KBE技术在成形刀具设计制造中的应用

lshvictor · 发表于 2007-8-23 08:34:25

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引言成形刀具设计是一种以零件加工为目标的思维决策过程。该过程需要大量的领域知识和很强的求解问题技巧，专家的经验知识在其中将起关键性作用。成形刀具设计是经验知识的应用过程。其不仅是参考经验知识辅助设计的过程，更是在现有经验知识基础上进行创新的过程。将KBE技术引入成形刀具设计领域适应了这一发展趋势。 1 KBE技术

KBE的定义与内涵 基于知识的工程KBE(knowledge based engineering)，是面向现代设计要求而产生发展的新型智能设计方法和设计决策自动化的重要工具，已成为促进工程设计智能化的重要途径。比较通用的定义是： KBE是通过知识驱动和繁衍，对工程问题提供最佳解决方案的计算机集成处理技术，是领域专家知识的集成、继承、创新和管理，是CAX技术与AI技术的集成。其特点在于： KBE是一个知识的处理过程，包含了知识的继承、繁衍、集成和管理，不仅是处理知识，更关注Know how等隐性知识的显形化；是处理多领域知识和多种描述形式的知识；是一个面向整个设计过程的开放的体系结构；是多领域、多学科的知识范畴。# _" G& O6 R) n' M* L3 V1 _$ E% S
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图1 KBE系统的组织结构
KBE系统的组织结构 KBE系统组织结构如图1所示。用户在进行产品设计开发时，通过图形化用户界面与系统进行通讯。通过集成平台，将CAD/CAM/CAE与AI集成结合起来，实现设计、分析与智能技术的结合。

2 成形刀具设计制造中的KBE技术成形刀具包括成形车刀、成形铣刀和成形齿轮刀具等。复杂型面成形法加工中成形刀具的精度直接决定了加工零件的精度，其设计过程如图2所示。 http://www.98jx.com/UploadPic/2007822/2007822202442698.gif
图2 设计过程 复杂型面的成形刀具的设计是一项复杂烦琐的工作，尤其是廓形设计，需要反复修正才能克服近似设计所造成的廓形精度误差。考虑到制造刀具和加工零件过程中机床、工件和刀具等各种因素的影响，要保证零件的廓形精度，成形刀具廓形的设计是非常关键的，是集知识、经验决策于一体的过程。知识工程基于特定领域内的大量知识并通过符号模型推理可实现相应领域复杂问题的专家级水平的解决。将KBE技术引入到成形刀具的设计领域将会极大地提高刀具的设计水平。 KBE刀具设计系统主要是KBE技术在刀具设计制造领域的实施，它以AutoCAD、Windows操作系统作为协作平台，其功能主要取决于其集成技术和各项单元技术，KBE关键技术包括知识建模、知识表示和推理、知识获取和繁衍、知识管理和集成。设计知识库系统是一种用户/服务器机制，是通过客户和知识库系统的数据交换机制来实现知识的获取。知识库是开放的，用户可以扩充，即设计制品知识库中知识都是按照一定的规则和标准来定义和描述，并采用面向对象的设计表示，任何用户都可以利用知识库中提供的知识，同时也可以按照标准将自己的特有的知识定义，形成自己的知识子库。以下以某大型企业60kW机组的菌形叶根成形铣刀为例，说明一个基于AutoCAD平台开发的智能成形铣刀设计KBE系统。

KBE刀具推理设计子系统 推理系统是人类进行问题求解的主要思维方法，智能系统的推理主要是通过推理机制完成的。推理机制的基本任务就是在一定的控制策略指导下搜索知识库中可以利用的知识，与数据库相匹配。搜索和匹配是推理机制的两大基本任务。推理机制应满足的基本要求是：高效率搜索和匹配机制；可控制性；可观测性；启发性。
KBE刀具设计知识库 主要包括设计过程中的各种工艺知识，几何参数的选取、数学模型的建立以及在加工前的准备工作、设计的实例等。一般采取面向对象的方式建立，集成各种知识表示模式。
KBE刀具智能绘图子系统 智能绘图就是根据现有的1幅图形，改变其尺寸数值，自动生成形状相同而大小不同的另1幅新图。新图的生成可通过修改原图形数据库中的数据来实现。
KBE刀具基本图形库 主要包括一些绘图所用的基本的信息，如一些点、线和面的子程序以及一些常用的各种刀具的基本的二维、三维几何图形。
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图3 刀具设计加工的KBE系统总体框架
KBE刀具加工子系统 刀具的加工阶段包括加工、检测和修正3个阶段。加工完的刀具廓形经过投影仪检测后再修改设计，对廓形进行最后的修正。刀具设计的KBE系统总体框架如图3所示。

