模具数控加工中的刀具选择优化系统
2020-10-10 来源：天津航空机电有限公司工具车间 作者：刘销斌
摘要：本文分析如何在数控机床加工模具时选择刀具，研究了刀具选择系统，帮助加工时做好刀具的选择。首先研究了刀具选择的原则，然后根据不同的需要分析系统如何选择刀具。
关键词：模具；数控加工；刀具；选择和优化
模具的数控加工当中，如何选择刀具是一个重要的因素，为了能够提升加工的效率，就需要对刀具的选择做好优化。为此，需要明确刀具选择的原则，并且结合实际需要选择合适的刀具进行加工。
1、 模具加工刀具的选择原则
模具加工的要点在于对于模具型腔的加工，在工艺上会配合粗加工、半精加工、精加工的结合，利用数控铣削的加工方法。加工时，需要去掉多余的金属，所以一般会选择大尺寸的刀具[1]。但是，并不能盲目增加刀具的尺寸，在刀具尺寸过大的时候，就会让未加工体积增大，之后的精加工就会难以进行。很多加工工作都需要在精加工之前再进行一次半精加工，除去粗加工留下的台阶。
在进行刀具的选择时，数控加工刀具会在数控编程和人机交互的情况下进行，所以要结合模具的材料、材料的结构、尺寸、模具的曲率和结构，以及加工的工艺等因素来合理的选择刀具。平端立铣刀、圆角立铣刀、球头铣刀和锥度铣刀是铣削加工中的常用刀具，选择哪种铣刀类型决定于所加工模具的几何形状、加工工序和模具的型腔等等。
其次，不同的加工步骤会有不同的工艺需求，所以也会选择不同刀具[2]。例如为了加工粗加工的加工效率，一般都会选择大直径的平头铣刀。但是精加工的时候，为了保证技工精度，就会选择圆头铣刀。
而模具有一定的斜坡时，会使用成型铣刀。不同形状的刀具在工作时受到的损害也会明显不同，所以不同类型的刀具的使用寿命都不一样，在铣削的工作当中，对铣刀的磨损都是在后刀面上，所以在选择刀具的时候要检查刀具的磨损情况，并且加工的时候增加较大的后角以便能够降低磨损。
所以，刀具的选择首先需要考虑刀具是否能够符合加工的实际要求，并且可以进行调整，以便获得更高的加工精度，并且保证刀具的寿命。为了避免由于整体刚度不足导致加工精度降低，就需要缩短刀柄，让结构的整体刚性太高。
2、 计算机辅助刀具的选择系统
计算机辅助刀具选择系统简称为 CATS 系统，该系统能够结合模具的几何形状来选择合适的刀具，实际工作中，会给用户一些刀具选择建议，让用户能够快速地选择最合适的刀具，提高加工的水平和效益。
2.1 CATS 系统的基本结构
系统在选择刀具的时候，会利用 CAD 图纸来进行分析，通过向系统束缚 CAD 模型，系统能够对刀具的规格、主轴转速、刀具类型的选择、加工时间等参数进行分析[3]。之后，会形成对刀具选择的建议，包括粗加工、半精加工和精加工三个不同阶段对刀具的选择。
模具的生产工作中，粗加工工作会占据加工的绝大多数时间，所以能够对粗加工的刀具选择做好优化，能够让加工系统获得极高加工效率。此，系统可以根据需要来进行刀具类型的选择，并且合理选择刀具的尺寸，并且控制加工的时间。每次决策之后的结果也会保留在数据库当中，以知识的形式帮助后续的使用。
2.2 粗加工刀具的组合的优化
型腔的粗加工就是要去掉多余的金属，在这个阶段一般都会选择平头铣刀，加工的时候一般采用层切的方法，所以针对模具的三维加工，就变成了 2.5D 技工。在进行刀具组合的优化时，就要立足于 2.5D 加工的需求对来寻找刀具的组合，拖过合理的优化找到最合适的方法，提高削切的效率。
