外文翻譯 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 生 姓 名 陳 曦 班 級 制 031 學(xué) 號 0320110129 指 導(dǎo) 教 師 劉 道 標(biāo) . 1 模具數(shù)控加工計算機(jī)輔助刀具選擇研究 耿鐵 段修濤 譯 引言 數(shù) 控加工中包括刀具軌跡的產(chǎn)生和刀具選擇兩個關(guān)鍵問題。前一問題在過去的20 年里得到了廣泛而深入地研究， 發(fā)展的許多算法已在商用 統(tǒng)中得到應(yīng)用。目前大多數(shù) 統(tǒng)能夠在用戶輸入相關(guān)參數(shù)后自動產(chǎn)生刀具軌跡。比較而言，對以質(zhì)量、效率為優(yōu)化目標(biāo)的刀具選擇問題的研究還遠(yuǎn)未成熟，當(dāng)前還沒有商用統(tǒng)能夠提供刀具優(yōu)選的決策支持工具，因而難以實(shí)現(xiàn) 自動有機(jī)集成。刀具選擇通常包括刀具類型和刀具尺寸。一般來說，適合一個加工對象的刀具通常有多種，一種刀具又可完成不同的加工任務(wù)，所以僅考 慮滿足基本加工要求的刀具選擇是較容易的，尤其對孔、槽等典型幾何特征。但實(shí)際上，刀具選擇通常和一定的優(yōu)化目標(biāo)相聯(lián)系，如最大切削效率、最少加工時間、最低加工成本、最長使用壽命等，因此刀具選擇又是一個復(fù)雜的優(yōu)化問題。比如模具型腔類零件，由于幾何形狀復(fù)雜 (通常包含自由曲面及島 ) ，影響刀具選擇的幾何約束在 型中不能顯式表示，需要設(shè)計相應(yīng)的算法進(jìn)行提取，因而選擇合適的刀具規(guī)格及其刀具組合，以提高數(shù)控加工的效率與質(zhì)量并非易事。 模具型腔一般用數(shù)控銑的加工方法，通常包括粗加工、半精加工、精加工等工序。粗加工的原 則就是盡最大可能高效率地去除多余的金屬，因而希望選擇大尺寸的刀具，但刀具尺寸過大，可能導(dǎo)致未加工體積的增多 ;半精加工的任務(wù)主要是去除粗加工遺留下來的臺階 ;精加工則主要保證零件的尺寸及表面質(zhì)量?？紤]到目前完全由計算機(jī)進(jìn)行自動選刀還存在一定困難，因而在我們開發(fā)的計算機(jī)輔助刀具選擇( 統(tǒng)中，立足于給用戶提供一個輔助決策工具，即粗加工、半精加工、精加工等，真正的決策權(quán)仍留給用戶，以充分發(fā)揮計算機(jī)和人的優(yōu)勢。 1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 入為 出為刀具類型、刀具規(guī)格、銑削深度、進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速 (切削速度 ) 和加工時間等六個參數(shù) (如圖 1) ，包括刀具類型選擇輔助決策 2 工具、粗加工刀具選擇輔助決策工具、半精加工刀具選擇輔助決策工具及精加工刀具選擇輔助決策工具等。 圖 1 計算機(jī)輔助刀具選擇系統(tǒng)的輸入與輸出 鑒于粗加工在型腔加工中的重要地位 (通常為精加工時間的 5 10 倍 ) ，粗加工時系統(tǒng)具有刀具自動優(yōu)化組合的功能，以提高整體加工的效率。除了上述決策工具外，系統(tǒng)還具有查看刀具詳細(xì)規(guī)范、根據(jù)刀具類型和尺寸推薦加工參數(shù)及評估加工時間等功能，最后生成總的刀具選擇結(jié)果報表 (如圖 2) 。系統(tǒng)所有的刀具數(shù)據(jù)及知識均由后臺數(shù)據(jù)庫做支持。 圖 2 計算機(jī)輔助刀具選擇 系統(tǒng)的基本功能與模塊 2 關(guān)鍵技術(shù)及算法 1) 刀具類型選擇 根據(jù)模具型腔數(shù)控加工實(shí)踐，型腔銑加工的刀具一般分為平頭銑刀、圓角銑刀及球頭銑刀三種。設(shè)刀具直徑為 D，圓角半徑為 r ，當(dāng) r=0 時為平頭銑刀， 0<于鑲片式，關(guān)鍵是選取刀片的材質(zhì)，刀片材質(zhì)的選擇取決于三個要素：被加工工件的材料、機(jī)床夾具的穩(wěn)定性以及刀具的懸臂狀態(tài)。系統(tǒng)將被 3 加工工件的材料分為鋼、不銹鋼、鑄鐵、有色金屬、難切削材料和硬材料等六組。