外文翻譯--高速銑削加工淬硬模具模具鋼的優(yōu)化策略

1、<p><b>　　中文3440字</b></p><p>　　出處：Journal of University of Science and Technology Beijing Volume 13, Number 3, June 2006, Page 240</p><p>　　高速銑削加工淬硬模具/模具鋼的優(yōu)化策略</p><p&g

2、t;<b>　　Ying Tang</b></p><p>　　摘要：在高速淬硬模具加工特征分析的基礎(chǔ)上，研究了鋼加工的優(yōu)化策略。這是先前提出的在端銑切削力恒定控制熱機(jī)制的進(jìn)一步推廣。目標(biāo)函數(shù)的加工成本和相關(guān)的優(yōu)化算法的基礎(chǔ)上加工時(shí)間和下料長(zhǎng)度計(jì)算方法。約束滿(mǎn)足特定的加工策略時(shí)，高速加工淬硬模具鋼，擺線刀具路徑模式在槽銑削避免過(guò)熱和進(jìn)料速率適配以避免超負(fù)荷方面，也進(jìn)行了討論。作為個(gè)案研究，該

3、工具選擇問(wèn)題時(shí)，加工模具的一部分與多個(gè)加工特征調(diào)查。</p><p>　　關(guān)鍵詞：優(yōu)化算法；淬硬模具/鋼；加工成本；加工特征；</p><p><b>　　1簡(jiǎn)單介紹</b></p><p>　　自從上世紀(jì)90年代以來(lái),模具在對(duì)硬加工/粗加工和精加工制造方面發(fā)生了變化的趨勢(shì)，因此引進(jìn)先進(jìn)的切割工具如AlTiN涂層微晶粒硬質(zhì)合金端銑刀[ 1 ]。

4、如今，高速加工淬硬模具和模具鋼已是一個(gè)成熟的技術(shù)，在許多具體的加工方案和戰(zhàn)略的制定方面都能使用它[ 2 ]。典型地，馬-加工特征定義為獨(dú)特的體積形狀被刪除，通過(guò)獨(dú)特的馬-加工業(yè)務(wù)（即切削刀具和刀具路徑），提出緩解NC（數(shù)控）編程[ 3 ]。通常的刀具路徑模式為每個(gè)特征類(lèi)型，他們可以是標(biāo)準(zhǔn)化的，固定的。</p><p>　　一次加工的特點(diǎn)及相關(guān)工具路徑模式是固定的，它成為必要的優(yōu)化其他操作參數(shù)的依據(jù)，因?yàn)楫?dāng)我們考慮

5、生產(chǎn)力和工具成本時(shí)，后者有助于高達(dá)20%的總成本的模具和模具制造。這種優(yōu)化是可能與加工特征和固定刀具路徑有關(guān)，通過(guò)模式分析，從而降低了一些變數(shù)，必須同時(shí)考慮。生產(chǎn)率和成本可以被視為獨(dú)立的切割條件變量，這些變量影響的生產(chǎn)力和成本或合并為目標(biāo)函數(shù)的可計(jì)算和優(yōu)化。</p><p>　　本文的組織如下：關(guān)于加工成本及其相關(guān)的優(yōu)化算法，在2節(jié)中提出了一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，符合低的案例研究使用，在3節(jié)提出了算法在端銑刀具選擇模具零件

6、的加工特點(diǎn)。面臨的制約因素在試圖滿(mǎn)足特定加工策略時(shí)，高速加工淬硬模具/模具鋼在同一節(jié)進(jìn)行了討論。結(jié)論中提出的部分4基于案例研究的結(jié)果。</p><p><b>　　2優(yōu)化策略</b></p><p>　　關(guān)于生產(chǎn)力，涉及的加工過(guò)程中需要計(jì)算的時(shí)間。加工時(shí)間考慮切削時(shí)間和空氣切割時(shí)間?；旧?，確切的空氣切割時(shí)間是通過(guò)增加的時(shí)間花費(fèi)在每個(gè)芯片和在刀具路徑切割空氣時(shí)間的總時(shí)

