汽車零配件工藝特征切削加工數據系統的開發

趙凱，秦闖，劉戰強

(山東大學機械工程學院高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，山東濟南 250061)

0 前言

切削數據庫是計算機技術與機加工技術相結合的產物，是衡量切削技術水平高低的重要指標，可以充分發揮數控機床和切削刀具功能［1］。早在1964年，美國金屬切削聯合研究公司和美國空軍材料實驗室就聯合建立了CUTDATA切削數據庫，該數據庫涵蓋了3 750種工件材料，22種加工方式和12種刀具材料［2］，成為世界上第一個金屬切削數據庫。為進一步完善切削數據庫，國內外大量學者和學術研究機構進行了不懈努力。文獻［3］建立了切削數據的知識專家系統，為車削、銑削和鉆削加工推薦切削用量數據和加工補償信息。文獻 ［4－5］基于約束補償問題和相似理論建立了高速切削數據系統，用于優化切削用量。文獻［6］通過對車削加工特征進行分析和分類，結合對車削刀具結構的研究，確定了基于切削加工特征的車削刀具的選擇原則，建立了基于切削加工特征的刀具選擇切削數據庫系統，實現車削刀具及其切削參數的智能選取。文獻 ［7］則建立了車、銑、鉆、鏜4種加工方式實例庫的數據結構及實例編碼方法。

綜上所述，現有的數據庫采用System R的SQL等數據庫語言，需在運行電腦上安裝相應的支撐插件，而汽車制造、軍工、航空航天等行業的計算機應用為安全考慮不允許安裝軟件插件，其通用性受到限制，且尚未解決與CAM集成的問題。為此，研究采用.txt格式文件作為底層數據的存儲方式建立開發基于工藝特征的切削數據系統，并與UG CAM模塊集成，開發基于UG數據編程的汽車零配件－切削數據系統。該系統可實現基于優化切削參數的數控編程，并無需任何插件的安裝即可在計算機UG軟件環境中運行應用。

1 汽車零配件工藝特征分類

工藝特征根據汽車零配件局部特征的加工方法、刀具類型和走刀路徑進行分類，獲得不同組合下最優的切削用量和數控信息。工藝特征分類如圖1所示。

圖1 工藝特征分類

2 汽車零配件工藝特征切削數據的獲取和存儲

切削數據傳統上通過手冊、生產實踐或切削試驗獲取［8］，不但針對性和準確性較差，而且資源浪費大，成本高。為此，工藝特征切削數據通過對Deform 3D切削仿真數據的分析獲得。

2.1 仿真過程設置

2.1.1 網格劃分

Deform 3D有限元軟件采用4節點12自由度四面體單元對工件和刀具三維實體進行自動網格劃分。細密的網格產生更加精確的結果，卻使仿真時間指數增加［9］。在確保計算精度的前提下，對工件和刀具進行局部網格細化，可以大大節約仿真時間。

2.1.2 材料本構方程

切削加工過程中工件材料經受高溫、大應變和大應變率后發生彈塑性變形［10－11］。在彈性階段，彈性模量和泊松比是重要的材料力學參數。在塑性階段，則考慮溫度、應變和應變率對材料流動應力的影響。因此構建能夠準確反映切削過程高溫、大應變及大應變率的材料本構模型是模擬分析的關鍵［12－13］。Johnson-Cook模型不但可以反映加工過程中的熱軟化效應、應變硬化效應和應變率硬化效應［14］，而且物理意義明確、結構簡單，受到廣泛認可。Johnson-Cook本構方程的一般形式如式 (1)所示。

2.2 實驗驗證

為驗證模型的有效性和預測精度，對硬質合金立銑刀切削鈦合金TC4工件進行了切削溫度實驗。切削溫度實驗在超高速銑床VMC0540d上進行，采用TH5104R紅外熱像儀對切削加工過程中的切削溫度進行測量。銑削加工圖如圖2所示，實驗參數如表1所示，切削溫度與切削參數的關系如圖3所示。

圖2 銑削加工圖

表1 實驗參數

圖3 切削溫度與切削參數的關系

由圖3可知，實驗切削溫度與仿真切削溫度具有很好的一致性，證明通過Deform 3D有限元仿真的方法獲得切削溫度是有效的。

2.3 底層數據的獲取和存儲

采用指數公式表示切削溫度與工藝參數之間的關系為:

式中:T為切削溫度;x1和x2為工件特征參數，x3～x10為刀具幾何參數，x11～x13為切削用量，v為切削速度;C0為常數，C1～C13為各工藝參數的指數，C為切削速度的系數。式 (2)中常數與工藝參數的指數可通過對切削溫度仿真數據的多元回歸分析獲得。

馬卡洛夫最佳切削溫度守恒定律認為:對于幾何參數和材料都給定的刀具和工件，在最佳切削狀態所對應的不同切削用量的組合有相同的最佳切削溫度，這個最佳切削溫度將使得刀具磨損最小［15］。根據該定律，最佳切削溫度取T0時，切削速度v的取值為:

其中，

式中:Y0～Y13為常數，不同工藝特征的Y0～Y13組成了工藝特征切削系統的底層數據。為避免System R的SQL等數據庫語言插件和支撐環境的問題，研究采用.txt文件作為底層數據的存儲方式。

3 汽車零配件工藝特征切削數據系統開發

汽車零配件工藝特征切削數據系統通過VC++編程得到，因底層數據庫采用.txt文件存儲，故該軟件底層數據庫的修改和批量添加較為方便。且該軟件無需插件和安裝，對運行系統無特殊要求。其中汽車零配件工藝特征切削數據系統界面如圖4—6所示。

圖4 汽車零配件工藝特征切削數據系統 (首界面)

圖5 汽車零配件工藝特征切削數據系統 (輸入界面)

圖6 汽車零配件工藝特征切削數據系統 (輸出界面)

汽車零配件工藝特征切削數據系統可以通過首界面中點擊“選取操作名稱”讀取UG已經形成的操作信息，通過該系統運算后得到優化的數控加工參數，并通過輸出界面點擊“寫入操作”修改原操作信息，進而形成優化的數控代碼。

4 結論

(1)工藝特征根據汽車零配件局部特征的加工方法、刀具類型和走刀路徑進行分類，形成了工藝特征切削數據系統。

(2)建立了基于Deform 3D的切削溫度預測模型，可以預測不同工藝特征、不同加工方法和不同刀工材料下的切削溫度。

(3)通過VC++開發了汽車零配件工藝特征切削數據系統，根據不同的刀具參數、主軸轉速、表面粗糙度，獲得優化的切削用量和數控信息。該系統采用.txt格式文件作為底層數據的存儲方式，避免了對運行環境安裝插件的要求。

(4)汽車零配件工藝特征切削數據系統與UG CAM模塊集成，開發了基于UG數據編程的汽車零配件切削數據系統。

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