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(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)》的副刊上，當(dāng)時(shí)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(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。在我國有很多學(xué)術(shù)刊物曾經(jīng)譯為機(jī)械電子技術(shù)，或者機(jī)械電子學(xué)。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)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(rèn)可了。

當(dāng)今，在世界范圍內(nèi)的高科技競(jìng)爭(zhēng)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(dòng)了傳統(tǒng)技術(shù)的創(chuàng)新變革，而機(jī)電一體化技術(shù)正是這場(chǎng)創(chuàng)新浪潮中的新興技術(shù)變革的主要驅(qū)動(dòng)力量。機(jī)械制造行業(yè)由于機(jī)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(chǎng)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(jī)械、電力、電子和計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)等各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)都融為一體的趨勢(shì)越來越明顯?，F(xiàn)代的機(jī)電一體技術(shù)的發(fā)展賦予了機(jī)械人性化、智能化的特征，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化不僅是通過各種工具的并聯(lián)使用，也指通過機(jī)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(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)化，使現(xiàn)代機(jī)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(jiǎn)便和更加的完美。

在機(jī)械加工過程中，金屬切削過程是一個(gè)十分復(fù)雜的非線性變形的過程。整個(gè)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(huì)對(duì)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(huì)直接影響切削精度。而利用傳統(tǒng)的研究方法很難對(duì)切削過程進(jìn)行定量分析，也很難對(duì)整個(gè)加工過程進(jìn)行研究，但是隨著現(xiàn)代制造技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)的不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了許多針對(duì)金屬切削加工過程進(jìn)行工藝數(shù)值模擬和仿真的軟件。例如DEFORM系列軟件，對(duì)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(tái)簡(jiǎn)單談?wù)勱P(guān)于機(jī)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)間占到用戶操作時(shí)間的80%，有很多定義都是在前處理階段進(jìn)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(jìn)入后處理窗口，可以看到后處理包括下面幾個(gè)部分：1）圖形顯示窗口；2）步數(shù)選擇和動(dòng)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(jìn)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(duì)劃分法，網(wǎng)格數(shù)為35000個(gè)。同時(shí)，分析中認(rèn)為刀具是剛性的，在運(yùn)動(dòng)分析中使刀具同時(shí)做旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)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(duì)劃分法，網(wǎng)格數(shù)為40000個(gè)。選取的材料基本達(dá)到了現(xiàn)實(shí)切削過程的材料性能條件。

1.3 設(shè)定模擬條件

存儲(chǔ)增量為每四步存一次，總共運(yùn)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(duì)刀具磨損進(jìn)行設(shè)定，以便后處理時(shí)查看刀具磨損量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取a,b分別為0.0000001和 855.0。

1.4 檢查設(shè)定結(jié)果

計(jì)算直到對(duì)話框檢查項(xiàng)全打勾，出現(xiàn)You can click‘Finish’。若有不恰當(dāng)處，會(huì)提出警告或錯(cuò)誤。需根據(jù)提示，對(duì)設(shè)定值進(jìn)行修改，直到出現(xiàn) You can click ‘Finish’。

1.5 退出前處理

點(diǎn)擊工具欄中的退出按鈕，在彈出提示窗口中點(diǎn)擊【yes】退出，同時(shí)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(jìn)給1mm/分鐘，切端面軟件操作方面，在主頁面中用鼠標(biāo)點(diǎn)擊文件目錄菜單下的MACHINE.DB文件，點(diǎn)擊主窗口右側(cè)Simulator標(biāo)題下的run選項(xiàng)，出現(xiàn)模擬運(yùn)行界面。Running表示正在運(yùn)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(xiàng)監(jiān)控運(yùn)行過程，Abort Immediately選項(xiàng)表示立即停止。正常運(yùn)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(shí)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(diǎn)總是出現(xiàn)在刀具前刀面上主切削刃的附近，而在這個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(jìn)給量不變，使用DEFORM再分別對(duì)切削深度分別為300nm,400nm,600nm,700nm時(shí)的切削過程進(jìn)行模擬。與切削深度500nm進(jìn)行比較分析，仍然設(shè)置計(jì)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(jìn)給量不變時(shí)，隨著切削深度的不斷增大，切削力也在不斷增大。對(duì)于主切削力F(Y)，隨著切削量的增大，其變化曲線的趨勢(shì)有逐漸增大的趨勢(shì)，而進(jìn)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(duì)其切削機(jī)理進(jìn)行準(zhǔn)確定量的分析。現(xiàn)在可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行有限元仿真研究的手段對(duì)其進(jìn)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(diǎn)，還不受時(shí)間、空間和實(shí)驗(yàn)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(jì)的時(shí)間和成本。有限元仿真還可以獲得許多用實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)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(jī)電一體化技術(shù)在機(jī)械制造行業(yè)中的一種更深層次的應(yīng)用。

[1]邱士安.機(jī)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(jī)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.