3 结束语KBE设计系统是一个新兴的智能设计系统，其系统开发在我国尚处于起步阶段，更多关键技术的研究还需要深入。随着KBE技术在工程设计中的不断应用，将对我国工程领域中设计方法的改变，设计制造质量和效率的提高起到推动作用。

lshvictor · 发表于 2007-8-23 08:40:50

可变螺旋角铣刀的特点
刀具制造商谈可变螺旋角铣刀的特点与优势

当演奏音乐时，乐器谐振形成愉悦、和谐的泛音常令人陶醉；但在金属切削过程中，谐振产生的具有衍生能力的振动和震颤，却导致零件表面加工质量降低、返修，甚至可能使工件报废。

借助几何尺寸可变的立铣刀，能够减少这种震颤。尽管这类刀具常常被称为“可变螺旋角刀具”，但已是一种更广义的概念。

可变螺旋立铣刀有两种基本的设计，一种设计的特点是不相等(或不同)的螺旋角沿每一切削刃长度是相同的,而另一种设计是沿着切削刃的长度，其螺旋角是广泛可调的。例如，一把刀具前刀面的螺旋角是30°，中间某点的角度是37.5°，而后刀面的螺旋角可达到45°。螺旋角也同样可以从37°开始变化到30°。“在切削过程中，刀具会受到阻尼的影响，这是由于立铣刀在以不同角度沿同一螺旋线进行切削。”Benchmark硬质合金公司总裁Paul St. Louis解释道。

Melin工具公司车间主任Bob Srail先生补充说，只要工具制造商生产的刀具和工具磨床能够加工，铣刀的螺旋角就能在较大的范围内变化。“大多数机床都能够胜任对任何螺旋角的磨削”。
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这两种立铣刀都有不相同的螺旋槽间距(或不同的齿距)，因此能够产生一个不同相位(异相)的切削运动从而阻止谐振的产生。例如，一把4槽立铣刀(或可变位的立铣刀)的齿距，在第1、2凹槽间为89°，2、3凹槽间为91°，以此类推，最终加起来等于360°。

“通常当用一把普通立铣刀加工时，会产生持续不断的谐波振动，这是以铣刀螺旋角相同、切削刃平均分配为前提的。”SGS工具公司执行副总裁Jeff Burton先生指出，“任何可以干扰谐波的行为都能减低由此而产生的震颤。”SGS工具公司声称，通过将谐波振动最小化，Z-Carb整体硬质合金立铣刀(外形不变但螺旋角可变)可使材料切除率最大化。

在Niagara刀具公司技术主管Dennis Noland先生看来，N Y基础公司开发的正在申请专利的旋转刀具能使情况得到改善。该设计通过对刀具产生的声音模式的特别选择，对“可变立铣刀”的概念进行了改进。不仅改变了排屑槽间的分度和螺旋线，同时也改变了前刀面倾角和退刀槽。因此，每个槽的切削刃都与其它的不同，每个槽的导程也不相同。“一般而言，对于一套给定几何尺寸的立铣刀，当你从各个方向观察时，其螺旋角的变化不能超过5°的范围,否则将会产生稳定性方面的问题。”由此而来的结果是一把刀具的各个切削刃在与工件表面接触并沿工件表面移动时，都会产生清晰的声音模式。“由于切削刃会产生不同的声音模式，因此发生谐振的潜在危险可能就被忽略了。”尽管Niagara公司的可变螺旋角立铣刀沿每一条切削刃都有相同的几何特征，但对每条切削刃而言，仍可能产生前角、退刀槽、螺旋线、甚至从前刀面到后刀面的完全改变。在用这种铣刀加工工件时，刀具将不断改变其声音模式，“对此，我们尚未完成研究，”他说，“这涉及到大量很复杂的试验操作程序。”在加工高温、高强度合金材料时，Niagara刀具公司的Stabilizer HT立铣刀不同的齿距、前角、退刀槽、螺旋线可以有效地减轻加工中的振颤。

VRK公司正在申请专利的Silent Pitch 3槽、4槽和5槽立铣刀具有偏置的槽型及可变螺旋角，并且每把立铣刀只有两条相同的螺旋线。可变的几何尺寸使立铣刀能“几乎无振颤地切削，并且以几乎接近粗加工的速度来完成精加工。”

3-D模拟软件

如果不是磨床3-D模拟软件的出现，要改变立铣刀的螺旋角是不可能的。在刃磨这种立铣刀时，如果不借助模拟装置，就会损坏数以百计的刀具和大量的砂轮。这种能使很多设计变化在几分钟内完成的模拟装置还能使更多的工作在办公室里完成，而不用把时间耗费在生产车间。过去磨一把直径1/2″的立铣刀需耗时15min，而现在通过模拟装置只需2～3min。

