淺談機電一體化技術(shù)在金屬切削中的應(yīng)用

劉菊青 方 斌張 立

(1.安徽淮北煤電技師學(xué)院，安徽 淮北 235000；2.安徽礦業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 淮北 235000）

“機電一體化技術(shù)”這一名稱最早出現(xiàn)在1971年的日本雜志《機械設(shè)計》的副刊上，當(dāng)時它的出現(xiàn)是以英文單詞“mechatronics”形式，取英文“mechanics”前半部和“electronics”后半部結(jié)合在一起，意為機械技術(shù)和電子技術(shù)的有機結(jié)合。在我國有很多學(xué)術(shù)刊物曾經(jīng)譯為機械電子技術(shù)，或者機械電子學(xué)。隨著機電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，機電一體化技術(shù)這一名詞現(xiàn)已經(jīng)被各國廣泛接受并認可了。

當(dāng)今，在世界范圍內(nèi)的高科技競爭正迅猛地沖擊著傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度加快，高新科技滲入到以往的傳統(tǒng)技術(shù)，帶動了傳統(tǒng)技術(shù)的創(chuàng)新變革，而機電一體化技術(shù)正是這場創(chuàng)新浪潮中的新興技術(shù)變革的主要驅(qū)動力量。機械制造行業(yè)由于機電一體化的深入應(yīng)用獲得了前所未有的發(fā)展就是這場變革帶來的成功典型。從其系統(tǒng)的思維和觀念出發(fā)，將機械、電力、電子和計算機信息網(wǎng)絡(luò)等各項先進技術(shù)都融為一體的趨勢越來越明顯。現(xiàn)代的機電一體技術(shù)的發(fā)展賦予了機械人性化、智能化的特征，實現(xiàn)機電一體化不僅是通過各種工具的并聯(lián)使用，也指通過機械技術(shù)、電子規(guī)劃和軟件研發(fā)技術(shù)之間的相互匹配，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的最優(yōu)化，使現(xiàn)代機械制造行業(yè)中的各種工作程序和借助工具、手段更加的簡便和更加的完美。

在機械加工過程中，金屬切削過程是一個十分復(fù)雜的非線性變形的過程。整個過程涉及了很多學(xué)科和技術(shù)，包括：力學(xué)中的彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、熱力學(xué)和摩擦力學(xué)等等，而很多的因素都會對切削的過程產(chǎn)生影響，如刀具的磨損、燒傷、刀具的形狀和溫度等因素會直接影響切削精度。而利用傳統(tǒng)的研究方法很難對切削過程進行定量分析，也很難對整個加工過程進行研究，但是隨著現(xiàn)代制造技術(shù)和機電一體化技術(shù)的不斷進步，出現(xiàn)了許多針對金屬切削加工過程進行工藝數(shù)值模擬和仿真的軟件。例如DEFORM系列軟件，對金屬切削過程的仿真提供了有效的方法和手段。本文就基于DEFORM軟件系統(tǒng)的硬質(zhì)合金可加工性仿真的研究的平臺簡單談?wù)勱P(guān)于機電一體化技術(shù)在金屬切削過程中的應(yīng)用。

DEFORM系列軟件是由位于美國俄亥俄州的哥倫布市科學(xué)成型技術(shù)公司開發(fā)研究的。該系列軟件主要應(yīng)用于金屬塑性加工、熱處理等工藝數(shù)值模擬。它的前身是美國空軍Battelle實驗室開發(fā)的ALPID軟件。在1991年成立的SFTC公司將其商業(yè)化。目前DEFORM軟件已經(jīng)成為世界上流行的金屬加工數(shù)值的模擬軟件之一。

金屬的切削仿真主要包含三個步驟，分別是前處理、仿真模擬、后處理。金屬切削仿真的前處理是有限元分析的主要步驟，它的操作時間占到用戶操作時間的80%，有很多定義都是在前處理階段進行的，前處理主要包括：1）幾何模型建立或?qū)耄?）網(wǎng)格劃分；3）材料定義；4）物體的接觸和摩擦定義；5）模擬參數(shù)的設(shè)定。在切削仿真完成后進入后處理窗口，可以看到后處理包括下面幾個部分：1）圖形顯示窗口；2）步數(shù)選擇和動畫播放；3）圖形顯示選擇窗口；4）圖形顯示控制窗口；5）要顯示的變量選擇。

1 仿真切削的前處理

1.1 切削模型的建立

1.1.1 設(shè)定工作條件

加工類型選擇turning（旋轉(zhuǎn)加工）。單位制選擇System international(國際單位制)。表面加工速度為100rpm，切削深度500nm，進給1 mm/min。環(huán)境溫度為20℃，摩擦系數(shù)為0.6，熱導(dǎo)率為45。

1.1.2 設(shè)定刀具

本次研究中直接從Deform封裝的刀片庫中選取刀片。刀具溫度起初值設(shè)為20℃。刀具網(wǎng)格劃分采用相對劃分法，網(wǎng)格數(shù)為35000個。同時，分析中認為刀具是剛性的，在運動分析中使刀具同時做旋轉(zhuǎn)和進給運動，而工件的內(nèi)表面施加全約束，這樣就完全模擬了車削的運動過程。

