模具數控加工中的刀具選擇優化系統
2020-10-10 來源：天津航空機電有限公司工具車間 作者：劉銷斌
摘要：本文分析如何在數控機床加工模具時選擇刀具，研究了刀具選擇系統，幫助加工時做好刀具的選擇。首先研究了刀具選擇的原則，然后根據不同的需要分析系統如何選擇刀具。
關鍵詞：模具；數控加工；刀具；選擇和優化
模具的數控加工當中，如何選擇刀具是一個重要的因素，為了能夠提升加工的效率，就需要對刀具的選擇做好優化。為此，需要明確刀具選擇的原則，并且結合實際需要選擇合適的刀具進行加工。
1、 模具加工刀具的選擇原則
模具加工的要點在于對于模具型腔的加工，在工藝上會配合粗加工、半精加工、精加工的結合，利用數控銑削的加工方法。加工時，需要去掉多余的金屬，所以一般會選擇大尺寸的刀具[1]。但是，并不能盲目增加刀具的尺寸，在刀具尺寸過大的時候，就會讓未加工體積增大，之后的精加工就會難以進行。很多加工工作都需要在精加工之前再進行一次半精加工，除去粗加工留下的臺階。
在進行刀具的選擇時，數控加工刀具會在數控編程和人機交互的情況下進行，所以要結合模具的材料、材料的結構、尺寸、模具的曲率和結構，以及加工的工藝等因素來合理的選擇刀具。平端立銑刀、圓角立銑刀、球頭銑刀和錐度銑刀是銑削加工中的常用刀具，選擇哪種銑刀類型決定于所加工模具的幾何形狀、加工工序和模具的型腔等等。
其次，不同的加工步驟會有不同的工藝需求，所以也會選擇不同刀具[2]。例如為了加工粗加工的加工效率，一般都會選擇大直徑的平頭銑刀。但是精加工的時候，為了保證技工精度，就會選擇圓頭銑刀。
而模具有一定的斜坡時，會使用成型銑刀。不同形狀的刀具在工作時受到的損害也會明顯不同，所以不同類型的刀具的使用壽命都不一樣，在銑削的工作當中，對銑刀的磨損都是在后刀面上，所以在選擇刀具的時候要檢查刀具的磨損情況，并且加工的時候增加較大的后角以便能夠降低磨損。
所以，刀具的選擇首先需要考慮刀具是否能夠符合加工的實際要求，并且可以進行調整，以便獲得更高的加工精度，并且保證刀具的壽命。為了避免由于整體剛度不足導致加工精度降低，就需要縮短刀柄，讓結構的整體剛性太高。
2、 計算機輔助刀具的選擇系統
計算機輔助刀具選擇系統簡稱為 CATS 系統，該系統能夠結合模具的幾何形狀來選擇合適的刀具，實際工作中，會給用戶一些刀具選擇建議，讓用戶能夠快速地選擇最合適的刀具，提高加工的水平和效益。
2.1 CATS 系統的基本結構
系統在選擇刀具的時候，會利用 CAD 圖紙來進行分析，通過向系統束縛 CAD 模型，系統能夠對刀具的規格、主軸轉速、刀具類型的選擇、加工時間等參數進行分析[3]。之后，會形成對刀具選擇的建議，包括粗加工、半精加工和精加工三個不同階段對刀具的選擇。
模具的生產工作中，粗加工工作會占據加工的絕大多數時間，所以能夠對粗加工的刀具選擇做好優化，能夠讓加工系統獲得極高加工效率。此，系統可以根據需要來進行刀具類型的選擇，并且合理選擇刀具的尺寸，并且控制加工的時間。每次決策之后的結果也會保留在數據庫當中，以知識的形式幫助后續的使用。
2.2 粗加工刀具的組合的優化
型腔的粗加工就是要去掉多余的金屬，在這個階段一般都會選擇平頭銑刀，加工的時候一般采用層切的方法，所以針對模具的三維加工，就變成了 2.5D 技工。在進行刀具組合的優化時，就要立足于 2.5D 加工的需求對來尋找刀具的組合，拖過合理的優化找到最合適的方法，提高削切的效率。