为此，首先需要根据一定长度来对确定进刀方向，搜索面会和型腔的实体相交，这样才能够形成搜索层，然后根据搜索层进行轮廓的计算。加工过程中会有大量的内外环，必须要计算好内外环之间的距离，并且做好对刀具的几何约束。之后，对搜索层进行合并，并且确定加工平面可以使用的刀具，从而确定最后的加工层。每一层可能会使用不同的刀具，这样就完成饿了刀具的组合。
根据加工参数和刀具的参数来对铣削速度和进给速度进行计算，并且获得粗加工之后材料的去除率。为了进一步优化，需要计算整个加工过程需要的整体时间，并且精确计算每个加工层需要的时间，并且获得加工之后模具的残余体积。实际加工工作当中，可能并不会直接获得最合理的刀具组合，所以往往需要进行多次刀具组合的选择，才能够获得最合理的组合方法。
2.3 刀具类型的选择
由于模具的形状很多，尤其是一些模具会有十分复杂的几何形状，在选择刀具的时候，需要根据模型数控加工实践经验先缩小选择的范围，系统在构建的时候，需要进行调查，通过问卷获取工人的经验。通常会选择平头铣刀、圆角铣刀和球头铣刀三种类型。何选择刀具的类型和数控机床的加工工序和模具型腔的几何形状有很大关系。
例如粗加工中选择平头铣刀就是为了提高加工效率，而进入精加工的时候，利用平头铣刀能够保证将的质量。除了形状，还可以根据刀具的形式分为整体式和镶片式。如使用镶片式的刀具，在选择刀具的时候要点在于针对刀具材质的选择，为此，必须要充分研究被加工模具的材料、机床的稳定性，并且要分析悬臂的工作状态是否和刀具的材质相匹配[5]。为此，系统需要将机床的夹具稳定性进行分级，分为稳定、不太稳定和不稳定三种；针对不同材质的金属，也根据金属的特性进行参数化的表示。然后在加工时，根据所加工模具的形状，选择相应的镶片式刀具。
2.4 感觉模具的结构选择刀具
模具是决定刀具选择的重要因素，为此，刀具的选择需要和模具的尺寸和结构相匹配。汽车是的冲压模具一般尺寸都比较小，但是注塑模具的尺寸相对很小。模具的内部结构相对比较复杂，拥有多个不同的曲面，所以在加工的时候，必须要使用不同的刀具以适应不同的加工要求。如果刀具的尺寸很小，就意味着加工路径会非常长，这样加工的效率会明显降低，而且对刀具的磨损也会非常严重。
为此，无论是进行粗加工还是细加工，都需要选择大尺寸的刀具，但前提是要能够保证加工的质量。为此，在进行平面零件周边轮廓加工的时候，可以选择立铣刀，之后对平面进行铣削的时候，要利用硬质合金刀片铣刀，在对凹槽加工的时候选择高速铣刀。
2.5 根据模具的曲面选择刀具
在对模具进行曲面加工的时候，有些模具的表面曲率变化会很大，如果使用球头铣刀，由于其尖补并没有铣削速度，为了保证加工的精度，一般都会设计很密集的铣削距离，以便实现精加工的需要。但是，如果曲率比较大的时候，半精加工和精加工的工作余量会非常大，尤其是在模具的棱角处往往会有巨大的切削负荷，就会导致刀具出现损坏[6]。
所以，在进行刀具的选择之前，需要是首先分析模具曲面的复杂程度，如果发现曲率的变化很多，存在很多曲率不同的曲面，系统就需要选择大直径的平头铣刀或者圆角铣刀。对于圆角处的加工工作，可以选择钣金小于拐角处圆角直径的铣刀，并且根据弥补圆弧的策略进行加工。
3、结束语
模具的加工工作需要合理的进行刀具的选择，通过计算机进行分析能够在短时间之内了解模具的特点，从而选择出最合适的刀具。系统的设计首先需要充分利用工人的经验，并且分析模具的几何特点，然后进行效率的分析，以便能够做好刀具的选择。
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