汽車造型人員利用計算機輔助造型技術（CAS）和逆向工程技術（RE）生成三維數學模型，數控加工人員根據數學模型，加工出相應的油泥模型用于評價與修改。本文通過利用美國TPI 公司的TARUS-PCMM 數控銑床對汽車油泥模型的具體加工操作，將有關技術加以總結，對產品的數學模型，刀具的選擇，加工軌跡的生成等方面進行討論。
    關鍵詞：曲面數學模型 油泥模型 數控加工
1 前言 
    在現代汽車開發過程中，造型設計人員可以利用計算機輔助造型軟件生成三維數學模型，或者利用已有實物通過數據掃描，由逆向工程技術生成數學模型加以改造。雖然現在計算機技術可以仿真顯示造型效果，但實際過程中往往要通過真實的物理模型加以驗證和修改。在這一過程中利用先進的數控加工技術代替傳統的手工操作，可以實現準確高效的產品開發過程。 
    作者所使用的美國TPI 公司的TARUS-PCMM 數控銑床，具有數控加工和三坐標測量功能。
2 數控加工對產品三維數學模型的要求 
    三維表面數學模型是銑削加工油泥模型的基礎，汽車外表面是由復雜的三維自由曲面組成，且大多為修剪曲面，因此對產品的三維數學模型的要求較高。通過利用計算機輔助造型和逆向工程軟件生成的汽車外表面數學模型，一般應滿足以下基本要求： 
    (1) 要合理利用測量所得到的表面數據，在誤差范圍內，應該力求反映造型人員的思想。 
    (2) 模型表面要確定的邊界，同一曲面曲率變化要均勻，相鄰曲面的曲率變化要平緩。 
    (3) 對整個汽車車身外表面要合理分塊，曲面間有唯一的公共邊界，曲面的剪裁合理。 
    (4) 過渡面的調配自然，使整個模型符合光順要求。
3 刀具軌跡的生成 
    加工油泥模型，生成高質量的數控加工刀具軌跡是關鍵的步驟之一。設置合理的銑削加工參數，確定適宜的加工方式，是生成數控加工文件的前提。 
    在刀具軌跡生成過程中，我們使用過兩種計算機輔助加工（CAM）軟件，分別為美國CV 公司CADDS5軟件CAM 模塊和TPI 公司CAM 模塊。其中前者CAM 模塊功能較強，能生成兩軸到五軸的加工程序，但參數設置較為復雜，對三維表面數學模型要求嚴格，且在機床的數據轉換過程中存在缺陷。后者為TPI 公司的可移動式油泥銑削機床（PCMM）自帶的CAM 模塊，可生成三軸和五軸兩種刀具加工程序，且生成的刀具軌跡經檢查無誤后可直接用于加工。在具體加工過程中，經過實際操作比較后，最后采用了TPI 公司CAM 模塊來生成刀具軌跡。在生成刀具軌跡過程中主要考慮以下幾個方面的問題。 
    (1) 表面的檢查 
    為保證得到無異常刀位點的銑削加工軌跡，需要檢查汽車外表面的曲面片的邊界是否唯一，曲面間的接合間隙是否小于加工容差，曲面的方向（法向）是否一致等問題。 
    (2) 走刀方式的選擇 
    由于汽車外表面為自由曲面，相鄰曲面間為過渡面連接，且大多數曲面都為修剪面，所以不適合采用等參數法生成刀具軌跡，而采用多曲面等間距連續加工的方法。 
    (3) 刀具的選擇 
    利用數控機床加工自由曲面選用球頭銑刀。在加工過程中采用了直徑分別為20mm、10mm、3mm 三種尺寸的球刀。在粗加工和基體加工中為達到快速去除多余材料的目的，采用了較大直徑的球刀；而在精加工中要根據自由表面的曲率半徑來選擇刀具，具體原則為球刀半徑要小于或等于所加工曲面的最小曲率半徑，只有這樣，加工出來的模型才能真實反映數學模型形狀。另外為使加工面光滑均勻，對吃刀深度和走刀速度也要合理確定。
4 汽車外表面油泥模型的具體加工過程 
    在油泥模型的具體加工過程中，根據油泥的特點，把整個過程分為基體加工、粗加工、精加工三個階段。
4.1 油泥模型的基體加工 
    油泥模型的基體加工是指加工粘貼在木制骨架上的泡沫材料。木制框架的外廓尺寸比外表面的數學模型小100mm 左右，在框架上粘貼泡沫塑料，要求用泡沫把木制骨架的外表全部充滿，泡沫與泡沫間及泡沫與木頭間都要粘貼牢靠。為保證粘貼效果，在粘貼完后停放24 小時后才進行加工。由于泡沫本身的形狀，粘貼的厚度不可能均勻，可用手鋸對其表面進行適當修整，把明顯多出部分去掉。 
    基體加工軌跡分兩步進行。第一步設置加工余量為0mm，第二步設置加工余量為負30mm。這兩步為去除多余泡沫，并為糊油泥留出地方。 
    有了以上準備后，即可準備進行加工。把骨架用螺栓固定加工支架上，模型盡量擺放水平，其中心線同機床X 軸基本保持平行，定義加工坐標系，設定刀長，設置基準點，利用機床自身的相關功能生成刀具軌跡進行銑削。
4.2 油泥模型的粗加工 
    基體加工完后，就可以準備粗加工。這過程包括糊油泥，生成刀具軌跡、具體加工三大部分。在糊油泥前要把基體上的泡沫碎屑打掃干凈，以免影響油泥的粘貼；然后用長度為60mm 左右的長鐵釘扎在泡沫基體表面做厚度參照，使鐵釘頂端距泡沫表面為35mm 左右。接下來在泡沫基體上糊油泥，要注意油泥厚度基本同鐵釘頂端持平，涂抹力求均勻，但不要覆蓋鐵釘，糊完后取出所有鐵釘，并修補鐵釘孔。 
    生成加工余量為5mm 的刀具軌跡。生成刀具軌跡和糊油泥準備完后，就可以進行加工。加工所用坐標系和基準點同基體加工時一致，但更換新的刀具后要重新定義刀長。
4.3 油泥模型的精加工 
    精加工為達到尺寸精確，必須仔細確定有關加工參數。根據外表面數學模型的曲率半徑確定所用刀具大小，在模型加工時根據具體情況采用了Ф10mm 和Ф3mm 兩種尺寸的刀具。加工完畢后，造型人員對表面效果較為滿意。
5 數據的傳遞 
    由于在工作過程中采用IMAGEWARE 軟件生成外表面數學模型，利用TPI 公司的PCMM 機床生成加工軌跡，因此兩者之間存在著數據的轉換與傳遞問題。利用IGES 數據交換格式，順利地實現數據在IMAGEWARE 軟件和PCMM 機床間的傳遞。
6 結論 
    利用國內某廠家提供的汽車外表面數學模型，具體加工出比例為1﹕1 前保險杠和1﹕5 整車油泥模型，效果良好。并通過其它一些項目具體加工操作，初步總結出了利用數控機床加工油泥模型的基本方法和步驟。但在以下幾個方面還須進一步工作和探討：一是油泥的選擇，在加工中發現有些油泥不適用銑削加工；二是加工參數的選擇要使加工出的表面盡量光整；另外油泥粘貼到泡沫上的方法也有待進一步研究。