基于PRO/E的非标刀具参数化设计www.tool-tool.com

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1 引言

PRO/E是美国PTC 公司开发的CAD/CAE/CAM软件。该软件先进的设计理念体现了机械设计自动化(Mechanical Design Automation，MDA)系列软件的最新发展方向，成为提供工业解决方案的有力工具，因而被广泛应用于机械、电子、航空、航天、军工、纺织等行业。

用PRO/E设计的每一实体模型均有对应的主要设计步骤及尺寸参数列表，通过修改此列表即可根据需要对设计内容进行全面修改，而该列表的修改可通过 运行PRO/E中的PROGRAM程序来实现，即通过对PROGRAM程序的二次开发可实现零件的参数化设计。一个(或一类)零件可用一些概念化的特征参 数来表示，通过运行经二次开发的PROGRAM程序即可通过修改零件模型参数来控制零件的结构尺寸。设计列表程序主要包括参数输入、关系定义、零件模型的 所有参考面、几何体及执行声明等部分。

2 非标刀具的设计特点

非标刀具的设计往往需要手工计算和绘图。每当刀具参数或设计要求发生变化时(尽管变化可能很微小)，都必须重新计算和绘图，十分繁琐。虽然各种非标 刀具的参数不尽相同，但每种刀具的结构是基本固定的。以铰刀为例，当刀具尺寸发生变化(如孔径增大)时，铰刀的基本结构并未改变，只是部分尺寸参数发生了 变化。利用这一特点，可在PRO/E 系统中为常见非标刀具中结构相同的刀具建立相应类型的三维实体结构模型(如铰刀类、圆孔拉刀类、花键拉刀类、齿轮滚刀类、蜗轮滚刀类等)，并用参数定义每 种模型的结构尺寸，从而为利用PROGRAM模块进行参数化设计打下基础。建立非标刀具模型库和PROGRAM程序的工作不需由普通设计人员完成，他们只 需根据需要输入各模型定义的相关参数并运行PROGRAM程序，系统就会自动生成相应的非标刀具零件图，从而可大大简化设计工作。

3 非标刀具参数化设计步骤

分析刀具结构，确定特征尺寸

不同种类的非标刀具结构不同，需要分别建立各自的实体模型；对于同一种类但使用场合不同的非标刀具，也需考虑是否分别建立实体模型。建立每类实体模 型之前，需要确定该类刀具的基本结构特征，并将这些特征典型化和概念化，使建立的模型尽量准确地反映此类刀具的基本特征。对于零件上一些不重要或不具有普 遍性的细节(如倒角、退刀槽等)可以省去，以免增大参数化的工作量。最后需要确定各基本特征的尺寸。由于PRO/PROGRAM程序不仅可实现尺寸的驱动 变化(即一个尺寸变化时，通过关系式会引起相关尺寸变化)，还可实现结构形状的局部变化(如齿数的变化、螺旋槽角度的变化等)，因此只有在分析各类非标刀 具的结构特征后才能具体确定应建立何种实体模型、每类模型应建立哪些形状特征等。

创建实体模型

零件的特征主要通过参数和几何约束关系来相互关联。尺寸之间的关系分为两种：①自定义的各种外部参数与零件被约束尺寸之间的关系；②模型内部特征之 间的内部约束关系，即零件几何元素之间的约束关系(如平行、垂直、相切、同心等)。由于在创建实体模型时这些几何约束关系被同时创建，因此当模型被修改 时，这些关系自动保持不变。一个特征往往可以有多种创建方法，在设计时必须考虑如何表达该特征与其它特征之间的关系。理想的设计结果必须能准确表达固定的 几何约束关系，且易于修改。设计非标刀具时，应在遵循PRO/E上述要求的前提下创建各类刀具的实体模型。

定义特征参数

建立模型后，PROGRAM设计列表将自动列出模型的所有元素，并按照创建的先后顺序命名为D1，D2，D3……等内部标识尺寸。对于较复杂的模 型，按顺序排列的尺寸往往达数百个甚至更多，因此无法知道每个内部标识尺寸所对应的零件尺寸，这就需要找出两种对应关系：①内部标识尺寸与外部模型上各个 数值之间的对应关系；②内部标识尺寸与将要命名的外部参数之间的关系。这两种关系综合起来即可体现出外部参数与零件上被约束尺寸之间的关系。在对这些参数 命名时，参数名称应力求简单易懂，必要时可在PROGRAM程序中加入简单英文注释。

