模具型腔數(shù)控加工計(jì)算機(jī)輔助刀具選擇和研究-中文翻譯

模具型腔數(shù)控加工計(jì)算機(jī)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(gè)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 CAD/ CAM 系統(tǒng)中得到應(yīng)用。目前大多數(shù) CAM 系統(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 CAM 系統(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) CAD/ CAM 的自動有機(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(gè)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(shí)間、最低加工成本、最長使用壽命等，因此刀具選擇又是一個(gè)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 CAD 模型中不能顯式表示，需要設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)輔助刀具選擇(Computer Aided Tool Selection ，CATS)系統(tǒng)中，立足于給用戶提供一個(gè)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(jì)算機(jī)和人的優(yōu)勢。 1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) CATS 系統(tǒng)的輸入為 CAD 模型，輸出為刀具類型、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(shí)間等六個(gè)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(shí)間的 510 倍) ，粗加工時(shí)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(shí)間等功能，最后生成總的刀具選擇結(jié)果報(bào)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 2.1 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(shí)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(gè)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(gè)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WALTER 刀具手冊，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(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 WAP25 。 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，3D 模具型腔的粗加工過程，實(shí)際上就是對一系列 2.5D 模具型腔的加工。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(jìn)刀方向的搜索平面與型腔實(shí)體相交，形成若干搜索層。 B. 求出截交輪廓。 C. 計(jì)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(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(jì)算材料去除率。G. 根據(jù)加工層實(shí)際切除的體積，計(jì)算每一加工層的加工時(shí)間。 H. 計(jì)算型腔總的加工時(shí)間和殘余體積。 I. 對該組刀具組合的總體加工效率進(jìn)行評估。 J. 重復(fù) ai，直至求出最優(yōu)的刀具組合。如以時(shí)間為目標(biāo)，即要求以整個(gè)型腔的加工時(shí)間 t 最短來優(yōu)化刀具組合。 2.2 半精加工刀具選擇 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(gè)相鄰截面的表面積以及相應(yīng)的輪廓長度; 步驟 2 計(jì)算平均輪廓長度; 步驟 3 計(jì)算臺階寬度; 步驟 4 計(jì)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(jì)算刀具直徑 D， 按經(jīng)驗(yàn) D=x/0.6 或根據(jù)刀具手冊推薦; 步驟 7 選擇銑削深度大于 x 的最小刀具。 2.3 精加工刀具選擇 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=(0.80.9)r。其算法步驟如下： 步驟 1: 從零件實(shí)體模型計(jì)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(jì)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(yàn)，準(zhǔn)備 NC 數(shù)據(jù)的時(shí)間幾乎和加工時(shí)間一樣多。因此，自動產(chǎn)生型腔加工的工藝計(jì)劃及 NC 加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 UG/OPEN API 環(huán)境下進(jìn)行了初步編程實(shí)現(xiàn)，開發(fā)了 CATS 原型系統(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(shí)間進(jìn)行評估。其最終目的是真正實(shí)現(xiàn) CAD/CAM 的集成，繼而通過后處理產(chǎn)生數(shù)控加工指令。目前 CATS 系統(tǒng)的界面還是獨(dú)立于 UG 的 CAM 界面，CATS 的決策結(jié)果還需要用戶重新輸入到 CAM。 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。