但模拟软件及可以磨削可变螺旋角铣刀的磨床会导致这类刀具的很多终端用户无法修磨现有的旧铣刀。而把刀具寄回给制造商进行重锐同样也不是办法。对此，Jeff Davis（Harvey工具公司技术副总）说：“我们公司并不是一个真正意义上的刀具修磨厂商。我们的刀具价格足够低，具有相当竞争力，因此与旧刀重锐相比，买一把新刀具也许是更好的选择。”

与此相反，Kennametal公司立铣刀和硬质合金旋转刀具产品市场部经理Steve Abrams先生认为：数量庞大的终端用户期望在立铣刀磨损后能够进行重锐。而Kennametal公司Vari Mill铣刀的终端用户可以在自已公司或当地的刀具修磨服务中心进行铣刀的重锐和再涂层，同样可以达到新刀的效果。他解释说，Vari Mill立铣刀并不具有可变的或者不同的螺旋角，而是具有偏置的排屑槽以及沿排屑槽长度上不变的前角来阻止谐振的产生，也就是使一个4槽立铣刀像两个独立的2槽立铣刀那样工作。

粗加工时间

随着震颤的消失，螺旋角可变的立铣刀能够实现很高的材料去除率。Niagara公司的Noland认为，“在某些情况下，通过排除谐振产生的可能性，完全可以让切削深度增加2倍、3倍甚至4倍。比如，可以在长度为600mm以上的4340钢材表面加工2mm深的细槽。”

SGS的Burton说：尽管这种立铣刀同样适用于精加工，但粗加工是人们通常认为最显著、最有效的加工工序，因为粗加工工序可以增加材料去除率。在很多情况下，你能够增加切削深度、切削宽度以及进给量。当没有受到有害振颤的影响时，你可以加大上述参数，更强有力的进给刀具。此时，由于可变立铣刀避免了沿工件表面的跳动，因此它能使精加工质量与采用标准立铣刀进行一次微小进给精铣时的效果相同甚至更好。“你经常可以见到未经精加工的工件达到令人满意的表面质量。”Burton这样评价可变立铣刀的加工效果。“即使最终还是需要精铣，采用可变立铣刀也可以增加粗加工工序的切削量，从而提高加工效率。”

相反，如果一个终端用户只需要进行小进给切削，那么可变立铣刀通常并不是最好的选择。因为它在加工中无法发挥能在高切削载荷下切削的优势。Benchmark硬质合金公司的St Louis先生说：“对只做小进给精加工的用户，我建议他们最好不用可变立铣刀而采用所能找到的最便宜的刀具；如果只是将可变立铣刀用来加工坯料的硬皮，那么它将无法发挥它在加工中减少振颤的优势。”

机械问题

由于可变螺旋角立铣刀的成本比标准立铣刀高20%～25%，因此并不适合广泛用于各种机床。Melin工具公司的Srail先生认为，“铣刀的使用取决于设备的类型。在旧的Bridgepots机床上使用可变螺旋角立铣刀，在经济上当然是不划算的。”

为了更有效地使用可变螺旋角立铣刀，理想的机床需至少拥有一个40°锥度的主轴，使用30°锥度的主轴将会产生很多偏差，但是也可以用，只是使用时需降低进给量。
Noland先生说：“一台功率为15～20hp、主轴锥度为40°、最大速度可达10000rpm、安装直径1/2″（或更小）可变螺旋角立铣刀的机床，其生产率将大幅提高。甚至在老型Bridgepot机床上，使用可变螺旋角立铣刀其效率也能成倍提高。”

Noland先生强调，不管使用什么机床，当进行重切削时（比如铣削2mm深的细槽时），始终保持刀具冷却是至关重要的。因此，需要高速供给大量的冷却液。一个重要的环节就是要能让冷却液进入切削区，保持切削区的温度足够低，以避免产生材料粘接。一旦发生材料粘接，刀具将很快产生故障并破损。内冷却刀具可作为一项选择，但会增加不少成本。“在我们公司的可变立铣刀设计中尚未采取这种内冷却结构，但这绝对是我们一直关注的方向。”

由于可变螺旋角立铣刀的几何结构，切削时不需要冷却液。其表层通常涂覆TiAlN或AlTiN涂层，这两种涂层刀具都可适用于干式切削和准干式切削。

要使生产率最大化，需要优化加工系统中的每个因素，同样也包括刀具本身。在刀具几何结构决定后，涂层可提供比其它因素更大的优势，刀具涂层和几何结构的完美结合将为用户带来产出的最大化。如再使用高质量硬质合金基体，立铣刀将加工得更深。

lshvictor · 发表于 2007-8-23 08:43:17

手工操作机--机床换刀设备的替代方案
Friedrichshafen市MTU公司的发动机和成套驱动系统，如今完全可以像装在柴油机车上那样装在轨道上，有如装在快速轮渡、大型豪华游艇以及巡逻艇里一样方便。发动机装在机器上，比如装在林业机器和室外清扫机上，它们就能发挥出自己的作用，或者也可以把它们安装在发电设备上。在一家大型加工中心，每天两班用切割工具以单件加工或小批量加工的方式生产大型专用零件和曲轴箱，这些零件被装卡在SK-50型刀具架上，夹有刀具的刀具架有6～25kg重。在紧固工作台和机床主轴之间地方相对狭窄的情况下，将重量大约在8kg以上的刀具用手工夹紧到主轴支架上是相当费力的，这不仅增加了潜在的事故危险，而且毫无碰撞地装上卸下也要求做出更大的努力。

