探討數(shù)控刀具智能制造及技術(shù)

王云志

（昌黎縣職業(yè)技術(shù)教育中心，河北秦皇島 066600）

1 數(shù)控刀具智能制造及技術(shù)

1.1 刀具數(shù)控加工操作流程

在刀具數(shù)控加工工藝中，在加工某種零部件的時(shí)候，首先，需要全面分析零件圖，明確工件的幾何形狀以及工藝要求。其次，確定零件的數(shù)控加工內(nèi)容以及工藝路線。再次，計(jì)算相關(guān)數(shù)值，根據(jù)數(shù)控機(jī)床的不同編寫相應(yīng)的程序，并且將程序輸入到機(jī)床中，最后實(shí)現(xiàn)圖形模擬，以便對編程的正確與否進(jìn)行驗(yàn)證。對該過程的優(yōu)化控制，能夠縮短機(jī)械加工時(shí)間，提高加工效率。如圖1 所示為數(shù)控機(jī)械加工優(yōu)化流程圖。

圖1 數(shù)控加工優(yōu)化流程圖

為了能夠提高數(shù)控機(jī)械加工效率，就需要技術(shù)人員完善架構(gòu)設(shè)計(jì)，以此來最大限度保障操作系統(tǒng)的性能。值得注意的是，自身硬件條件會影響到操作系統(tǒng)的性能，因此，需要科學(xué)設(shè)置數(shù)控機(jī)床的操作流程和操作系統(tǒng)，只有使用高標(biāo)準(zhǔn)的硬件條件，才能夠提高數(shù)控機(jī)械加工效率。

1.2 機(jī)床刀具的選擇

為了能夠提高數(shù)控機(jī)械加工效率，就需要選用合理的刀具，如表1 所示為不同直徑刀具對切割面積產(chǎn)生的影響。

表1 不同的刀具直徑對切割面積的影響

由以表1 為依據(jù)選擇合理的刀具直徑，能夠最大限度保障機(jī)械加工效率。

在開展數(shù)控機(jī)械加工作業(yè)的過程中，對切削類型的使用較為常見。相關(guān)調(diào)查研究表明，切削型數(shù)控加工占到了整個(gè)數(shù)控機(jī)械加工的2/3 以上。為了能夠提高數(shù)控機(jī)械加工效率，就需要使用科學(xué)合理的機(jī)床刀具，充分發(fā)揮出切削型數(shù)控機(jī)械的效用。對于批量較小的產(chǎn)品的生產(chǎn)加工，由于機(jī)械切削耗用的時(shí)間比較短，會使其余的數(shù)控機(jī)械設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)，因此，為了能夠提高數(shù)控加工效率，就需要優(yōu)化切削時(shí)間。比如，通過降低數(shù)控機(jī)械的待機(jī)時(shí)間來增加切削時(shí)間，從而達(dá)到提高數(shù)控機(jī)械性能的目的，這樣一來也能夠控制生產(chǎn)時(shí)間，優(yōu)化數(shù)控機(jī)械加工效率[4]。同時(shí)，由于刀具直徑不同，和刀具材料不同，因此，就會使切割面積存在一定的差異。

1.3 刀具切削性能研究

當(dāng)前設(shè)計(jì)出多種有限元仿真切削軟件，其中在刀具切削加工中應(yīng)用最廣泛的有限元仿真軟件是Deform-3D[2]。此軟件通過應(yīng)用加工過程中的熱力耦合原理，進(jìn)行綜合分析切削力和切削熱等現(xiàn)象，在數(shù)據(jù)運(yùn)算過程中將自動觸發(fā)網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)重畫，進(jìn)一步提升網(wǎng)格系統(tǒng)效果，以獲取更精確仿真數(shù)據(jù)。其仿真數(shù)據(jù)運(yùn)算流程如圖2 所示。

圖2 Deform 切削仿真過程

1.4 幾何模型的建立

需要根據(jù)制作廠家所設(shè)計(jì)的相關(guān)圖紙，采用相應(yīng)的刀具模擬軟件（通常采用德國瓦爾特五軸磨床系統(tǒng)），根據(jù)所采集的設(shè)計(jì)參數(shù)能夠自動完成刀具的模擬幾何模型，再通過應(yīng)用UG 三維軟件構(gòu)建相關(guān)工件的模擬幾何模型。再由所構(gòu)建的幾何模型通過相關(guān)軟件的轉(zhuǎn)換，最終以STL 文件格式導(dǎo)入到Deform-3D中。

1.5 網(wǎng)格劃分

通常應(yīng)用Deform-3D 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有兩種劃分形式：相對網(wǎng)格和絕對網(wǎng)格。在軟件系統(tǒng)中按照相應(yīng)參數(shù)設(shè)置相對網(wǎng)格，相對網(wǎng)格數(shù)據(jù)參數(shù)及數(shù)量均需用戶指定，但在網(wǎng)格劃分過程中，其尺寸規(guī)格均會產(chǎn)生變化，其會受到工件形狀的變化而產(chǎn)生相應(yīng)變化。即網(wǎng)格的大小會隨著工件的形狀改變而產(chǎn)生變化，但客戶指定的網(wǎng)格數(shù)量卻是固定不變的；而絕對網(wǎng)格的數(shù)量是由軟件系統(tǒng)根據(jù)工件形而自動生產(chǎn)的，網(wǎng)格的尺寸固定不變，網(wǎng)格的尺寸是由工件外形特征的最小尺寸進(jìn)行設(shè)置，網(wǎng)格數(shù)量的多少隨著工件的形狀的復(fù)雜而變化，即越復(fù)雜網(wǎng)格數(shù)量越多，能夠更精確的對工件表面外形進(jìn)行描述，能夠進(jìn)一步深化工件模擬的精確度，因此本次仿真網(wǎng)格劃分采取的是絕對網(wǎng)格方式[3]。

