基于车削加工特征的刀具选择

  

   1、引言

  

 

  

    现代制造技术的发展及数控加工设备的广泛使用，极大地推动了切削技术的进步。随着生产加工过程数控化和自动化的需要，对金属切削刀具提出了高可靠度、高精度、长寿命、快速转位更换、断屑良好等更高要求。自80年代以来，可转位不重磨刀具已被各国广泛应用，但是可转位不重磨刀片及刀具CAD/CAM技术的应用和发展，使刀具结构设计及切削部分的形状种类变得十分繁多，给机械加工和刀具设计人员合理选择刀具带来一定困难。同时，刀片型号的增加也给刀片采购和销售带来不便，为用户快速、高效及正确选择刀具增加困难。为使企业对市场需求迅速做出响应，在切削加工中，快速高效选择刀具成为切削加工系统的客观需求。根据不同加工特征，自动选择所需刀具对实现高度自动化切削加工或无人加工具有十分重要的意义。

  

 

  

    2、可转位车刀结构

  

 

  

    可转位车刀为广泛使用的机夹式刀具。它的几何参数完全由刀片和刀槽来保证，不受工人技术水平的影响，因此切削性能稳定，适合现代化大批量生产使用。以ISO标准为例，可转位车刀由10个特征代号组成，其号位顺序见表1。

  

  

    1号位表示车刀刀片的夹紧方式（P表示杠杆偏心式夹紧）；2号位表示车刀刀片形状（T表示正三角形刀片）；3号位表示车刀头部形状（G表示90°偏头外圆车刀）；4号位表示车刀刀片法后角（N表示其法后角为0°）；5号位表示车刀的切削方向（R表示右切）；6号位表示车刀的刀尖高度（20表示车刀刀尖高度为20mm）；7号位表示车刀的刀杆宽度（20表示车刀刀杆宽度为20mm）；8号位表示车刀的长度（K表示车刀长度为125mm）； 表示车刀刀片的边长（16表示车刀刀片边长为16.5mm）；10号位表示不同测量基准的精密级车刀（Q表示以车刀的外侧面和后端面为测量基准的精密级车刀）。

  

 

  

    3、基于加工特征的车刀选择原则及方法

  

 

  

   （1） 车刀选择原则

  

 

  

    加工特征是指零件加工过程中与该加工工序相关的加工信息集成。如外圆车削特征可包括起始直径（加工前的零件直径）、最小完成直径（零件加工后允许的最小直径）、最大完成直径（零件加工完后允许的最大直径）、加工长度、刀尖圆弧半径及工件刚度等特征参数，如图1所示。

  

  

 

  

    从图1可以看出，加工特征能比较准确地描述工件的加工要求，而这些要求是选定机床、夹具、刀具及其工艺参数的前提。由于每种加工特征都需输入多个特征参数，为使刀具选择变得简捷方便，这里只对各种加工特征进行定性描述。根据起始直径和零件加工完成直径值将车削加工分为粗加工（半精加工）和精加工两类，根据零件刚度将其分为刚度高和刚度低两类。综合上述要求，将外圆车削加工分为以下四种加工特征：①车削外圆（粗切或半精切，刚度高）；②车削外圆（粗切或半精切，刚度低）；③车削外圆（精切或半精切，刚度高）；④车削外圆（精切或半精切，刚度低）。

  

 

  

    根据上述定性描述的加工特征来选择刀具。例如，加工特征为车削外圆（粗切或半精切，刚度高）时，因粗加工或半精加工主要是切除多余金属，切削力较大，故应选择稳固的刀片夹紧方式，刀尖角尽可能选择大一些，以增加刀尖强度。由于减小主偏角会导致径向分力Fy增大，当工艺系统的刚度较强时，可适当减小刀具主偏角。小的刀具主偏角能够增加参与切削的切削刃长度，减少单位长度切削刃的负荷，从而提高刀具的使用寿命。

  

 

  

    通过上述分析及实际生产调研，我们确定了9种车削加工特征。这9种车削加工特征与刀具代号的对应关系初步确定见表2。

  

  

 

  

   （2） 刀具选择方法

  

 

  

    根据用户选择的夹紧方式确定刀具的第一号位，再根据第一号位进行第一次选择，将符合所选夹紧方式的刀具全部选出来，程序将在此次筛选的基础上确定第二、三、四位的代号。当用户选择了加工特征后，根据表中的选择原则，对二、三、四位的相同号位进行“或”运算，不同号位进行“和”运算，从而确定刀具的前四位代号?这样就可根据所确定的刀具代号从刀具数据库中选择出符合加工特征要求的刀具。

  

 

  

    4、车刀选择系统的实现

  

 

  

   （1）基础理论及关键技术

  

 

  

    系统的实现采用面向对象的Visual C++编程语言，发挥了Windows编程的强大功能和知识获取方面的潜力。系统的推理机制采用正向推理，由人机接口接受用户输入的信息，以此为初始前提向知识库和数据库提出请求，激发相应的专家知识和经验，交由推理机进行推理，如果产生合适的结果，将结果传给优化模块进行优化，用户界面所显示结果为最终的优化结果。

  

 

  

   （2）功能简介与系统实现

  

 

  

    用户根据加工方法和加工特征选取合适的项目，可触发程序知识库中的特定规则，这些规则包含了大量的专家经验，由此进行正向推理。考虑到用户的选择余地，给出满足用户条件的一系列刀具牌号，并辅以适当的条目解释，用户可根据自己的需求选择适当的刀具。与各种刀具型号相关的详细信息存储在程序刀具库中，用户选定一种刀具的同时也可触发数据库中的相关规则，并为下一步的推理准备前提条件。

  

 

  

   （3）运用实例

  

 

  

    用户首先在优化主界面选择车床型号、刀具夹固形式和工件加工特征，刀具选择模块可根据用户所选择的刀具夹固形式，从刀具数据库中寻找符合条件的所有刀具代号。例如，选刀片夹固形式为P，系统根据用户所选择的工件加工特征，从已选好的符合用户所选夹固形式的刀具代号中再选取符合工件加工特征的刀具代号，最后系统将从刀具数据库中选取符合条件的所有刀具代号，并列入刀具选择模块的刀具选择对话框的列表框中，如图3a所示。当用户在该对话框的列表框中选取最佳刀具代号后，在其右侧会出现刀具代号的解释，如图3b所示。在主界面中可以通过工具菜单下的刀具解释器来了解刀具型号的详细信息。

  

 

  

    由此，基于加工特征的刀具选择模块已初步建立起来，在此基础上可以根据各厂的实际生产需要对专家知识库进行完善。同时，刀具选择模块的建立为数控加工工艺参数优化专家系统的建立准备了前提条件。

  

 

  

    5、结语

  

 

  

    针对现代机械加工中切削刀具种类的复杂繁多，为实现刀具牌号的快速自动查询，设计建立了基于加工特征的刀具选择系统。它可对目前切削加工中经常出现的各种特征进行分析，优化总结出几种适合普通生产需求的基本特征，并对不同加工特征制定出相应的推理规则，根据用户所选刀具的不同加工特征，触发相应的推理规则，从而选择出加工所需的刀具。

  

 

  

    刀具选择系统的建立实现了在切削加工中对刀具进行快速选择，减少人工查询操作，节约了劳动时间，提高了生产效率。