机械专业中文翻译模具数控加工计算机辅助刀具选择研究Word文档格式.docx
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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（ComputerAidedToolSelection，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
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<
R刀具又可分为整体式和镶片式。
对于镶片式，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WALTER刀具手册，系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WAP25。
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，3D模具型腔的粗加工过程，实际上就是对一系列2.5D模具型腔的加工。
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：
a.以一定的步长做一组垂直于进刀方向的搜索平面与型腔实体相交，形成搜索层。
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。
i.对该组刀具组合的总体加工效率进行评估。
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。
MRRi=（dicij）×
（Nfz）（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;
cij—i加工层第j次铣削深度;
aj—第j切割层底面积;
vi—i加工层的铣削体积;
MRRi—i加工层的材料去除率;
di—i加工层的刀具直径;
dip—i加工层可行刀具集合;
rik—i加工层k搜索层的关键距离;
e1—控制搜索层合并的常数;
e2—控制残余体积的常数;
V—型腔体积;
DV—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=DV/V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
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/0.6或根据刀具手册推荐;
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=（0.8～0.9）r。
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
CATS系统在UG/OPENAPI环境下应用C语言开发而成。
后台数据库为Oracle8i，利用ODBC编程实现UG与数据库之间的通讯。
所有的刀具数据及知识来自德国WALTER公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/min，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f3，f4，f5，f6，f8，f10，f12，f16，f20。
同样，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。
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NC数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NC加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UG/OPENAPI环境下进行了初步编程实现，开发了CATS原型系统。
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CAD/CAM的集成，继而通过后处理产生数控加工指令。
目前CATS系统的界面还是独立于UG的CAM界面，CATS的策结果还需要用户重新输入到CAM。
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。
Mould&
DieNCcomputer-aidedToolofSelection
GengTie
StateKeyLab.ofMould&
DieTechnology,HuaZhongUniversityofScienceandTechnology
Wuhan430074,China
Introduction
NCmachiningtoolpathgenerationandtoolselection,includingthetwokeyissues.Beforeaprobleminthepast20yearshasbeenwide-rangingandin-depthstudy,ManyalgorithmsforthedevelopmentofCAD／CAMsystemhasbeenappliedinthebusiness.MostCAMsystemstotheuserinputparameterswithautomatictoolpath.Comparativelyspeaking,thequality,efficiencyandoptimizationtoolofchoiceisfarfrommature.CurrentlynocommercialCAMsystemoptimizationtoolcanprovidedecisionsupporttools.itisdifficulttoachieveautomaticCAD／CAMintegrated.Toolstypicallyincludetoolsandtooltypesize.Ingeneral,usuallyforaprocessingtooltargetingavarietyofdifferentprocessingtasksaswellasthecompletionofatool.Therefore,consideringonlymeetthebasicrequirementsofthetoolselectionprocessisrelativelyeasy,particularlyfortheholes,ducts,etc.typicalgeometricfeatures.Butinreality,andweusuallychoosetheoptimaltoolgoals,suchasthemostefficientcutting,processingtimeatleast,thelowestmanufacturingcost,andthelongestlifeexpectancy,andsoontoolselectionisacomplexoptimizationproblems.Forexample,dieparts,complexgeometricshapes（usuallyfreesurfaceandIsland）ToolchoicesaffectthegeometricconstraintsinCADmodelcannotexplicitthatitisnecessarytodesignappropriateextractionalgorithm,choosetheappropriatetoolsandtoolspecificationsportfoliotoimprovetheefficiencyandqualityofNCisnotaneasytask.
NCgeneralcavitywiththeprocessingmethods,includingextensiveandusually,semi-finishingandfinishingprocesses.Snagistheprincipleofmaximumextentpossibletheefficientremovalofexcessmetalandthereforewishtooptforlargesizeofthetool,Butcuttersizeistoolarge,mightnotleadtoanincreaseinprocessingvolume;
themaintaskisgettingextensiveandsemi-finishedstageleft;
finishedthemaincomponentsofthesizeandsurfacequalityassurance.Takingintoaccountthecurrentelectionentirelybythecomputerautomaticallyknifetherearestillcertaindifficulties,therefore,inourdevelopmentofthecomputer-aidedtoolselection（ComputerAidedToolSelection,CATS）system,basedontheuserstoprovideadecision-supporttool,roughing,semi-finishingandfinishing.therealdecision-makingpowerislefttousers,andtobringintofullplaytheadvantagesofcomputer.