為此，首先需要根據一定長度來對確定進刀方向，搜索面會和型腔的實體相交，這樣才能夠形成搜索層，然后根據搜索層進行輪廓的計算。加工過程中會有大量的內外環，必須要計算好內外環之間的距離，并且做好對刀具的幾何約束。之后，對搜索層進行合并，并且確定加工平面可以使用的刀具，從而確定最后的加工層。每一層可能會使用不同的刀具，這樣就完成餓了刀具的組合。
根據加工參數和刀具的參數來對銑削速度和進給速度進行計算，并且獲得粗加工之后材料的去除率。為了進一步優化，需要計算整個加工過程需要的整體時間，并且精確計算每個加工層需要的時間，并且獲得加工之后模具的殘余體積。實際加工工作當中，可能并不會直接獲得最合理的刀具組合，所以往往需要進行多次刀具組合的選擇，才能夠獲得最合理的組合方法。
2.3 刀具類型的選擇
由于模具的形狀很多，尤其是一些模具會有十分復雜的幾何形狀，在選擇刀具的時候，需要根據模型數控加工實踐經驗先縮小選擇的范圍，系統在構建的時候，需要進行調查，通過問卷獲取工人的經驗。通常會選擇平頭銑刀、圓角銑刀和球頭銑刀三種類型。何選擇刀具的類型和數控機床的加工工序和模具型腔的幾何形狀有很大關系。
例如粗加工中選擇平頭銑刀就是為了提高加工效率，而進入精加工的時候，利用平頭銑刀能夠保證將的質量。除了形狀，還可以根據刀具的形式分為整體式和鑲片式。如使用鑲片式的刀具，在選擇刀具的時候要點在于針對刀具材質的選擇，為此，必須要充分研究被加工模具的材料、機床的穩定性，并且要分析懸臂的工作狀態是否和刀具的材質相匹配[5]。為此，系統需要將機床的夾具穩定性進行分級，分為穩定、不太穩定和不穩定三種；針對不同材質的金屬，也根據金屬的特性進行參數化的表示。然后在加工時，根據所加工模具的形狀，選擇相應的鑲片式刀具。
2.4 感覺模具的結構選擇刀具
模具是決定刀具選擇的重要因素，為此，刀具的選擇需要和模具的尺寸和結構相匹配。汽車是的沖壓模具一般尺寸都比較小，但是注塑模具的尺寸相對很小。模具的內部結構相對比較復雜，擁有多個不同的曲面，所以在加工的時候，必須要使用不同的刀具以適應不同的加工要求。如果刀具的尺寸很小，就意味著加工路徑會非常長，這樣加工的效率會明顯降低，而且對刀具的磨損也會非常嚴重。
為此，無論是進行粗加工還是細加工，都需要選擇大尺寸的刀具，但前提是要能夠保證加工的質量。為此，在進行平面零件周邊輪廓加工的時候，可以選擇立銑刀，之后對平面進行銑削的時候，要利用硬質合金刀片銑刀，在對凹槽加工的時候選擇高速銑刀。
2.5 根據模具的曲面選擇刀具
在對模具進行曲面加工的時候，有些模具的表面曲率變化會很大，如果使用球頭銑刀，由于其尖補并沒有銑削速度，為了保證加工的精度，一般都會設計很密集的銑削距離，以便實現精加工的需要。但是，如果曲率比較大的時候，半精加工和精加工的工作余量會非常大，尤其是在模具的棱角處往往會有巨大的切削負荷，就會導致刀具出現損壞[6]。
所以，在進行刀具的選擇之前，需要是首先分析模具曲面的復雜程度，如果發現曲率的變化很多，存在很多曲率不同的曲面，系統就需要選擇大直徑的平頭銑刀或者圓角銑刀。對于圓角處的加工工作，可以選擇鈑金小于拐角處圓角直徑的銑刀，并且根據彌補圓弧的策略進行加工。
3、結束語
模具的加工工作需要合理的進行刀具的選擇，通過計算機進行分析能夠在短時間之內了解模具的特點，從而選擇出最合適的刀具。系統的設計首先需要充分利用工人的經驗，并且分析模具的幾何特點，然后進行效率的分析，以便能夠做好刀具的選擇。
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