7、間，通?？筛鶕?jù)固定的刀具路徑模式容易計(jì)算，</p><p>　　在切割長(zhǎng)度里的第i個(gè)芯片是基于工件和刀具之間的接觸幾何計(jì)算，和f zei是刀具進(jìn)給切削芯片時(shí)的進(jìn)給量。在端銑凹輪廓的情況下，Li ,f zei 等參數(shù)在圖1所示。</p><p>　　在模具加工中，刀具壽命 Lf通常是由一個(gè)工具從事切割直到它失敗的總長(zhǎng)度測(cè)量。Lf的價(jià)值可以直接從刀具制造商或通過(guò)刀具的壽命試驗(yàn)中得到。如果要考慮

8、在任何給定的時(shí)間上刀具壽命總的切割長(zhǎng)度，現(xiàn)在可以通過(guò)添加所有芯片長(zhǎng)度下的削減到所考慮的時(shí)間點(diǎn)綜合來(lái)考慮，</p><p>　　然后，Lt 到Lf 的比率表示的刀具壽命已經(jīng)被消耗。</p><p>　　優(yōu)化策略可以減少加工時(shí)間或最大限度地為某一工作的工具提供壽命。一個(gè)更一般的目標(biāo)函數(shù)是馬加工成本，這是兩者的結(jié)合。加工過(guò)程中涉及的各種項(xiàng)目費(fèi)用；但在這項(xiàng)研究中我們只考慮馬加工時(shí)間成本和模具成本，

9、這是確定的模具加工過(guò)程中存在的主要成本。加工一個(gè)工件的總成本（C）是 </p><p>　　Cm是每單位時(shí)間機(jī)器的成本，ct是每個(gè)工具的價(jià)格。通過(guò)最小的優(yōu)化建議我們?cè)诠?jié)省機(jī)器時(shí)間和降低成本直接找到一個(gè)理想的平衡。3選擇高速銑削淬硬模具/模具鋼的案例研究</p><p>　　作為一個(gè)案例研究，當(dāng)對(duì)具有多個(gè)加工特征的加工模具零件進(jìn)行研究時(shí)，我們會(huì)面臨刀具的選擇問(wèn)題。假設(shè)需要在模具上加工

10、兩個(gè)槽的長(zhǎng)度在100毫米，深度分別為10毫米和50毫米，寬度為15毫米（圖2）。工件材料為JIS SKC61 ，模具鋼的硬度HRC53。</p><p>　　用槽銑刀來(lái)實(shí)現(xiàn)AlTiN涂層微觀晶粒硬質(zhì)合金六葉片。端面銑刀使用6，8，10，12，14和18毫米的直徑。目的是為了尋求一個(gè)最佳的工具達(dá)到去除兩槽的最小加工成本。</p><p>　　該在一定的約束條件下提出了該模型和計(jì)算，討論如下：

11、必須滿(mǎn)足在模具行業(yè)的具體加工策略和方法，在雅高舞與國(guó)家最先進(jìn)的技術(shù)條件下高速加工硬化模具鋼。</p><p>　　槽銑削刀具路徑與控制模式。</p><p>　　從加工的角度來(lái)看，按照銑削加工的特點(diǎn)，通?？梢苑譃?類(lèi)：孔，凹槽，開(kāi)口凹槽，模具表面，軸套。在圖中加工槽中，是屬于那種開(kāi)口凹槽，其特征是兩邊開(kāi)口使切割工具可以從任意一邊進(jìn)入。一個(gè)傳統(tǒng)的方式的槽端包括使用材料中端銑刀的全直徑。在這種

12、情況下，齒輪會(huì)產(chǎn)生接觸，旋轉(zhuǎn)半周產(chǎn)生熱量，在降溫的情況下再旋轉(zhuǎn)半周。刀具壽命會(huì)由于過(guò)多的熱量積聚在切削齒而急劇減少，如果切削齒的冷卻時(shí)間不夠，那只能根據(jù)熱機(jī)制，用以前工作中提出的方法來(lái)端銑[4-5]。很有必要尋求特定的加工策略來(lái)提高刀具壽命減少切削熱積累。問(wèn)題的關(guān)鍵在于工具和齒輪部分之間接觸的限制。</p><p>　　連續(xù)相同周期的擺線刀具路徑軌跡模式，如圖3所示，這樣的設(shè)計(jì)替代了高速端銑硬剛（6），通過(guò)一個(gè)有