1.Systemstructure.
CATSsystemforCADmodelinput,outputtypesoftools,toolspecificationsMillingdepth,feed,SpindleSpeed（Speed）andtheprocessingtimeofsixparameters（Figure1）.Tooltypesofoptions,includingdecision-supporttool,toolselectiondecision-supporttoolforroughing.toolselectiondecision-supporttoolforsemi-finishingandfinishingtoolselectiondecision-makingtools.
Figure1computer-aidedtoolselectionofinputandoutput
Givenextensiveandimportantpositioninthecavity（usually5-10timesfinishingtime）.snagwhenthesystemisautomaticallyoptimizedcombinationoffunctionaltooltoenhanceoverallprocessingefficiency.Inadditiontotheabovedecision-makingtools,thesystemalsohasadetailedstandardizedtoolstodetect,Accordingtotherecommendationofprocessingparametersandthesizeandtypeoftooltoassessthefunctionofprocessingtime.Toolchoiceofthefinaltotalreturnsgenerated（Figure2）.ToolSystemdataandknowledgeareallinsupportofthebackgrounddatabase.
Figure2CADtoolselectionandthebasicfunctionmodules
2keytechnologyandalgorithms
1）Toolsforchoice
AccordingdieNCpractice,thetoolgenerallyconsistsofMillingCutterpeace.Filletcutterandthecutterballthree.BasedtooldiameterD,theradiusr,r=0whenthecrewcutter.0<
Rtoolscanbedividedintotheoverallstyleandframedchip.Tippedfortheceremony,thekeyistoselectmaterialblades,bladematerialsaredeterminedbythreefactors:
theworkpiecematerial,Machinetoolfixtureandthestabilityofthecantilever.Workpiecematerialwillbeprocessedintosteel,stainlesssteel,castiron,nonferrousmetals,materialsandotherhard-to-cutmaterialsandhardwaresix.Stabilityjigintothewell,lessthanthreegrades.CantileverToolcantileveredintoshortandlongcantilevertwo,thesystemautomaticallyinductedbladematerialunderspecificcircumstances.WALTERToolknowledgecomesfromthedecision-makingmanuals,systemuserstochoosethefirstinteractivetooltypes.TippedToolsoftherule-basedAutomatedReasoningbladessuitablematerial.Forexample,iftheworkpiecematerialas"
steel"
thestabilityofthefixturegoodtoolforshortcantilevercantilever.BladematerialwillbeWAP25.
2）PortfolioOptimizationToolsnag
Theobjectiveistomaximizethecavitysnagintheremovalofexcessmetal,usedPingCutterandtakeallthelayers.Therefore,the3Ddieroughingprocessisactuallyaseriesof2.5Ddieforprocessing.OptimizationToolToolGroup'
sgoalistofindacombinationthatwillenableittothehighestremovalefficiencyofmostmetals.Thebasicapproachisasfollows:
PortfolioOptimizationTool
A.Todoacertainstepinthedirectionperpendiculartothefeedcavitysearchplaneandentitiesintersect,theformationsearchlayer.
B.Deadlineforsubmissionofoutlineobtained.
C.Calculationlinkbetweenoroutsideofcriticaldistancebetweentheislands,thechoiceoftoolstoinfluencethegeometricconstraint,thealgorithmshowninfigure3.
Figure3keydemandfromthealgorithm.
D.Underthisprinciple（thedistancebetweenadjacentkeydifferenceislessthanagiventhreshold）levelofthesearchforamergerPlaneprocessingandidentifyviabletoolsets,forminglayers.
E.Eachlayerprocessingtoolusedtodeterminethatthecombinationofthetoolcavity.
F.Accordingtotherecommendedprocessingtoolparameter
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