　　图1 VB程序界面

图2 参数化设计程序框图

图3 刀具三维图形

　　输入特征参数

将已定义好的参数输入零件设计列表的“输入部分”后，在“关系定义部分”定义参数与零件各部分尺寸之间的对应关系以及同一零件不同尺寸间的相互约束 关系(如内径必须小于外径、螺旋角必须在某一范围内变化、齿数可取数值等)。同时，因同一零件的各部分尺寸需协同变化(如铰刀直径增大，其齿数、颈部尺寸 等也会随之变化)，因此也需在此作出明确规定。

修改特征参数

当外部加工条件发生变化时，非标刀具的结构尺寸也应作相应改变以满足新的加工条件。为实现这一要求，只需修改特征参数即可将前述实体模型转换为非标 刀具零件图。修改特征参数的方法可有两种：①根据所附提示选择每项特征参数的名称，逐一修改；②将所有需要修改的参数生成数据文件，以PROGRAM读入 文件方式读入，然后一次性全部修改。第一种方法速度较慢，可在调试程序和输入变量时使用；第二种方法效率较高，当程序编制完成，进入具体实用阶段时可优先 采用。PRO/PROGRAM程序可以支持扩展名为DAT、TXT类型的数据文件，因此可利用WINDOWS 提供的记事本或写字板编写文件，或利用其它语言编制的应用程序来生成文件。但制作这种数据文件时，数据文件的格式必须按照零件设计列表所要求的固定格式编 排，否则会因格式不正确而被PROGRAM程序忽略。

用VB建立透明用户界面

由于PROGRAM程序自动生成的零件列表不支持汉字，因此在命名参数时应尽量简单易懂。但由于零件参数繁多，很难记清参数与模型实体上各部位之间 的对应关系，因此用户要建立满足固定格式要求的数据文件来修改特征参数往往比较困难。为解决这一问题，可将PRO/PROGRAM程序用VB开发的程序界 面包装起来，VB程序界面如图1所示(后续窗口略)。通过VB程序将所有参数概念化，使PRO/PROGRAM程序部分对于用户变得透明起来。在VB程序 界面上可出现以汉字表示的专业术语，并可按照零件特征进行分类编排，所有尺寸均以目录树形式排列，双击某一尺寸名称即可弹出其尺寸缺省值并图示出该尺寸在 零件上的位置。参数修改完成后，VB程序会自动按照PRO/PROGRAM程序所要求的数据文件格式形成数据文件，由在VB界面上设置的接口直接调用 PRO/E，用PROGRAM读入文件功能来调用数据文件，从而实现参数化设计，其程序框图如图2所示。

经上述处理后，PROGRAM程序的界面友好程度得到显著改善；同时，将设计要求与设计过程紧密结合起来，大大简化了设计过程，提高了参数设计的实用性。输出的设计结果可以是三维图形(如图3所示)，也可以是二维图形。

4 结语

利用PRO/E的PROGRAM模块进行二次开发，建立PROGRAM程序来修改实体模型的参数列表，即可获得满足要求的非标刀具模型，避免了每当外部条件改变时均需重新建模的重复繁琐劳动，可大大提高非标刀具的设计、生产效率。

为克服参数化列表尺寸参数过多造成的修改困难，利用VB建立了符合设计者习惯的参数输入界面，在该界面中，各参数已概念化并有相应中文提示。在输入框中填入参数后，VB程序可自动进行计算和转换，然后按固定格式自动生成数据文件，界面友好，操作方便。

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（５）超高硬度エンド・ミル

（６）ダイヤモンド・エンド・ミル

（７）医療用品エンド・ミル設計

（８）自動車部品＆材料加工向けエンド・ミル設計

弊社の製品の供給調達機能は：

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（３）小Ｌｏｔ生産～大量発注対応供給

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Bewise Inc. talaşlı imalat sanayinde en fazla kullanılan ve üç eksende (x,y,z) talaş kaldırabilen freze takımlarından olan Parmak Freze imalatçısıdır. Çok geniş ürün yelpazesine sahip olan firmanın başlıca ürünlerini Karbür Parmak Frezeler, Kalıpçı Frezeleri, Kaba Talaş Frezeleri, Konik Alın Frezeler, Köşe Radyüs Frezeler, İki Ağızlı Kısa ve Uzun Küresel Frezeler, İç Bükey Frezeler vb. şeklinde sıralayabiliriz.

BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт www.tool-tool.com для получения большей информации.