刀具更换少，有利于手工方案

到底是购置一套昂贵的、实际上使用不多的自动化的换刀设备，还是选择手工引导的手工操作机呢？由于二者之间价格相差悬殊，而在一个班次换刀的次数相对较少，因而选择采用手工操作机。用手工操作机装卸刀具虽然是手工引导的，但夹起的刀具在空间运行时实际上是没有重量的。

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图1 图中气动操作机的承重能力达25kg

被选定的Zeilhofer Handhabungstechnik 公司的手工操作机是一种气动工作的转动柱式操作机（图1）。承重柱直接固定在加工中心的地板上。根据任务的不同，手工操作机的承重能力为25kg。回转臂设计得细长，工作范围的半径可以达到4m。加工中心的外壳向上开口，为悬臂提供了必要的运动空间。由于门同样是向上开启的，手工操作机可以从机器间向外运动或者由外面向机器中运动。2个气动汽缸使悬臂可以提升和下降。此外，它们还保证节省压缩空气的消耗。Z轴方向的工作范围为360～1500 mm。

用于固定刀具库的专用车

需要夹紧和卸下的刀具从刀具车上取出，然后再放到刀具车上。Zeilhofer研发并制造了两种这类专用车。专用车一则可在加工机床上用作刀具库使用，再则可在刀具维护时和机器之间用作往返运输的工具。

此外，刀具车的设计还可以放置刀具架，刀具可以夹在刀具架上。刀具架必须能够运送到主轴旁精确定义的位置上。刀具盘板条上的每一个钻孔都有一个弹簧，刀具架必须严丝合缝地插入到支架板条上，使弹簧与刀具架的刻槽正好吻合。这样，每把刀具均按要求定了位，可以准确地夹紧到主轴支架上（图2）。

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图2 特种车床上的刀架板条安装得像梯田一样，可以从侧面取下

为了搬运中既方便又避免碰撞，这种工具车提供了两个前提：第一，刀具支架板条安装成梯田形状；第二，这种支架板条可以从侧面取下。

装有操作元件的手工操作机的导向箍（图3）与抓具安装成45°的角。这种设计保证了无论是在操作刀具车时还是在机床主轴上更换刀具时，操作者都能够有清晰的视线。在将刀具装入机床主轴上时，气动控制装置提供两种可能性，即控制负荷的提升和下降。根据个人爱好的不同，既可用杠杆上下运动荷载，也可利用荷载存储功能。只需按一下按键，即可把拿起荷载的重量存储起来，这样可以把手工操作机引导到荷载旁。

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图3 装有操作元件的导向箍成与抓具安装成45°的角

假如需要将刀具装到空主轴上，而刀具在车上正在排队等待使用，则其过程如下。操作人员把抓具引导到刀具旁，在抓起刀具架时，在操作导向箍左侧和右侧时卡规同时受压，抓具中的一个触点闭合，该触点取消联锁，因而使后面的操作步骤成为可能。提起时自动确定重量。按一下按钮，气动控制装置将荷载的重量存储下来，现在只需很小的力量，即可按照愿望将操纵物向上和向下运动。

这项功能可以把刀具以极高的精度游刃有余而且是毫无碰撞地引导到机床主轴上，并可在相反的方向上同样精确地卸下放到刀具车承接板条的钻孔中。现在，操作人员把工作“没有重量地”从刀具车上引走，回转90°，因为刀具在专用车上是垂直放置的，而主轴是水平安装的（图4）。

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图4 为把刀具引导到主轴上，需将刀具转动90°，由垂直位置转到水平位置

当刀具架的锥形柄插入到机床主轴里时，操作人员将抓具从刀具上松开，这时控制装置立即自动切换到空车状态。这就是说，手工操作机的提升汽缸产生了一个反压，它可以对悬臂的装载质量以及抓单元的空载质量进行补偿。因此，荷载承接单元停留在刚刚行驶到的高度上，而不会迅速向上运动。

根据其他安全规定，设有一个压缩空气存储箱，它负责在压缩空气供气断掉时安全可靠地结束每一个已经开始的操纵过程，并使手工操作机能够安全地返回到排队等待的位置。此外，基本配置还包括过载保险装置。该装置可防止抓起的载荷重量超过允许的承重能力。

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