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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)化目標的刀具選擇問題的研究還遠未成熟，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，因而難以實現(xiàn)CAD/ CAM 的自動有機集成。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CAD 模型中不能顯式表示，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(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。考慮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(Computer Aided Tool Selection ，CATS)系統(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)
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
2.1 刀具類型選擇
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(dāng)r=0 時為平頭銑刀，0