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1Cr18Ni9Ti不锈钢细长孔的钻削攻丝工艺研究www.tool-tool.com

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摘要：1Cr18Ni9Ti属于奥氏体不锈钢难加工材料，存在韧性大、切屑粘附性强、导热性及加工性能差等难题，尤其是细长孔钻削及小直径内螺纹攻丝等 加工极为困难，在这方面普遍存在钻头、丝锥易折断、加工质量差和加工成本高等问题。依据切削理论及长期的实践经验，探索出影响加工质量及加工成本的主要因 素，发现通用类钻头、丝锥在加工不锈钢类材料所具有的局限性。通过改变钻头、丝锥的刀体结构，切削刃的几何参数及合理的工艺方案，在奥氏体不锈钢钻削细长 孔、攻内螺纹加工方面取得了较好的效果。

0 引言

鉴于1Cr18Ni9Ti材料具有优良的耐腐蚀性和韧性，在液气体传输管件中应用日趋广泛，尤其在高压输送酸碱性液体时，多采用该类材料制造阀管 件。这类零件形状复杂、精度要求高、批量大。由于1Cr18Ni9Ti属奥氏体不锈钢类材料，其具有韧性大、高温机械性能好、切屑粘附性强及导热性差，加 工硬化趋强等特性，切削加工性差，尤其小孔的钻削及螺纹的加工更为困难。而采用传统工艺，刀具消耗量大，废品率极高。因此通过反复实践，不断对工艺方案进 行改进，取得了良好的效果。

在该类阀体零件中，有大量的孔直径在Ø8mm以下，孔长在240mm以上，长径比为l/d>30，表面粗糙度为Ra1.2，圆柱度误差为 0.05mm，并有许多小于M6内螺纹。在此类细长孔及小径内螺纹的加工中，如果采用传统工艺方法加工，首先是加长钻头的稳定性差，很难满足技术要求。特 别是排屑困难，极易造成钻头折断，使工件报废；其次是钻头、丝锥磨损加剧，一般加工几个零件就需更新钻头、丝锥，使加工成本上升，加工效率降低。

1 钻孔工艺设计及参数确定

加长钻杆及提高钻头稳定性

由于是深孔加工，需要一些加长钻头，订做这种加长钻头，不仅成本高，而且周期长，在无专用夹具的情况下，对通用标准钻头焊一个加长柄时不易焊正，无 法满足技术要求。为此，设计一套专用夹具，如图1所示，使其焊后变形小。其原理是：利用带有V型夹具座，保证钻头及钻柄的同心度，用螺栓压板将钻头、钻柄 定位夹持进行焊接，采用铜材料钎焊。加长的钻柄尺寸应准确，并使其具有导向作用，以提高钻孔时钻头的稳定。

1.V型槽座 2.钻头、钻柄 3.压板 4.螺栓

图1 焊接钻杆夹具

钻头的几何参数确定

由于1Cr18Ni9Ti属于奥氏体不锈钢难加工材料，按常规几何参数：锋角116°～120°；后角10°～14°；副后角a=0°进行磨制钻头，其耐用度极低，加工质量差等问题非常突出，对切削过程进行分析后，从以下5个方面改变钻头切削部分的几何参数。

改变后角及锋角：通过大量试验证明，后角改变12°～15°较为适宜；锋角135°～140°较为理想。

修磨棱边：将原来副后角a=0°磨成a为3°～5°，并留有一条宽度的刃带棱边。这样不但可保留原棱边的导向作用，并可以减少棱边与孔壁之间的摩擦，从而降低切削热及钻头与工件的"咬死"现象。

开分屑槽：利用钻头刃磨机床磨制分屑槽，其目的是减小切屑宽度，改善切削条件，便于排屑。通过大量的试验，对直径Ø6～12mm的钻头可以开出1～2条分屑槽，分屑槽宽度c为0.05～0.06d；分屑槽深度t为0.04～0.05d，其中d为钻头直径。

修磨横刃：应尽量缩短横刃，降低尖高，修磨横刃处前刀面，使修磨部分的负前角变正前角。切削速度v为8～10m/min；进给量f为0.12～0.20mm/r较适宜。

图2 丝锥剖面示意图

2 对丝锥的改进措施

针对1Cr18Ni9Ti等奥氏体不锈钢的特性，在攻螺纹工序采用W18Cr4V作为刀具材料，并使用具有较小导角Ø，校准部分较短，容屑槽数较多，较大前角g=15°～20°和后角a=8°～12°结构的丝锥。

