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外文翻译 专 业 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名 陈 曦 班 级 制 031 学 号 0320110129 指 导 教 师 刘 道 标 . 1 模具数控加工计算机辅助刀具选择研究 耿铁 段修涛 译 引言 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 统中得到应用。目前大多数 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，当前还没有商用统能够提供刀具优选的决策支持工具，因而难以实现 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 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( 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 入为 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 2 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。 图 1 计算机辅助刀具选择系统的输入与输出 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 (如图 2) 。系统所有的刀具数据及知识均由后台数据库做支持。 图 2 计算机辅助刀具选择 系统的基本功能与模块 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 3 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 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 2) 粗加工刀具组合优化 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， 3际上就是对一系列 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： 成搜索层。 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，算法流程如图 3 所示。 图 3 求关键距离算法流程 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 . 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。 4 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。 ( 切割截面积乘进给率 ) 式中： n 型腔加工层数量 ; m 每一加工层刀具的铣削次数 ; l 每一加工层中的搜索层数量 ; q 每一加工层可行的刀具数量 ; h 型腔深度 ; i 加工层第 j 次铣削深度 ; 第 j 切割层底面积 ; i 加工层的铣削体积 ; i 加工层的材料去除率 ; i 加工层的刀具直径 ; i 加工层可行刀具集合 ; i 加工层 k 搜索层的关 键距离 ; 控制搜索层合并的常数 ; 控制残余体积的常数 ;V 型腔体积 ; 残余体积 ; N 主轴转速 ; f 刀具每齿进给量 ; z 刀具齿数。考虑到不同的搜索平面步长会产生不同的加工层，从而导致不同的加工时间和残余体积，因此有时尽管总的加工时间较短，但残余体积可能较多。由此可见，单独以加工时间为目标进行优化有时并不一定科学。为此，提出了效率系数的概念，综合考虑了加工时间和残余体积的因素，加工时间越短，残余体积越少，则效率系数就越高。令： 上式中前一项反映了加工单位体积的时间系数，其中 k = 为残余体积百分数。这样，效率系数可定义为 q = 1/ Q 。 3) 半精加工刀具选择 5 半精加工的主要目的是去除粗加工残留下的台阶状轮廓。为完全去除台阶，铣削深度必须大于每一台阶到零件表面的距离 x。其算法步骤如下： 步骤 1 由零件实体模型获得两个相邻截面的表面积以及相应的轮廓长度 ; 步骤 2 计算平均轮廓 长度 ; 步骤 3 计算台阶宽度 ; 步骤 4 计算台阶拐角到零件表面的法向距离 x ; 步骤 5 重复步骤 1步骤 4 ，决定每一台阶的铣削深度 ; 步骤 6 计算刀具直径 D， 按经验 D=x/根据刀具手册推荐 ; 步骤 7 选择铣削深度大于 x 的最小刀具。 4) 精加工刀具选择 5) 精加工刀具选择的基本原则是：刀具半径尺寸 R 小于零件表面最小的曲率半径 一般取 R=(0.9)r。其算法步骤如下： 步骤 1 从零件实体模型计算最小曲率半径 ; 步骤 2 从刀具库中检索出刀具半径小于计算所得的曲率半径的所有刀具 ; 步骤 3 选出满足上述要求的最大刀具 ; 步骤 4 如果所有刀具大于最小的曲率半径，选择最小的作为推荐刀具。 3 系统实施及算例 统在 境下应用 C 语言开发而成。后台数据库为 i ，利用 有的刀具数据及知识来自德国司的硬质合金刀具综合样本。图 4 为一包含岛及雕塑曲面的模具型腔， 根据上文提出的粗加工刀具组合的优化方法，该模具型腔粗加工刀具的优化组合为 20，12， 8， 5。计算中，工件材料选定为中碳钢，切削速度推荐值 为 100m/铣削深度为刀具直径的 1/ 2 ，进给量根据刀具推荐值由程序自动修正计算。同时，假定刀具库中现有平头铣刀刀具规格为 样，根据半精加工和精加工的刀具选择算法，得到的球头铣刀的刀具直径分别为 4和 3。 6 图 4 包含岛及雕塑曲面的模具型腔 4 小结与讨论 模具型腔加工的工艺规划通常需要很高的技术与经验，准备 据的时间几乎和加工时间一样多。因此，自动产生型腔加工的工艺计划及 工指令的需求就显得愈加迫切 。 本文系统研究了模具型腔工艺规划中的刀具选择问题，提出了模具型腔粗加工、半精加工、精加工刀具选择的原则和方法，构造了相应的实现算法，并在境下进行了初步编程实现，开发了 型系统。在刀具类型和规格确定的基础上，系统还可根据刀具手册推荐加工参数 (切削速度、铣削深度、进给量等 ) ，对相应的加工时间进行评估。其最终目 的是真正实现 集成，继而通过后处理产生数控加工指令。目前 需要指出的是，要提高模具型腔的总体加工效率，需要从粗加工、半精加工、精加工的整体上考虑，进行多目标组合优化，这将是我们下一步要进行的工作 。 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 0R 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
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