13、限的傾斜，使接觸弧最小化，在適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速</p><p>　　的情況下，可以大量去除材料產(chǎn)生的多余熱量。</p><p><b>　　圖3</b></p><p>　?。?）進(jìn)料速率保持恒定的切削力。</p><p>　　另一個(gè)作為硬化模具鋼銑削的基礎(chǔ)是在安全極限狀態(tài)下持續(xù)保持切削力，特別是在粗加工或中間粗加

14、工操作時(shí)，如果過(guò)度切削力，不久后會(huì)發(fā)生碎裂。削一尖端可導(dǎo)致切削刃對(duì)剩余的切削不完整。這使得該工具使用很快。</p><p>　　一個(gè)簡(jiǎn)單的來(lái)保持恒定的切削力的方法是適應(yīng)沿刀具路徑的進(jìn)給速度。該策略的基本原理是根據(jù)工具的接觸幾何與二階模型來(lái)解決瞬時(shí)進(jìn)給速度，這在以前的作品[7-8]中提出了， </p><p>　　其中Y表示在XY平面的平均切削力值，對(duì)Y軸的控制力可以從經(jīng)驗(yàn)中獲得。x

15、1和x 2是最大未變形切屑厚度，tmi為切割片長(zhǎng)度。六個(gè)系數(shù)（β0，???，β12）是通過(guò)使用最小二乘法進(jìn)行一組試驗(yàn)確定預(yù)處理得到。</p><p>　　在這些約束條件下，進(jìn)行了模擬最佳刀具直徑特征的實(shí)驗(yàn)，槽的寬度B，需要加工。圖4是加工B-D平面的等高線圖，加工時(shí)使用0.5毫米的間距和9600 r/min主軸轉(zhuǎn)速。目標(biāo)切割力等于不同直徑的刀具切割同一主軸轉(zhuǎn)速時(shí)測(cè)得的值。刀具壽命Lf = 112毫米/葉片，加工

16、時(shí)間成本cm= 750元人民幣/小時(shí)，根據(jù)我們的工業(yè)合作伙伴的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。刀的費(fèi)用是按市場(chǎng)價(jià)格來(lái)結(jié)算。</p><p><b>　　圖4</b></p><p>　　在圖中 B-D兩平面中的黑色虛線是加工成本的輪廓線。4表示實(shí)現(xiàn)最小成本縫隙寬度B的最佳刀具直徑，例如，一個(gè)φ10毫米刀應(yīng)該用來(lái)切割50毫米寬槽，而φ6毫米切割15毫米寬槽，換句話說(shuō)，每個(gè)刀具直徑的選擇是單

17、獨(dú)考慮每個(gè)加工功能需要來(lái)選定的。如圖也看到，黑色虛線位于兩平面的左端意味著，在槽端銑加工時(shí)首選直徑6，8和10毫米的小端面銑刀。必須指出的是，模擬是在假定槽可以去掉一層中的所有端銑刀的情況下進(jìn)行的。在深槽的情況下，更多需要一個(gè)小直徑銑刀，由此產(chǎn)生的加工成本的增加會(huì)在圖4的右端將最優(yōu)刀具直徑的位置表示出來(lái)。此外，模擬假設(shè)是在槽窄的情況下進(jìn)行的，所以擺線刀具路徑模式需要使用。然而對(duì)一寬槽來(lái)說(shuō)，擺線刀具路徑模式從一部然后到另一側(cè)的刀具路徑模式

18、將節(jié)省時(shí)間，從而進(jìn)行多種可行的組合。</p><p>　　在模具制造業(yè)的實(shí)踐中，一個(gè)單端銑刀的一部分普遍預(yù)期完將完成所有加工特征，考慮到時(shí)間換刀和所有相關(guān)的刀具和刀柄的準(zhǔn)備。這意味著工具的選擇不應(yīng)承擔(dān)每一加工特征，應(yīng)該作為一個(gè)整體特征。圖5說(shuō)明了加工成本中涉及的兩個(gè)槽的加工工藝，通過(guò)分別使用φ6，8和10毫米的刀具。加工成本時(shí)，在相同的圖上使用φ6毫米端銑刀去掉一個(gè)寬度為15毫米和10毫米槽銑刀，刪除一個(gè)50毫米

