淺談機電一體化技術在金屬切削中的應用

劉菊青 方 斌張 立

(1.安徽淮北煤電技師學院，安徽 淮北 235000；2.安徽礦業職業技術學院，安徽 淮北 235000）

“機電一體化技術”這一名稱最早出現在1971年的日本雜志《機械設計》的副刊上，當時它的出現是以英文單詞“mechatronics”形式，取英文“mechanics”前半部和“electronics”后半部結合在一起，意為機械技術和電子技術的有機結合。在我國有很多學術刊物曾經譯為機械電子技術，或者機械電子學。隨著機電一體化技術的快速發展，機電一體化技術這一名詞現已經被各國廣泛接受并認可了。

當今，在世界范圍內的高科技競爭正迅猛地沖擊著傳統的生產方式，產品更新換代的速度加快，高新科技滲入到以往的傳統技術，帶動了傳統技術的創新變革，而機電一體化技術正是這場創新浪潮中的新興技術變革的主要驅動力量。機械制造行業由于機電一體化的深入應用獲得了前所未有的發展就是這場變革帶來的成功典型。從其系統的思維和觀念出發，將機械、電力、電子和計算機信息網絡等各項先進技術都融為一體的趨勢越來越明顯。現代的機電一體技術的發展賦予了機械人性化、智能化的特征，實現機電一體化不僅是通過各種工具的并聯使用，也指通過機械技術、電子規劃和軟件研發技術之間的相互匹配，實現整個系統的最優化，使現代機械制造行業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雜的非線性變形的過程。整個過程涉及了很多學科和技術，包括：力學中的彈性力學、塑性力學、熱力學和摩擦力學等等，而很多的因素都會對切削的過程產生影響，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，但是隨著現代制造技術和機電一體化技術的不斷進步，出現了許多針對金屬切削加工過程進行工藝數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軟件系統的硬質合金可加工性仿真的研究的平臺簡單談談關于機電一體化技術在金屬切削過程中的應用。

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

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）幾何模型建立或導入；2）網格劃分；3）材料定義；4）物體的接觸和摩擦定義；5）模擬參數的設定。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 設定工作條件

加工類型選擇turning（旋轉加工）。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。環境溫度為20℃，摩擦系數為0.6，熱導率為45。

1.1.2 設定刀具

本次研究中直接從Deform封裝的刀片庫中選取刀片。刀具溫度起初值設為20℃。刀具網格劃分采用相對劃分法，網格數為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和進給運動，而工件的內表面施加全約束，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 選定工件材料和網格

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

1.3 設定模擬條件

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

1.4 檢查設定結果

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

主軸轉速100轉/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Simulator標題下的run選項，出現模擬運行界面。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選項監控運行過程，Abort Immediately選項表示立即停止。正常運行結束后可以打開后處理分析結果。

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在刀具前刀面上主切削刃的附近，而在這個區域，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域內。刀尖的頂端溫度還要高一些。

3.3 切削過程中切削應力

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，仍然設置計算步為兩百部，其余數據設定也都保持不變。

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 結束語

金屬切削加工過程是復雜的非線性變形過程，如果仍然采用傳統的老研究方法很難對其切削機理進行準確定量的分析。現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性好、繼承性好、可延續性好等優點，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，能夠再現切削過程的變形和溫度變化。并且利用有限元仿真技術能夠方便的分析各種工藝參數對切削過程的影響，為優化切削工藝和提高產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。當然，這也是機電一體化技術在機械制造行業中的一種更深層次的應用。

[1]邱士安.機電一體化技術[M].西安電子科技大學出版社，2010.

[2]李建勇.機電一體化技術[M].北京科學出版社，2004.

[3]胡建軍，李小平.DEFORM-3D塑性成形CAE應用教程[M].北京大學出版社，2011，1.