【正文】 ，影響刀具選擇的幾何約束在 CAD 模型中不能顯式表示，需要設計相應的算法進行提取，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，可能導致未加工體積的增多 。半精加工的任務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量?？紤]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)基本結構 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 關鍵技術及算法 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。設刀具直徑為 D，圓角半徑為 r ，當 r=0 時為平頭銑刀， 0R 刀具又可分為整體式和鑲片式。對于鑲片式，關鍵是選取刀片的材質，刀片材質的選擇取決于三個要素：被加工工件的材料、機床夾具的穩(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。機床夾具的穩(wěn)定性分為很好 、好、不足三個等級。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，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。例如，如果被加工工件的材料為“鋼”，機床夾具的穩(wěn)定性為很好，刀具懸臂為短懸臂，則刀片材質應為 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，實際上就是對一系列 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刀方向的搜索平面與型腔實體相交，形成若干搜索層。 B. 求出截交輪廓。 C. 計算內外環(huán)之間或島與島之間的關鍵距離，即影響刀具選擇的幾何約束 . D. 根據(jù)合并原則 (相鄰關鍵距離相差小于給定閾值 ) 對搜索層進行合并，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、銑削深度和進給速度 ) ，計 算材料去除率。 G. 根據(jù)加工層實際切除的體積，計算每一加工層的加工時間。 H. 計算型腔總的加工時間和殘余體積。 I. 對該組刀具組合的總體加工效率進行評估。 J. 重復 a～ i，直至求出最優(yōu)的刀具組合。如以時間為目標，即要求以整個型腔的加工時間 t 最短來優(yōu)化刀具組合。 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 由零件實體模型獲得兩個相鄰截面的表面積以及相應的輪廓長度 。 步驟 2 計算平均輪廓長度 。 步驟 3 計算臺階寬度 。 步驟 4 計算臺階拐角到零件表面的法向距離 x 。 步驟 5 重復步驟 1～步驟 4 ，決定每一臺階的銑削深度 。 步驟 6 計算刀具直徑 D， 按經(jīng)驗 D=x/ 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。 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=(～ )r。其算法步驟如下： 步驟 1: 從零件實體模型計算最小曲率半徑 。 步驟 2: 從刀具庫中檢索出刀具半徑小于計 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 小結與討論 模具型腔加工的工藝規(guī)劃通常需要很高的技術與經(jīng)驗，準備 NC 數(shù)據(jù)的時間幾乎和加工時間一樣多。因此，自動產(chǎn)生型腔加工的工藝計劃及 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，構造了相應的實現(xiàn)算法，并在 UG/OPEN API環(huán)境下進行了初 步編程實現(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、進給量等 ) ，對相應的加工時間進行評估。其最終目的是真正實現(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)的界面還是獨立于 UG 的 CAM 界面， CATS 的決策結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，進行多目標組合優(yōu)化，這將是我們下一步要進行的工作。