機(jī)床夾具的穩(wěn)定性分為很好、好、不足三個等級。刀具懸臂分為短懸臂和長懸臂兩種，系統(tǒng) 根據(jù)具體情況自動推理出刀片材質(zhì)，決策知識來源于 統(tǒng)由用戶首先交互選擇刀具類型。對鑲片式刀具，基于規(guī)則自動推理出合適的刀片材質(zhì)。例如，如果被加工工件的材料為 “ 鋼 ” ，機(jī)床夾具的穩(wěn)定性為很好，刀具懸臂為短懸臂，則刀片材質(zhì)應(yīng)為 2) 粗加工刀具組合優(yōu)化 型腔粗加工的目的就是最大化地去除多余的金屬，通常使用平頭銑刀，采取層切的方法。因此， 3際上就是對一系列 具型腔的加工。刀具優(yōu)化的目的就是要尋找一組刀具組合，使其能夠以最高的效率切除最多的金屬。刀具組 合優(yōu)化的基本方法如下： 成搜索層。 b. 求出截交輪廓。 c. 計算內(nèi)外環(huán)之間或島與島之間的關(guān)鍵距離，即影響刀具選擇的幾何約束，算法流程如圖 3 所示。 圖 3 求關(guān)鍵距離算法流程 d. 根據(jù)合并原則 (相鄰關(guān)鍵距離相差小于給定閾值 ) 對搜索層進(jìn)行合 并，確定加工平面和可行刀具集，形成加工層。 e. 確定每一加工層使用的刀具，即型腔加工的刀具組合。 f. 根據(jù)刀具推薦的加工參數(shù) (切削速度、銑削深度和進(jìn)給速度 ) ，計算材料去除 . g. 根據(jù)加工層實(shí)際切除的體積，計算每一加工層的加工時間。 h. 計算型腔總的加工時間和殘余體積。 4 j. 重復(fù) a i，直至求出最優(yōu)的刀具組合。如以時間為目標(biāo)，即要求以整個型腔的加工時間 t 最短來優(yōu)化刀具組合?；谏鲜龇椒ǎ山⑷缦滦问交膬?yōu)化模型。 ( 切割截面積乘進(jìn)給率 ) 式中： n 型腔加工層數(shù)量 ; m 每一加工層刀具的銑削次數(shù) ; l 每一加工層中的搜索層數(shù)量 ; q 每一加工層可行的刀具數(shù)量 ; h 型腔深度 ; i 加工層第 j 次銑削深度 ; 第 j 切割層底面積 ; i 加工層的銑削體積 ; i 加工層的材料去除率 ; i 加工層的刀具直徑 ; i 加工層可行刀具集合 ; i 加工層 k 搜索層的關(guān) 鍵距離 ; 控制搜索層合并的常數(shù) ; 控制殘余體積的常數(shù) ;V 型腔體積 ; 殘余體積 ; N 主軸轉(zhuǎn)速 ; f 刀具每齒進(jìn)給量 ; z 刀具齒數(shù)。考慮到不同的搜索平面步長會產(chǎn)生不同的加工層，從而導(dǎo)致不同的加工時間和殘余體積，因此有時盡管總的加工時間較短，但殘余體積可能較多。由此可見，單獨(dú)以加工時間為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化有時并不一定科學(xué)。為此，提出了效率系數(shù)的概念，綜合考慮了加工時間和殘余體積的因素，加工時間越短，殘余體積越少，則效率系數(shù)就越高。令： 上式中前一項(xiàng)反映了加工單位體積的時間系數(shù)，其中 k = 為殘余體積百分?jǐn)?shù)。這樣，效率系數(shù)可定義為 q = 1/ Q 。 3) 半精加工刀具選擇 5 半精加工的主要目的是去除粗加工殘留下的臺階狀輪廓。為完全去除臺階，銑削深度必須大于每一臺階到零件表面的距離 x。其算法步驟如下： 步驟 1 由零件實(shí)體模型獲得兩個相鄰截面的表面積以及相應(yīng)的輪廓長度 ; 步驟 2 計算平均輪廓 長度 ; 步驟 3 計算臺階寬度 ; 步驟 4 計算臺階拐角到零件表面的法向距離 x ; 步驟 5 重復(fù)步驟 1步驟 4 ，決定每一臺階的銑削深度 ; 步驟 6 計算刀具直徑 D， 按經(jīng)驗(yàn) D=x/根據(jù)刀具手冊推薦 ; 步驟 7 選擇銑削深度大于 x 的最小刀具。 4) 精加工刀具選擇 5) 精加工刀具選擇的基本原則是：刀具半徑尺寸 R 小于零件表面最小的曲率半徑 一般取 R=(0.9)r。其算法步驟如下： 步驟 1 從零件實(shí)體模型計算最小曲率半徑 ; 步驟 2 從刀具庫中檢索出刀具半徑小于計算所得的曲率半徑的所有刀具 ; 步驟 3 選出滿足上述要求的最大刀具 ; 步驟 4 如果所有刀具大于最小的曲率半徑，選擇最小的作為推薦刀具。 