根据使用情况，该丝锥加工M6以上的螺纹孔可行，但加工M6以下螺纹时易出现攻不进、丝锥"咬死"、易折断等弊病。分析其原因，主要是由于不锈钢的 特点所致，由于丝锥小，开容屑槽后的断面很小，经淬火后基本淬透，硬度高而韧性差，抗扭强度低，容易产生折断现象。通过实验分析，对现有的通用丝锥进行改 进，研制成三棱形丝锥，如图2所示，其具有较大导角Ø，前角g=20°～25°；后角a=8°～10°。该丝锥横截面面积大于同规格尺寸的丝锥，其刚性 好，抗扭强度大，提高了使用寿命，使用后效果良好。

3 选取合适的切削液

对钻头、丝锥折断的原因进行分析后，发现以下因素起主要作用：一是润滑的问题，在加工时积屑瘤产生，粘刀、切屑排出困难，高温润滑性不好；二是冷却 不充分，热量不能及时散发出去。针对上述问题，选择抗粘结和冷却性能好的切削液是最有效的办法。通过大量的实验发现，对切削液的要求有：流动性好；高温润 滑性好。即切削液的流动性好，可使切削液能及时地、连续地流到加工面上去冷却、润滑，减少刀具产生积屑瘤、不粘刀。对此，通过多组配方进行对比实验发现， 采用了高速全损耗系统用油、酒精、二硫化钼3种成分配比的切削液，使用效果较好。其配方为：70#极压工业齿轮油30%，粘度小，流动性好，有低温润滑、 冷却作用；二硫化钼25%，润滑性好，极压剂，在高温、高压下其润滑效果好；酒精45%，粘度小，流动性好，冷却散热效果较好。

4 结语

本工艺的特点是通过不断探索及反复实践，设计出特殊的工艺方案及技术参数，并根据对刀具结构、材料改进及切削加工的实践证明，采取该工艺对其他一些 奥氏体不锈钢材料如1Cr18Ni9Ti、1Gr18Ni9和0Gr18Ni12Mo2的零件进行加工时，该工艺具有很好的适应性，可使加工的综合成本明 显降低。

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柔性制造系统中刀具管理与在线检测技术研究www.tool-tool.com

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摘要：柔性制造系统是在加工自动化的基础上实现物料流和信息流的自动化。在金属切削加工过程中，由于刀具的磨损和破损未能及时发现，将导致切削过程的中 断，引起工件报废或机床损坏，甚至使整个柔性制造系统停止运行，造成很大的经济损失，因而应在柔性制造系统中设置在线检测与监控装置。为此，论述了柔性制 造系统中的刀具管理系统性能和组成，并介绍了一种利用神经网络对柔性制造系统中刀具的检测方法。

关键词：计算机应用；柔性制造系统；理论研究；刀具管理系统；刀具的磨损与破损；神经网络
中图分类号：TP108 文献标识码：B 文章编号：1003─188X(2005)03─0119─02

在柔性制造系统中，被加工零件的品种较多，零件加工工艺比较复杂，且工序高度集中，需要的刀具种类、规格、数量是很多的。随着被加工零件的变化和刀 具磨损、破损，需要定时强制性换刀和随机换刀。系统运行过程中，刀具频繁的在各机床之间、机床与刀库之间进行交换，刀具流的运输、管理和监控是很复杂的。 因此，需要有一个先进、实用、功能完善的刀具管理系统，以实现柔性制造系统中刀具的调度、储存及信息管理等任务。

1 刀具管理系统应具备的性能

刀具管理系统应具备的性能：一是管理数量庞大的刀具，通常是数百把至几千把刀具；二是刀具输送自动化程度高，具有高性能、智能化的机器人作为刀具流 动的传送工具；三是自动、准确地采集刀具信息；四是借助大型数据库实现对刀具的调度及动静态最优化管理；五是自动在线检测刀具寿命及刀具磨损、破损管理， 并能实现在线换刀功能。为此，以某一关键零部件的柔性加工系统中的刀具管理系统为例进行说明。

2 刀具管理系统的组成

该系统采用 VB6.0 编程系统软件作为开发平台，由 6 个程序块及 5 个外存文件组成。

2.1 程序块

2.1.1 用户登录模块主要实现对系统的保护措施，防止非法用户进入系统，确保系统数据和系统运行的安全。

2.1.2 系统运行控制模块主要实现系统的初始化，以完成对在线刀具管理各种模块的起停控制、任务排队及接口管理，确认加工中心刀库及中央刀库的信息。

2.1.3 刀具离线管理模块主要实现刀具库的管理，进行刀具需求分析，刀具装配计划编制，刀具的刃磨和预调，刀具的编码生成、粘贴及信息输入，刀具的组件管理，生成刀具购买清单，及时向线内提供所需刀具。

