据的判定与处理。在该数学模型中，四面体或六面体单元内点云到中心点距离d服从统计学的正态分布。判定某些点云数据是否符合毛坯加工精度：

其中，k为模具零件毛坯加工精度系数，针对汽车外覆盖件的凸、凹模型面、基准面以及配合安装面，k值取1≤k≤1.5，其他非重要加工面k值取1.5≤k≤2。

当计算得到的体单元内点云到中心点距离d不满足上述范围时，将点云数据删除并标识在数模结构中。上述步骤中的点云数据处理采用计算机语言进行编程自动实现，最后生成STL 格式的数据文件，得到图3所示的高精度毛坯加工数据，在保证毛坯逆向拟合基准与加工基准一致的情况下，最高匹配精度可控制在±2.5 mm。

如果某个残缺破面导致仿真软件识别误差大，不能正常仿真，需要对数据进行进一步优化，即先将理论CAD 数据导入GOM 软件，建立标称元素及坐标，再导入上述精度提升的STL数据，然后通过对齐操作，让扫描数据关联到标称模型上，最后输出带上坐标格面进行程序仿真加工。

2 模具零件三坐标测量精度提升措施

2.1 三坐标测量仪的温度补偿设置

模具零件加工完成后，需要采用三坐标测量仪对凸、凹模进行尺寸精度检测，其温度补偿的设置需要重点考虑材料系数、温度变化范围、标定工具系数、补偿方法等。如在舒适性控温下需要开启温度补偿设置，由于不同的工件材料随温度变化的热胀冷缩系数不同，针对铝合金、铸铁等需设置对应的材料系数，补偿方法选择“控制器补偿轴和零件”，如图4所示。

图4 三坐标仪的温度补偿设置参数

当三坐标仪转运检测工件时，无论是恒温方案还是舒适性控温方案，都要采取如下控温措施：首先减少三坐标室的打开次数，保证控温的平稳性，将空间温度梯度控制在1 ℃/m 以内，将时间温度梯度控制在1 ℃/h 以内，同时保证温度变化控制在1 ℃/24 h 以内，以减少温度不均衡对测量数据的影响；其次打开三坐标转运门时，必须启动空气幕墙，使温度均衡；最后对未经过三坐标室保温的待测工件，需监测测量时和测量后的工件温度差，如温差超过1 ℃，必须采用测量时和测量后的平均温度作为补偿温度值。

2.2 三坐标室的恒温方案

（1）图5所示是三坐标测量室，空调控制室内温度在16～26 ℃，冬季温度在16～22 ℃，夏季温度在22～26 ℃。温度在受控范围时，可只进行通风换气和除湿操作，换气次数每小时不少于5次。

图5 三坐标测量室

（2）在三坐标室外加工机床附近进行测温，根据测得温度，设置三坐标室内温度；当温度低于16 ℃时，按16～22 ℃进行设置；当温度高于26 ℃时，按22～26 ℃进行设置；当温度在16～26 ℃时，可关闭空调控温功能，按（1）进行操作。

（3）模具零件和冲压零件进入控温的三坐标室内，不再进行测量前的保温，直接测量。

2.3 三坐标机测量平台支撑优化设置

在采用三坐标测量仪对模具零件型面进行精度检测过程中，由于模具零件重力原因，平板小车的刚性、平台垫块的位置对测量结果易造成不同程度的干扰，尤其是当多个垫块共同作用时，垫块与模具零件底面的接触间隙不同，造成个别垫块发挥不了支撑作用，可能处于悬空状态，影响模具零件的测量精度。

为了对三坐标装夹中的垫块设置进行研究，选择尺寸较大（长度达3 500 mm）的1 模2 腔发罩内外板模具，取其一半为研究对象进行分析，垫块的尺寸为100 mm ×150 mm ×300 mm，间距按照实际放置的1 300 mm进行设置。

（1）左中右支撑下的自重变形。图6 所示为左中右6 点全部支撑下的模具垫块支撑设置，通过设置不同垫块支撑来计算模具自重引起的变形量。

图6 左中右支撑

分析结果如图7所示，由于支撑良好，最大变形在发罩外板型面的左边，仅为0.017 mm。

图7 左中右支撑下的变形分布

（2）左右4 点支撑的分析。在图6 所示的模型下其边界条件设置为左右4 点支撑，此时模具中部垫块未支撑，分析结果如图8所示，最大变形在模具的中间，为0.038 mm。此类变形造成的测量误差较大，因此需要在装夹过程中检测中间部位的垫块与模具底座的接触状态。

图8 左右支撑下的变形分布

通过上述多点支撑模拟分析，根据模具零件重力、尺寸和支撑设置情况，可获得因自重引起的变形数值，图9 所示是模具采用6 点支撑到测量平板小车上的变形结果，其顶盖下模整体因为重力变形达到了0.01 mm。因此在测量过程中通过人为调整，如在垫块附近可采用柔性铝型材作为辅助支撑，在平板小车远离轮轨下端增加柔性柱支撑等，能够最大程度地消除重力引起的变形，通过降低装夹支撑误差来提高模具的三坐标检测精度。

图9 顶盖模具支撑到测量平板小车上的变形结果

3 结束语

（1）针对激光扫描毛坯数据与编程数据不匹配的情况，采用提高毛坯符型匹配精度方法，通过其均值d和标准差m进行判别和处理，最高匹配精度可控制在±2.5 mm。

（2）三坐标室的温度补偿设置的重点包括材料系数、温度变化范围、标定工具系数、补偿方法等参数。

（3）1 模2 腔发罩内外板模具长度为3 500 mm，采用6 点支撑的自重最大变形量为0.017 mm，中部悬空的最大变形量为0.038 mm，需重点关注模具底座中部与垫块的研配贴合。