1.2 工件模型的建立

1.2.1 選定工件形狀

選擇工件形狀為Curve modes(有彎度的模式)。工件直徑為0.05m,彎曲角度為15°。

1.2.2 選定工件材料和網(wǎng)格

本次研究中直接選取封裝在Deform材料庫中的硬質(zhì)合金材料；工件網(wǎng)格也采用相對劃分法，網(wǎng)格數(shù)為40000個。選取的材料基本達到了現(xiàn)實切削過程的材料性能條件。

1.3 設(shè)定模擬條件

存儲增量為每四步存一次，總共運算步數(shù)200步，切削終止角度7.5°另外選擇Tool wear calculation with Usui mode對刀具磨損進行設(shè)定，以便后處理時查看刀具磨損量，根據(jù)經(jīng)驗值取a,b分別為0.0000001和 855.0。

1.4 檢查設(shè)定結(jié)果

計算直到對話框檢查項全打勾，出現(xiàn)You can click‘Finish’。若有不恰當(dāng)處，會提出警告或錯誤。需根據(jù)提示，對設(shè)定值進行修改，直到出現(xiàn) You can click ‘Finish’。

1.5 退出前處理

點擊工具欄中的退出按鈕，在彈出提示窗口中點擊【yes】退出，同時在主窗口的文件夾下生成MACHINE.DB文件，完成切削加工的前處理過程。

2 模擬過程

主軸轉(zhuǎn)速100轉(zhuǎn)/分鐘，切削深度500納米，進給1mm/分鐘，切端面軟件操作方面，在主頁面中用鼠標點擊文件目錄菜單下的MACHINE.DB文件，點擊主窗口右側(cè)Simulator標題下的run選項，出現(xiàn)模擬運行界面。Running表示正在運行。如果模擬效果不好或有其他原因需要停止模擬過程，可以通過主窗口Simulator欄下的Process Monitor選項監(jiān)控運行過程，Abort Immediately選項表示立即停止。正常運行結(jié)束后可以打開后處理分析結(jié)果。

3 后處理分析

3.1 切削過程中刀具磨損程度

圖1

從圖1可以看出隨著時間推移刀尖磨損程度越來越大。

3.2 切削過程中刀具表面切削熱

圖2

從上面一系列的仿真視圖可以看出，刀具表面切削溫度的最高點總是出現(xiàn)在刀具前刀面上主切削刃的附近，而在這個區(qū)域，刀具和工件之間的壓力比較高，摩擦力比較大，說明了刀屑之間的摩擦是引起溫度上升的一個重要因素。刀具表面溫度上升到400左右，然后溫度一直保持在這個區(qū)域內(nèi)。刀尖的頂端溫度還要高一些。

3.3 切削過程中切削應(yīng)力

圖3

通過軟件提取X,Y,Z三個方向的力，切削深度為500nm結(jié)果如表1：

表1

保持切削速度和進給量不變，使用DEFORM再分別對切削深度分別為300nm,400nm,600nm,700nm時的切削過程進行模擬。與切削深度500nm進行比較分析，仍然設(shè)置計算步為兩百部，其余數(shù)據(jù)設(shè)定也都保持不變。

表2

其大概走向如圖4所示：

圖4

由上圖可以看出，在保持切削速度和進給量不變時，隨著切削深度的不斷增大，切削力也在不斷增大。對于主切削力F(Y)，隨著切削量的增大，其變化曲線的趨勢有逐漸增大的趨勢，而進給力F(X)和背向力F(Z)隨著切削力的增大，其增大較緩慢。

4 結(jié)束語

金屬切削加工過程是復(fù)雜的非線性變形過程，如果仍然采用傳統(tǒng)的老研究方法很難對其切削機理進行準確定量的分析?，F(xiàn)在可以利用計算機進行有限元仿真研究的手段對其進行定量分析，這種研究的方法具有系統(tǒng)性好、繼承性好、可延續(xù)性好等優(yōu)點，還不受時間、空間和實驗條件的限制，一旦獲得較好的仿真效果則可大大縮短工藝設(shè)計的時間和成本。有限元仿真還可以獲得許多用實驗方法難以獲得或者不能獲得的信息，能夠再現(xiàn)切削過程的變形和溫度變化。并且利用有限元仿真技術(shù)能夠方便的分析各種工藝參數(shù)對切削過程的影響，為優(yōu)化切削工藝和提高產(chǎn)品精度與性能提供理論和實用的手段，為更好的研究金屬切削理論提供了極大的方便。當(dāng)然，這也是機電一體化技術(shù)在機械制造行業(yè)中的一種更深層次的應(yīng)用。

[1]邱士安.機電一體化技術(shù)[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2010.

[2]李建勇.機電一體化技術(shù)[M].北京科學(xué)出版社，2004.

[3]胡建軍，李小平.DEFORM-3D塑性成形CAE應(yīng)用教程[M].北京大學(xué)出版社，2011，1.