切削仿真技術(shù)對(duì)生產(chǎn)效率的影響

李琳LI Lin

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院，珠海 519085）

（Beijing Institute of Technology，Zhuhai，Zhuhai 519085，China）

0 引言

高速切削技術(shù)以其特有的原理優(yōu)勢(shì)和巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值，成為21 世紀(jì)的重要組成部分，也是當(dāng)前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的熱門領(lǐng)域之一。高速切削技術(shù)以其高效、高精度以及良好的表面質(zhì)量的特點(diǎn)，成為現(xiàn)今切削加工技術(shù)的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究和開發(fā)，特別是隨著機(jī)床設(shè)備等技術(shù)的突破性進(jìn)展，高速切削技術(shù)日漸成熟[1-4]。60～70年代美、德等國(guó)開始進(jìn)行這方面研究，并將高速技術(shù)作為當(dāng)代金屬加工的重要研究領(lǐng)域之一，也被列為重大綜合性項(xiàng)目和經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的高技術(shù)重要內(nèi)容[5]。

1 高速切削理論

高速切削技術(shù)的工藝和速度范圍有了很大的擴(kuò)展，不僅包括切削加工，也包括磨削和切割。而如今高速切削在實(shí)際生產(chǎn)中切削鋁合金的速度范圍為1500m/min-5500m/min，鑄鐵為750m/min-4500m/min，普通鋼為600m/min-800m/min。

高速切削技術(shù)的先進(jìn)性還表現(xiàn)在其廣泛的適用范圍上，滿足了越來(lái)越高的加工質(zhì)量要求和越來(lái)越復(fù)雜的三維曲面形狀精密加工要求；提供了解決硬材料、薄壁材料加工問(wèn)題的新方案[6]。高速切削技術(shù)最早在航空航天領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，飛機(jī)的蜂窩結(jié)構(gòu)件必須采用高速切削技術(shù)才能保證加工質(zhì)量，梁、框、壁板等加工余量特別大，使用高速加工能有效提高生產(chǎn)率；目前，高速切削技術(shù)已被推廣應(yīng)用到汽車、模具、機(jī)床等行業(yè)，電子產(chǎn)品中的薄壁結(jié)構(gòu)尤其需要高速加工。

淬硬鋼、鎢合金、高錳鋼、不銹鋼、鈦合金、高比強(qiáng)鎂合金、高溫合金、高強(qiáng)度鋼與超高強(qiáng)度鋼等難加工材料廣泛應(yīng)用于國(guó)防科技工業(yè)。因此，在軍工制造業(yè)廣泛開展難加工材料高速切削技術(shù)的推廣應(yīng)用對(duì)于提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[7]。

研究高速切削加工刀具的失效機(jī)理和壽命問(wèn)題是目前高速切削加工技術(shù)面料的重要而現(xiàn)實(shí)的課題，對(duì)于高速切削加工技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用具有費(fèi)城重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義[8]。

2 仿真研究的優(yōu)勢(shì)

在過(guò)去的很長(zhǎng)時(shí)間中，人們對(duì)金屬加工進(jìn)行了大量的研究。大部分的研究都集中于降低加工成本、提高加工精度和表面質(zhì)量方面，很少有人致力于加工機(jī)理的研究。隨著高速加工以及微小型加工的發(fā)展，今后的加工要求在自動(dòng)化環(huán)境更高的情況下對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行更好的控制，而這種有效的控制依賴于對(duì)加工機(jī)理的掌握，以及對(duì)加工結(jié)果的精確的預(yù)測(cè)，這其中包括了對(duì)工件尺寸、表面粗糙度，還有加工時(shí)間和費(fèi)用等方面的預(yù)測(cè)。

切削預(yù)測(cè)的一個(gè)重要指標(biāo)就是對(duì)刀具磨損的預(yù)測(cè)。刀具磨損影響了切削能量、加工質(zhì)量、刀具壽命和加工費(fèi)用等。當(dāng)?shù)毒吣p達(dá)到一定的程度，切削力明顯增大，甚至產(chǎn)生振動(dòng)，一定程度上影響工件的加工精度和表面質(zhì)量。因此必須進(jìn)行重磨或更換新刀。這就增加了加工費(fèi)用、降低了生產(chǎn)率。因而預(yù)測(cè)刀具磨損對(duì)于優(yōu)化加工過(guò)程起到了重要的作用。

目前，刀具磨損和刀具壽命的預(yù)測(cè)主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法建立工具壽命的經(jīng)驗(yàn)公式，如美國(guó)的Taylor 公式和歐洲的Hasting 公式。這些公式只是簡(jiǎn)單的描述了刀具壽命和切削參數(shù)之間的關(guān)系，簡(jiǎn)單易用，但是它不能揭示出刀具的磨損機(jī)理，也不能預(yù)測(cè)刀具前、后刀面上的磨損輪廓，但是這些都是對(duì)于刀具和工件材料的匹配設(shè)計(jì)、刀具幾何的優(yōu)化、甚至切削用量的選擇都是極為有用的信息。而且，這類公式只能在特定的切削條件下有效，如果切削系統(tǒng)中的某些條件發(fā)生變化，例如刀具的幾何角度改變，公式中的系數(shù)、常數(shù)不再適用，必須再通過(guò)大量的新的試驗(yàn)重新確定。現(xiàn)在的切削數(shù)據(jù)庫(kù)中大多采用Taylor 公式，其適用范圍的有限性造成了數(shù)據(jù)庫(kù)的龐大。隨著高速加工等新技術(shù)和新材料的出現(xiàn)及推廣，這一問(wèn)題也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。

在近幾十年中，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，有限元方法、有限差分方法、人工智能等數(shù)學(xué)模型廣泛的應(yīng)用于加工工業(yè)。其中，有限元方法更多的應(yīng)用于切削過(guò)程的仿真。通過(guò)對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行切屑成型和熱傳導(dǎo)過(guò)程的仿真分析，可以得到各種切削參數(shù)，包括很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的參數(shù)。因而可以通過(guò)有限元仿真方法建立新的刀具磨損預(yù)測(cè)模型。

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