2.1.4 刀具在线管理模块主要实现柔性制造系统内的刀具活动的管理，保证加工中心在正确的时间得到正确的刀具，完成对加工中心刀具的需求与供给，运用适当的策略实现刀具的合理选择、调度以及刀具运送指令的下达和刀具剩余寿命的计算。

2.1.5 系统信息管理模块主要完成缺刀检查，刀具入库管理（包括新刀入库和从柔性自动线上返回的刀具入库），刀具出库管理，磨损、破损刀具的管理以及数据库管理。

2.1.6 系统状态监控模块主要实现系统内刀具、设备故障的监控以及为刀具管理系统实时管理提供必要的资源状况信息。这 6 个程序块是系统的主要组成部分，它们按照一定的逻辑顺序相互调用，使系统具有完善、合理的刀具管理功能，同时又是结构相互独立的子程序模块，子程序间通过 数据传递而相互联系。

2.2 外数据库文件

2.2.1 刀具文件、存放所有刀具的主要参数，每 1 把刀具的参数作为 1 个记录。

2.2.2 机床文件

存放机床的主要参数，一种型号的机床参数作为 1 个记录。

2.2.3 工艺数据文件

存放各种与加工有关的工艺数据，一种加工方法的数据作为 1 个记录。

2.2.4 切削条件系数文件

存放决定切削条件的各种系数。

2.2.5 磨损、破损刀具文件

存放磨损、破损刀具的主要参数，每 1 把刀具的参数作为 1 个记录。

3 刀具磨损和破损的在线检测

刀具磨损和破损在线检测的方法很多，主要有功率检测、声发射检测、学习模式、力检测等。在此介绍一种利用神经网络对柔性制造系统中的刀具的检测方法。

3.1 刀具负载模型的建立

切削加工过程中刀具所受的负载与很多因素有关，根据在线检测的要求，仅考虑几个较大的影响因素，即主轴转速、进给速度、切削深度、加工材料的切削性能 4 个因素，则刀具负载的模型为
F = f (s, v, h,m)
式中：
F —负载向量；
h —切削深度；
s —主轴转速；
m —材料的切削性能；
v —进给量。

很明显，上式仅能说明负载与各个影响因素有关，可以用微分几何的数学方法或实验的方法建立相应的关系式，但应用于在线检测效果并不理想。在此，应用神经网络技术处理该刀具的负载模型。

3.2 神经网络技术

本刀具负载自适应控制的神经网络系统采用3层的BP 结构。根据上面的分析，显然输入层有4个节点，输出层有3 个节点，即负载在XYZ 方向的大小。考虑到本负载自适应控制系统的特性，可以认为负载是进给速度的连续函数，根据Kolmogorov定理，中间隐层的节点数应为2 倍的输入点数再加1。因此，本神经网络结构为输入层4 个节点，中间层9 个节点，输出层3 个节点。根据上面的分析，采取每个节点给定4 个值，以它们的不同组合作为样本输入数据，这样可得256 个样本。具体做法是：将各个输入量在可能的变化范围内大体分为4 等份，并用实验的方法测出在每种输入情况下的负载值。在得到256 个样本后，采用离线进行学习，得出每个节点的权值，这样经过学习的神经网络就建立了相应的刀具负载模型，为刀具的在线检测提供条件。

3.3 刀具在线检测原理

刀具在线检测原理如图1 所示。

首先测出刀具的切削深度和进给量，连同主轴转速和加工材料的类型一起输入神经网络控制器。由神经网络控制器进行负载计算，得出的负载输入至检测器。 检测器输出的结果与输入信号进行比较，若该负载超过刀具的疲劳条件下的裂纹扩展负载，则减小刀具的进给速度，并将进给速度的减小量反馈到CNC 控制器，使CNC 控制器做出相应的控制，以使得负载的大小改变到安全的水平。

4 结论

在柔性制造系统中，一个好的刀具管理系统和在线检测技术，不仅能提高加工生产率、降低劳动成本，而且对于产品优化组合、减少故障率都会起到非常关键的作用。

参考文献：
[1] 张根保.自动化制造系统[M].北京:机械工业出版社,2002.
[2] 张培忠.柔性制造系统[M].北京: 机械工业出版社,1998.
[3] 欧阳普仁.FMS 刀具管理系统体系结构研究[J].南京理工大学学报,1996,(6):32-34.

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