機(jī)電一體化技術(shù)在金屬切削中的應(yīng)用分析

牛艷娥

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的迅速發(fā)展，我國的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式受到了較大挑戰(zhàn)與沖擊，相關(guān)產(chǎn)品更新速度也變快，生產(chǎn)領(lǐng)域的各項(xiàng)技術(shù)出現(xiàn)了新的變革，現(xiàn)在新興技術(shù)的主要變革驅(qū)動(dòng)力是機(jī)電一體化技術(shù)，提高了生產(chǎn)力及生產(chǎn)效率。相關(guān)工作研究人員應(yīng)該重視這方面技術(shù)的研究與應(yīng)用，文章重點(diǎn)探討分析機(jī)電一體化技術(shù)在金屬切削中的應(yīng)用，首先要明確機(jī)電一體化技術(shù)概念，了解其基本的學(xué)科構(gòu)成要素，借助仿真軟件deform深入實(shí)踐，分析機(jī)電一體化技術(shù)在金屬切削中的使用。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化技術(shù)；金屬切削；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TH-39；TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）06-0040-02

日本是最早提出“機(jī)電一體化技術(shù)”的國家，它提出這種技術(shù)有效結(jié)合了機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)，帶動(dòng)了傳統(tǒng)技術(shù)的變革與創(chuàng)新，已經(jīng)較廣泛地應(yīng)用在社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域中，尤其是機(jī)械加工，金屬切削是機(jī)械加工過程中較復(fù)雜的非線性變形過程，涉及學(xué)科內(nèi)容較多，傳統(tǒng)研究方法不能很好地解決切削過程中出現(xiàn)的問題，而機(jī)電一體化技術(shù)彌補(bǔ)了上述不足，是一種有效的方法與手段。

1 機(jī)電一體化技術(shù)分析

1.1 機(jī)電一體化技術(shù)的含義分析

機(jī)電一體化技術(shù)將一些以微電子技術(shù)、信息技術(shù)等為代表的向機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)滲透，這些新技術(shù)與機(jī)械電子技術(shù)進(jìn)行深度結(jié)合，對(duì)傳統(tǒng)與現(xiàn)代新技術(shù)進(jìn)行了綜合運(yùn)用，從而形成了一種群體性技術(shù)。

從機(jī)械系統(tǒng)理論方面分析，應(yīng)該將技術(shù)功能目標(biāo)、組織結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，將智力、動(dòng)力等因素作為構(gòu)成基礎(chǔ)，對(duì)系統(tǒng)各要素及之間的信息關(guān)系處理好，耦合接口，然后開展傳遞運(yùn)動(dòng)及物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，另外系統(tǒng)的能量變換也是系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合與集成部分。系統(tǒng)程序及微電子電路有序信息必須控制好，開展物質(zhì)及能量的規(guī)則有序運(yùn)動(dòng)，使具備高功能、高質(zhì)量及高精度及低能耗技術(shù)綜合在一起，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳功能價(jià)值，總的來說，機(jī)電一體化可以被定義為一種系統(tǒng)工程技術(shù)。

1.2 機(jī)電一體化技術(shù)學(xué)科的構(gòu)成成分

結(jié)構(gòu)、動(dòng)力、運(yùn)動(dòng)及感知等成分有機(jī)構(gòu)成了機(jī)電一體化系統(tǒng)，其中機(jī)械本體是結(jié)構(gòu)組成要素，功能要素也集中存儲(chǔ)在其中，構(gòu)成要素主要是機(jī)身、框架、支撐及聯(lián)接等等；動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分體現(xiàn)了動(dòng)力組成要素，依照機(jī)電一體化技術(shù)相關(guān)要求，它主要提供能量及動(dòng)力為機(jī)電一體化系統(tǒng)，確保系統(tǒng)正常健康運(yùn)行；測試傳感部分其中蘊(yùn)含著感知組成要素，它對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行本身及外在環(huán)境所需參數(shù)與狀態(tài)進(jìn)行檢測，并將其轉(zhuǎn)換為可識(shí)別信號(hào)，接著將其輸送至信息處理單元，最終產(chǎn)生出一些控制信息；而職能組成要素一般包含在控制及處理信息部分里，集中、存儲(chǔ)、分析并加工處理測試傳感部分的信息及外部直接輸入指令，依據(jù)系統(tǒng)信息處理結(jié)國、規(guī)定程序等指令，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制[1]；運(yùn)動(dòng)組成要素主要蘊(yùn)含在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，依照系統(tǒng)中控制、信息處理部分相關(guān)指令，積極做出規(guī)定好的動(dòng)作及指令。

2 機(jī)電一體化技術(shù)在金屬切削中的應(yīng)用

我們這里使用機(jī)電一體化技術(shù)對(duì)金屬切削實(shí)際操作步驟進(jìn)行仿真模擬，首先應(yīng)明確金屬切削的三大部分與操作步驟：第一步是前處理，接著是仿真模擬，最后是后處理。前處理部分占用用戶操作時(shí)間最長，大約有80%，這個(gè)階段處理了許多定義，下面我們就來具體分析下機(jī)電一體技術(shù)在金屬切削中的實(shí)際應(yīng)用步驟與內(nèi)容。

2.1 金屬仿真切削的前處理

前處理工作首要內(nèi)容就是金屬切削模型的構(gòu)建，構(gòu)建模型需要設(shè)定工作條件，這里的金屬仿真切削加工方式是旋轉(zhuǎn)加工，涉及到的單位制選擇國際單位制，金屬表面的加工速度應(yīng)設(shè)置為100 rpm，切削深度設(shè)置為500 nm，進(jìn)給設(shè)置為1 mm/min，模型建立溫度應(yīng)該是20 ℃，設(shè)置0.6的摩擦系數(shù)、45的熱導(dǎo)率。

