模具型腔数控加工计算机辅助刀具选择研究（一）

快刀

　　引言
6 }6 X& U7 t8 E3 W& G0 s4 H, g　　数控加工中包括刀具轨迹的产生和刀具选择两个关键问题。前一问题在过去的20年里得到了广泛而深入地研究，发展的许多算法已在商用CAD/ CAM系统中得到应用。目前大多数CAM系统能够在用户输入相关参数后自动产生刀具轨迹。比较而言，对以质量、效率为优化目标的刀具选择问题的研究还远未成熟，当前还没有商用CAM系统能够提供刀具优选的决策支持工具，因而难以实现CAD/ CAM的自动有机集成。刀具选择通常包括刀具类型和刀具尺寸。一般来说，适合一个加工对象的刀具通常有多种，一种刀具又可完成不同的加工任务，所以仅考虑满足基本加工要求的刀具选择是较容易的，尤其对孔、槽等典型几何特征。但实际上，刀具选择通常和一定的优化目标相联系，如最大切削效率、最少加工时间、最低加工成本、最长使用寿命等，因此刀具选择又是一个复杂的优化问题。比如模具型腔类零件，由于几何形状复杂(通常包含自由曲面及岛)，影响刀具选择的几何约束在CAD模型中不能显式表示，需要设计相应的算法进行提取，因而选择合适的刀具规格及其刀具组合，以提高数控加工的效率与质量并非易事。
　　模具型腔一般用数控铣的加工方法，通常包括粗加工、半精加工、精加工等工序。粗加工的原则就是尽最大可能高效率地去除多余的金属，因而希望选择大尺寸的刀具，但刀具尺寸过大，可能导致未加工体积的增多;半精加工的任务主要是去除粗加工遗留下来的台阶;精加工则主要保证零件的尺寸及表面质量。考虑到目前完全由计算机进行自动选刀还存在一定困难，因而在我们开发的计算机辅助刀具选择(Computer Aided Tool Selection，CATS)系统中，立足于给用户提供一个辅助决策工具，即粗加工、半精加工、精加工等，真正的决策权仍留给用户，以充分发挥计算机和人的优势。
　　1系统基本结构
* r9 v$ I( O7 j6 h0 x　　CATS系统的输入为CAD模型，输出为刀具类型、刀具规格、铣削深度、进给量、主轴转速(切削速度)和加工时间等六个参数(如图1)，包括刀具类型选择辅助决策工具、粗加工刀具选择辅助决策工具、半精加工刀具选择辅助决策工具及精加工刀具选择辅助决策工具等。
　　鉴于粗加工在型腔加工中的重要地位(通常为精加工时间的5～10倍)，粗加工时系统具有刀具自动优化组合的功能，以提高整体加工的效率。除了上述决策工具外，系统还具有查看刀具详细规范、根据刀具类型和尺寸推荐加工参数及评估加工时间等功能，最后生成总的刀具选择结果报表。系统所有的刀具数据及知识均由后台数据库做支持。
　　2关键技术及算法
　　1)刀具类型选择
　　根据模具型腔数控加工实践，型腔铣加工的刀具一般分为平头铣刀、圆角铣刀及球头铣刀三种。设刀具直径为D，圆角半径为r，当r=0时为平头铣刀，0刀具又可分为整体式和镶片式。对于镶片式，关键是选取刀片的材质，刀片材质的选择取决于三个要素：被加工工件的材料、机床夹具的稳定性以及刀具的悬臂状态。系统将被加工工件的材料分为钢、不锈钢、铸铁、有色金属、难切削材料和硬材料等六组。机床夹具的稳定性分为很好、好、不足三个等级。刀具悬臂分为短悬臂和长悬臂两种，系统根据具体情况自动推理出刀片材质，决策知识来源于WALTER刀具手册，系统由用户首先交互选择刀具类型。对镶片式刀具，基于规则自动推理出合适的刀片材质。例如，如果被加工工件的材料为“钢”，机床夹具的稳定性为很好，刀具悬臂为短悬臂，则刀片材质应为WAP25。
5 P( n8 y* g: W( V% e　　2)粗加工刀具组合优化
& c3 |9 D/ L3 x' q9 j+ F　　型腔粗加工的目的就是最大化地去除多余的金属，通常使用平头铣刀，采取层切的方法。因此，3D模具型腔的粗加工过程，实际上就是对一系列2.5D模具型腔的加工。刀具优化的目的就是要寻找一组刀具组合，使其能够以最高的效率切除最多的金属。刀具组合优化的基本方法如下：
8 n0 F% T( ]% o; }　　a.以一定的步长做一组垂直于进刀方向的搜索平面与型腔实体相交，形成若干搜索层。b.求出截交轮廓。c.计算内外环之间或岛与岛之间的关键距离，即影响刀具选择的几何约束。
　　d.根据合并原则(相邻关键距离相差小于给定阈值)对搜索层进行合并，确定加工平面和可行刀具集，形成加工层。e.确定每一加工层使用的刀具，即型腔加工的刀具组合。f.根据刀具推荐的加工参数(切削速度、铣削深度和进给速度)，计算材料去除率。g.根据加工层实际切除的体积，计算每一加工层的加工时间。h.计算型腔总的加工时间和残余体积。i.对该组刀具组合的总体加工效率进行评估。j.重复a～i，直至求出最优的刀具组合。如以时间为目标，即要求以整个型腔的加工时间t最短来优化刀具组合。基于上述方法，可建立如下形式化的优化模型。
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