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模具腔数控加工计算机辅助刀具选择
2006年2月22日 9:31   作者:王玉 高崇辉 徐和国
    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UG/OPEN API环境下进行了初步编程实现,开发了CATS原型系统。

    引言
   
    数控加工中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
   
    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。

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

 
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