19、寬的縫隙在。在底部列的數(shù)據(jù)表示加工成本去除50毫米寬的槽，而在列中的數(shù)據(jù)表示加工成本去除15毫米寬槽。通過(guò)以上數(shù)據(jù)列，他們的總和，分別是總加工成本。</p><p>　　圖5：端銑兩個(gè)加工成本管理工具的選擇</p><p>　　在圖5中看到的，加工成本有兩個(gè)切值小于一刀。這是一個(gè)結(jié)果，與模擬圖4意見(jiàn)一致。圖5還顯示，如果只有一個(gè)刀是必要的，φ8毫米的刀具可以比φ10毫米或6毫米φ刀提供較少

20、的加工成本。兩個(gè)刀具選擇和最優(yōu)刀具選擇的加工成本差異在4.2元人民幣之間。然而，馬加工費(fèi)用僅包括加工時(shí)間和刀具的磨損成本。如果刀具交換和傳輸時(shí)間成本和相關(guān)的削減制備等在內(nèi)的成本，那么預(yù)計(jì)成本差異，可以補(bǔ)償。</p><p><b>　　4 結(jié)論</b></p><p>　　通過(guò)對(duì)高速加工淬硬模具鋼優(yōu)化策略的研究，我們提出了關(guān)于加工成本和相關(guān)的優(yōu)化算法的基礎(chǔ)上加工時(shí)間和

21、切割長(zhǎng)度計(jì)算的目標(biāo)函數(shù)，討論了約束滿(mǎn)足特定的加工策略時(shí)，高速加工淬硬模具鋼，在槽銑削擺線刀具路徑模式時(shí)，避免過(guò)熱和進(jìn)料速率適配來(lái)避免超負(fù)荷的問(wèn)題。作為一個(gè)案例研究中，刀具的選擇問(wèn)題時(shí)，加工模具零件的加工特征進(jìn)行了多次仿真結(jié)果表明：</p><p>　　加工成本最小的優(yōu)化建議，是在期望的平衡時(shí)間和降低成本加工工具之間</p><p>　　所提出的優(yōu)化算法，得到了在兩平面加工成本的輪廓圖，它可

22、以用來(lái)尋找最佳的刀具直徑，為一個(gè)給定的縫隙寬度槽端銑是必需的</p><p>　　當(dāng)所有的優(yōu)化加工特點(diǎn)是考慮到作為一個(gè)整體時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)妥協(xié)與工具的選擇比較，并且每個(gè)加工特征分別進(jìn)行考慮。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] Taylan Atlan, Blain Lilly, and Y.C. Yen, M

23、anufacturing of dies and molds, Ann. CIRP, 50(2001), No.2, p.405.</p><p>　　[2] Ed Kwasnick and Rob Keenan, High-speed machining of hardened die and mold steels: a total concept, Moldmaking Technol. Mag., 200

24、2, No.11, p.1.</p><p>　　[3] X.R. Yan, Kazuo Yamazaki, J.C. Liu, et al., Autonomous milling process analysis and machining know-how da- tabase generation for operation</p><p>　　planning,[in] Proc

25、eedings of the 2000 Japan-USA Symposium on Flexible Automation Conference, Michigan, 2000, p.7.</p><p>　　[4] Y. Tang, Theoretical modeling of cutting temperature in high-speed end milling process for die/mol

26、d machining, J. Univ. Sci. Technol. Beijing, 12(2005), No.1, p.90.</p><p>　　[5] Y. Tang and Yoshiaki Kakino, Study on heat regulating strategy in NC end milling for hard metal machining, J. Univ. Sci. Techno

27、l. Beijing, 12(2005), No.2, p.187.</p><p>　　[6] W.L. Wang, Y. Tang, Yoshiaki Kakino, et al., Optimiza- tion of slot end milling process by fixed cycle analysis for Die/Mold machining, [in] Proceedings of the

28、 6th Interna- tionalConference on Mechatronics Technology (ICMT2002), Kitakyushu, 2002, p.213.</p><p>　　[7] Y. Kakino, H. Ohtsuka, H. Nakagawa, et al., NC Program- ming for constant cutting force in die mac

29、hining, [in] Pro- ceeding of 2000 International Conference on Advanced Manufacturing Systems and Manufacturing Automation, Guangzhou, 2000, p.471.</p><p>　　[8] Y. Kakino, H. Otsuka, H. Nakagawa, et al., Stud