数控加工创成式CAPP 系统的刀具生成研究

摘　要: 主要讨论了基于数控加工的箱体零件创成式CA PP 系统中的关键问题——刀具选择。通过对此选择过程进行优化分析, 建立了以加工质量、加工效率和成本等多种因素共同作用的优化决策理论模型, 为解决这一难题提供了新的理论依据。
关　键　词: 数控加工; 创成式CA PP; 刀具优化选择
1　前　言
随着计算机技术的大力推广, CADö CAM 技术得到迅速发展, 作为二者联系的桥梁和纽带——CA PP 也随之得以广泛应用。CA PP 即计算机辅助工艺设计(Compu ter A ided P rocess P lann ing) 是近几年来在生产领域发展起来的一门崭新技术, 它利用计算机技术和智能技术把传统的复杂的人工工艺过程设计转变为自动化和半自动化的设计过程, 从而极大地提高了工厂的自动化程度, 减轻了人工进行工艺设计的难度和强度,缩短了时间, 更好更快地适应了现代化制造的需要。创成式CA PP 系统以逻辑算法和决策表为特征,加以人工适当干预后的半创成式, 即可保证零件工艺规程的一致性, 又可适应工艺过程的复杂性, 较适合于数控加工的需要。目前在我国应用广泛。在创成式CA PP 系统中进行刀具生成部分的研究, 就是研究CA PP 系统刀具选择的问题, 即以一定的决策规则, 并根据相应的逻辑推理来选择刀具。所选刀具不仅要具有需要的加工能力, 而且应是一定优化目标下的最优刀具。因此刀具选择实际上是一个复杂的优化过程。在基于数控加工的CA PP 系统中, 刀具优化选择模块的研究对于整个系统性能优劣与否起着非常重要的作用。
2　工序设计与刀具生成
在机械加工工艺制定过程中, 工序设计是其核心内容。工序是工艺过程最重要的一种步骤划分的结果。操作者、加工设备(机床、刀具等)、工件这三者任一发生改变都将成为另一道工序。工序设计通常包括以下内容: 工序决策、工艺尺寸确定、机床和刀具选择(加工中心则集中于刀具选择)、切削用量的确定及工序图的生成和绘制。工序设计是个非常复杂的过程, 需要考虑的因素很多, 机床、刀具等因素直接影响其加工顺序的合理确定, 进而影响着加工质量、生产率和经济效益的高低。在数控机床上进行加工时, 除遵照工艺排序原则外, 还应根据机床的刀库容量及刀具占用情况、刀具长径比等参数, 严格进行决策, 以便与自动编程系统相连。箱体类零件在加工中心上完成其加工过程时,CA PP 系统根据零件加工的形面信息, 按照相应的工序排序原则进行工步排序, 并将信息输入刀具生成模块, 刀具生成模块根据刀具信息(刀杆数据、刀柄数据、刀刃数据) , 按照一定的优化选择逻辑选择刀具, 将结果反馈给工序设计模块对工序进行修改, 以便从全局上得到一个最优解。同时刀具生成模块按最优解向NC 加工指令生成模块输出刀位文件, 产生适应于该机床的NC 指令系统代码, 生成最终的NC 加工控制指令。刀具生成与CA PP 系统中工步排序的关系可见图1。
3　刀具的优化选择
箱体类零件形状复杂, 按其形状特征因素, 将刀库中的刀具分为5 大类: 平面加工刀具、曲面加工刀具、槽加工刀具、光孔加工刀具和螺纹孔加工刀具。将每类加工刀具建立相应刀具集, 其中孔类刀具按其直径大小再细分相应子集。优选刀具时可根据待加工的形面特征和尺寸选择相应刀具集。在相应刀具集中进行刀具优化选择时, 应确立选刀的目标矩阵并对相应影响因素进行优化分析, 以便制定相应的优化决策方法进行计算机求解。

图1　刀具选择系统与工步排序的关系
(1) 刀具优化选择目标矩阵
刀具优选目标确立的是否合适直接影响到刀具选择和工步排序成功与否。金属切削过程千变万化, 影响因素很多, 因而刀具选择十分复杂。将影响刀具选择的因素归纳起来并建立相应优化选择目标矩阵:
T = (P ,m , c, Pm ,A te)
式中: T ——所选择的刀具;
P ——加工方法;
m ——加工质量;
c——成本;
Pm ——加工效率;
A te——刀具利用率。
(2) 影响因素分析
无论影响因素如何复杂, 在数控机床上进行加工都要求在满足加工质量的前提下, 有最高的加工效率及相对最低的成本。加工质量是加工零件时首先应满足的条件, 加工方法确定后基本均能保证加工质量。但刀具选择时刀具的磨损和加工质量有影响, 故选刀时应检验刀具的磨损情况, 尽量减轻其对加工质量的影响。影响效率的主要因素是时间, 包括换刀时间t1, 切削时间t2 和辅助时间t3。选刀时应尽量减少换刀时间,即满足:m in (G) =t1/t2+ t3影响成本的因素为刀具的材料、精度、磨损和能源消耗, 尤其是在零件高精度、材质高硬度时, 刀具选择时, 在保证所选刀具满足加工质量后, 应使其在一定的切削参数切削时, 刀具寿命尽可能长、刀具价格尽可能低。刀具寿命建立方程如下:m ax (T ) =Kc2/v A+ f BTApCt
式中: T ——刀具寿命;
v ——切削速度;
f ——进给量;
Ap ——切削深度;
c2, K, AT , BT ——在特定刀具、零件和其他试验条件下获得的试验参数。加工中心选择刀具时, 还应考虑刀刃与刀柄、刀杆的配刀原则及相应的联接刚度, 选择时应尽量在满足使用要求的前提下, 使其具有较大的刚度, 可以不用刀杆时尽量不用刀杆。实际情况往往很复杂, 如两孔位于同一轴线上究竟是一头镗还是掉头镗, 还应考虑刀具系统的长径比来决定, 因而应针对具体情况确定选择的重点因素。另外, 刀具选用时还应考虑机床刀库容量、尽量提高刀具利用率原则及刀具损伤的及时检测。因此选择时为提高其成功率通常加以适当的人工干涉。
4　优化选择流程图
优化选择流程图见图2。

图2　刀具优选流程图

5　实　例
以平面上钻直孔为例, 图3 所示为其刀具选择流程图。
6　小　结
总之, CA PP 系统是个复杂的决策过程, 刀具选择是其重要组成部分, 刀具选择的合理与否影响着切削加工的质量、效率和成本, 是机械专业重要的研究方向。本文以优化理论为基础, 建立了刀具优选的理论模型, 并与创成式CA PP 相结合, 为解决这一生产实际问题, 以便在数控加工中更好更快地进行箱体类零件加工生产,提供了理论依据, 具有十分深远的现实意义。
图3　刀具选择流程图

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