1.6 材料本構(gòu)模型的建立

近年來，很多學(xué)者為研究材料的變形問題，對材料本構(gòu)方程的模型進(jìn)行了大量的研究，由于很多本構(gòu)方程過于復(fù)雜，難以在現(xiàn)場加工和有限元仿真上廣泛應(yīng)用，因此主要有三種材料本構(gòu)模型在仿真方面有著廣泛的應(yīng)用，分別是Zerili-Armstrong 本構(gòu)方程、Johnson-Cook 本構(gòu)方程和Bodner-Partom 本構(gòu)方程。參數(shù)和公式如圖3 所示。

圖3 材料本構(gòu)模型的參數(shù)設(shè)置

1.7 銑削的仿真分析

本次仿真計(jì)算可以及借用刀具與工件表面不同的摩擦系數(shù)來近似反映表面粗糙度值對切削溫度和切削力的影響。仿真數(shù)據(jù)如表2 所示，在相同的切削參數(shù)下，刀具表面粗糙度值越低，切削溫度就越低，是由于表面粗糙度加工產(chǎn)生的摩擦熱就多；切削力雖有變化，考慮到仿真與實(shí)際加工的差別，切削力的變化并不明顯[4]。

表2 Deform 3D 仿真數(shù)據(jù)

1.8 機(jī)床刀具切削

在開展數(shù)控機(jī)械加工作業(yè)的過程中，對切削類型的使用較為常見。相關(guān)調(diào)查研究表明，切削型數(shù)控加工占到了整個(gè)數(shù)控機(jī)械加工的2/3 以上。為了能夠提高數(shù)控機(jī)械加工效率，就需要使用科學(xué)合理的機(jī)床刀具，充分發(fā)揮出切削型數(shù)控機(jī)械的效用。對于批量較小的產(chǎn)品的生產(chǎn)加工，由于機(jī)械切削耗用的時(shí)間比較短，會使其余的數(shù)控機(jī)械設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)，因此，為了能夠提高數(shù)控加工效率，就需要優(yōu)化切削時(shí)間。比如，通過降低數(shù)控機(jī)械的待機(jī)時(shí)間來增加切削時(shí)間，從而達(dá)到提高數(shù)控機(jī)械性能的目的，這樣一來也能夠控制生產(chǎn)時(shí)間，優(yōu)化數(shù)控機(jī)械加工效率[4]。同時(shí)，由于刀具直徑不同，和刀具材料不同，因此，就會使切割面積存在一定的差異。圖4 為車刀示意圖。為了能夠提高數(shù)控機(jī)械加工效率，就需要選用合理的刀具。

圖4 車刀示意圖

1.9 編制程序

切削用量主要有進(jìn)給速度、切削速度以及背吃刀量等[5]。其中，背吃刀量的確定必須控制工件表面的粗糙度在Ra0.8μm～3.2μm 范圍內(nèi)，并且要將數(shù)控加工分為粗加工、精加工和半精加工。半精加工和精加工的背吃刀量分為別1.5mm～20mm 和0.3mm～0.5mm。由于進(jìn)給速度直接決定著數(shù)控機(jī)械的加工質(zhì)量和加工效率，所以，需要確保進(jìn)給速度科學(xué)合理。

背吃刀量的計(jì)算公式為：背吃刀量=（工件待加工表面直徑-工件已加工表面直徑）/2

進(jìn)給速度=進(jìn)給量×主軸轉(zhuǎn)速

其中主軸轉(zhuǎn)速=1000×切削速度÷π×工件直徑

由此可見，影響數(shù)控機(jī)床切削效率的因素主要有進(jìn)給量和切削速度，從計(jì)算公式可以得知，提高進(jìn)給量和切削速度，能夠保障切削效率。

根據(jù)數(shù)控機(jī)械加工具有自動化以及智能化的特點(diǎn)，而且這些特點(diǎn)需要通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，所以，對計(jì)算機(jī)編程的研究能夠在一定程度上影響到數(shù)控機(jī)械加工效率。為了能夠提高數(shù)控機(jī)械加工效率，就需要強(qiáng)化數(shù)控編程開發(fā)研究力度。在數(shù)控程序的設(shè)計(jì)上，必須合理設(shè)置相關(guān)參數(shù)，使數(shù)控機(jī)床處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。在確定各工序的切削用量的時(shí)候，需要數(shù)控編程人員以指令的形式將其編寫到程序中。

2 結(jié)論

總而言之，在機(jī)械制造中全面應(yīng)用數(shù)控加工技術(shù)能夠取得良好的應(yīng)用效果，提高整個(gè)機(jī)械加工效率，保障產(chǎn)品的質(zhì)量，為企業(yè)轉(zhuǎn)型升級奠定良好的基礎(chǔ)，增強(qiáng)整個(gè)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。由此可見，在我國生產(chǎn)制造業(yè)中數(shù)控加工技術(shù)發(fā)揮著重要作用，因此，相關(guān)工作人員需要深入分析該項(xiàng)技術(shù)，積極創(chuàng)新數(shù)控加工技術(shù)，使數(shù)控加工技術(shù)能夠高效應(yīng)用于其他領(lǐng)域中，進(jìn)一步推動機(jī)械制造業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。