of of . 0 a of in AM at it is to as of of of do AM of at it is to is to of so it is to to of as in it is to to at so is it is a as of is of it to be to AD to to it is by in of of is to no to to is of of to of go by up to in we to is to in to to of 1 of AD of of as 1), in of 10 to In to a on of of of ). by 2 i D r r=0 0<R be is to on of of be to on of of by in To a if of is to of 3D is a is to a of of as A. To do in of a of to a B. to C. or s in D. to of to be to a E. of F. to of G. to of H. I. of J . ai of If is t to he is to of To be of to x. as :of to of : of : : to of to x; : , of : , by or =x/0.6 x is r, = (r. as : : of a of : : If as a 3 of of C of to be So of of C of of of on of G/In on is of to , to AM to of it on of up be we to on 模具型腔數(shù)控加工計算機輔助刀具選擇和研究 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)化目標的刀具選擇問題的研究還遠未成熟，當前還沒有商用統(tǒng)能夠提供刀具優(yōu)選的決策支持工具，因而難以實現(xiàn) 自動有機集成。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。但實際上，刀具選擇通常和一定的優(yōu)化目標相聯(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進行自動選刀還存在一定困難，因而在我們開發(fā)的計算機輔助刀具選擇( 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)揮計算機和人的優(yōu)勢。 1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 出為刀具類型、刀具規(guī)格、銑削深度、進給量、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 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 。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。 2 關(guān)鍵技術(shù)及算法 具類型選擇 根據(jù)模具型腔數(shù)控加工實踐，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 r=0 時為平頭銑刀， 0<R 刀具又可分為整體式和鑲片式。對于鑲片式，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、機床夾具的穩(wěn)定性以及刀具的懸臂狀態(tài)。系統(tǒng)將被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 具手冊，系統(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 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： A. 以一定的步長做一組垂直于進刀方向的搜索平面與型腔實體相交，形成若干搜索層。 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 . 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、銑削深度和進給速度 ) ，計 算材料去除率。 G. 根據(jù)加工層實際切除的體積，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。 I. 對該組刀具組合的總體加工效率進行評估。 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，即要求以整個型腔的加工時間 t 最短來優(yōu)化刀具組合。 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 D=x/ 步驟 7 選擇銑削深度大于 x 的最小刀具。 加工刀具選擇 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 r，一般取 R=(0.9)r。其算法步驟如下： 步驟 1: 從零件實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 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，準備 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)的實現(xiàn)算法，并在 編程實現(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、進給量等 ) ，對相應(yīng)的加工時間進行評估。其最終目的是真正實現(xiàn) 而通過后處理產(chǎn)生數(shù)控加工指令。目前 統(tǒng)的界面還是獨立于 面， 決策結(jié)果還需要用戶重新輸入到 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，進行多目標組合優(yōu)化，這將是我們下一步要進行的工作。