3 系統(tǒng)實(shí)施及算例 統(tǒng)在 境下應(yīng)用 C 語言開發(fā)而成。后臺數(shù)據(jù)庫為 i ，利用 有的刀具數(shù)據(jù)及知識來自德國司的硬質(zhì)合金刀具綜合樣本。圖 4 為一包含島及雕塑曲面的模具型腔， 根據(jù)上文提出的粗加工刀具組合的優(yōu)化方法，該模具型腔粗加工刀具的優(yōu)化組合為 20，12， 8， 5。計算中，工件材料選定為中碳鋼，切削速度推薦值 為 100m/銑削深度為刀具直徑的 1/ 2 ，進(jìn)給量根據(jù)刀具推薦值由程序自動修正計算。同時，假定刀具庫中現(xiàn)有平頭銑刀刀具規(guī)格為 樣，根據(jù)半精加工和精加工的刀具選擇算法，得到的球頭銑刀的刀具直徑分別為 4和 3。 6 圖 4 包含島及雕塑曲面的模具型腔 4 小結(jié)與討論 模具型腔加工的工藝規(guī)劃通常需要很高的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)備 據(jù)的時間幾乎和加工時間一樣多。因此，自動產(chǎn)生型腔加工的工藝計劃及 工指令的需求就顯得愈加迫切 。 本文系統(tǒng)研究了模具型腔工藝規(guī)劃中的刀具選擇問題，提出了模具型腔粗加工、半精加工、精加工刀具選擇的原則和方法，構(gòu)造了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)算法，并在境下進(jìn)行了初步編程實(shí)現(xiàn)，開發(fā)了 型系統(tǒng)。在刀具類型和規(guī)格確定的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)還可根據(jù)刀具手冊推薦加工參數(shù) (切削速度、銑削深度、進(jìn)給量等 ) ，對相應(yīng)的加工時間進(jìn)行評估。其最終目 的是真正實(shí)現(xiàn) 集成，繼而通過后處理產(chǎn)生數(shù)控加工指令。目前 需要指出的是，要提高模具型腔的總體加工效率，需要從粗加工、半精加工、精加工的整體上考慮，進(jìn)行多目標(biāo)組合優(yōu)化，這將是我們下一步要進(jìn)行的工作 。 7 C 30074 ,C a in 0 in AM to of is no AM it is to In a a of as as of a of is in we as at so on is a AD it is to to C is an NC is of of 8 to of is to an in is of by in of on to a is to to of AD of of ). of of in is of to In 9 a to to of of to of of ). in of 2 1) C , r, r = 0 0<R be is to by of be to of if of 2) is to in of D is a 10 s is to a it to of is as A. To do a in to B. of C. or of of to in . D. is a of a E. to of F. to of G. to of is H. I. of J. Ai of If t to 11 of on we (X of of in i j j of i i of i -i i k ;e1 of a in in So to of a of of of is 12 On a k = of as q = 1/ Q. 3) is to of be of x as of of to of to x of of , D=x/or by x of 4) r = (r. of of to : If of as a of 13 3 of in G/PI i G. a of to in 0,12,8,5. 00m/of to f8 . of 4 of C as C it is We of in a PI a to on of is so 14 to AM is to a to C At is of G of to be AM to be is to be is to