第二個(gè)內(nèi)容就是刀具的設(shè)定，此次實(shí)際應(yīng)用選取Deform封裝刀片庫中刀片，設(shè)置刀片起初溫度值為20 ℃，采用相對(duì)劃分法將刀具網(wǎng)格劃分成35 000個(gè)，因?yàn)榈毒邉傂暂^好，在仿真處理過程中時(shí)，刀具應(yīng)該做旋轉(zhuǎn)或者時(shí)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，施加約束給工件內(nèi)表面，對(duì)金屬切削運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仔細(xì)模擬。第二步是建立工作模型，首先選定工件形狀，選用有彎度模式的工件形狀，其直徑應(yīng)為0.05 m，彎曲角度應(yīng)為15 ℃，實(shí)驗(yàn)應(yīng)用中的硬質(zhì)合金材料選取Deform材料庫中封裝，也使用相對(duì)劃分法劃分工件網(wǎng)格，將其分為40 000個(gè)，選用材料應(yīng)基本上能夠滿足現(xiàn)實(shí)金屬切削要求[2]。第三步是設(shè)置好金屬切削的相關(guān)條件，存儲(chǔ)量增量工作應(yīng)該根據(jù)四步頻率法開展，由此得出存儲(chǔ)需要的運(yùn)算步數(shù)共有200步，切削終止角度值設(shè)定為7.5 °，道具磨損也是需要設(shè)定的，方便后續(xù)處理時(shí)對(duì)道具磨損量的查看，對(duì)a、b分別取值0.0000001、855.0依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值。第四步是對(duì)設(shè)定結(jié)果進(jìn)行檢查，一直到對(duì)話框內(nèi)的檢查項(xiàng)全部都打勾，并出現(xiàn)“You can click Finish”，如果檢查過程中出現(xiàn)不合理不恰當(dāng)之處，相應(yīng)的警告或錯(cuò)誤提示就會(huì)顯示出來，相關(guān)操作人員應(yīng)該按照提示對(duì)設(shè)定值進(jìn)行修改，修改正確至“You can click Finish”出現(xiàn)。第五步是退出之前要進(jìn)行相關(guān)的處理，退出按工具欄中相對(duì)應(yīng)按鈕，然后出現(xiàn)提示窗口，退出窗口只要點(diǎn)擊【yes】就可以了，接著就會(huì)有文件MACHINE.DB生成，最后進(jìn)行切削加工前處理工作。

2.2 模擬切削過程

金屬切削過程模擬時(shí)，有關(guān)機(jī)械的主軸轉(zhuǎn)速、切削深度應(yīng)該分別進(jìn)行設(shè)置，分別設(shè)置成100轉(zhuǎn)/min、500 nm，進(jìn)給進(jìn)行1min。操作者對(duì)電腦主頁面目錄菜單中的MACHINE.DB進(jìn)行點(diǎn)擊，頁面右側(cè)窗口會(huì)顯示一個(gè)run選項(xiàng)，這個(gè)選項(xiàng)點(diǎn)開后將有一個(gè)模擬運(yùn)行界面出現(xiàn)，如果顯示Running則是正在運(yùn)行；模擬金屬切削過程中往往會(huì)遇到一些問題，這時(shí)應(yīng)立即停止切削過程的模擬，對(duì)主窗口中選項(xiàng)Process Monito進(jìn)行點(diǎn)擊，監(jiān)控其運(yùn)行過程，點(diǎn)擊Abort Immediately來完成立即停止指令，切削過程正常完成后，處理并分析運(yùn)行結(jié)果[3]。

2.3 后處理

最后要對(duì)切削過程進(jìn)行后處理分析，第一個(gè)分析內(nèi)容就是金屬切削過程中道具的磨損程度，實(shí)際磨損程度，如圖1所示。

由圖1能夠看出，刀尖磨損程度隨著時(shí)間推移越來越大。

由后處理我們也能夠得到切削過程中刀具表面的切削熱情況，如圖2所示。

從上述的金屬切削工具的仿真視圖中，能夠看到前刀面主切削刃附近是刀具表面切削溫度最高的，因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域內(nèi)的刀具及工件壓力較高，產(chǎn)生了較大的摩擦力，這也表明刀具溫度上升的主要原因是刀屑間摩擦，并且刀具溫度升高至400 ℃左右時(shí)，溫度會(huì)一直保持，其中溫度更高一些的是刀尖端[4]。切削應(yīng)力是切削過程中不可避免的，這個(gè)力的計(jì)算需要從三方面三個(gè)方向考慮：X、Y、Z，從而計(jì)算推測出切削深度為500 nm，三個(gè)方向上力的具體數(shù)值，見表1。

切削的速度與進(jìn)給量應(yīng)該保持不變，按照上述操作過程分別模擬切削深度為300、400、600及700 nm的金屬切削件通過Deform，并將其與500 nm切削深度比較，計(jì)算步仍舊設(shè)置為200步，剩下數(shù)據(jù)的設(shè)定也不變。通過比較分析，可以得出：切削速度及進(jìn)給量保持不變時(shí)，切削深度增加，切削力增大[5]。主切削力隨切削量增大而逐漸增大，但是進(jìn)給力及背向力隨切削力增大而緩慢增大。

3 結(jié) 語

這些都是機(jī)電一體化實(shí)踐模擬操作過程，要讓學(xué)員很好地掌握金屬切削技能，除了給其傳授實(shí)際操作方法外，還要講授一些機(jī)電一體化理論知識(shí)，應(yīng)該首先明確人才培養(yǎng)目標(biāo)，明確機(jī)電一體化的重難點(diǎn)，開展形式多樣的教授形式和方法。

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