數(shù)控刀具智能技術(shù)在機(jī)械加工中的應(yīng)用研究

王宇雷

（鐵門(mén)關(guān)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 鐵門(mén)關(guān) 841007）

在機(jī)械加工中，技術(shù)人員應(yīng)對(duì)加工零部件進(jìn)行全面分析，在明確加工工件的幾何形狀的基礎(chǔ)上，選擇具有針對(duì)性的加工工藝。同時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)模擬數(shù)控加工圖形，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械加工過(guò)程的優(yōu)化與控制，提高機(jī)械加工效率與質(zhì)量。本文基于數(shù)控刀具智能技術(shù)流程分析，建立Johnson-Cook本構(gòu)模型，對(duì)數(shù)控刀具銑削進(jìn)行仿真分析，并對(duì)切削型數(shù)控刀具技術(shù)應(yīng)用展開(kāi)深度分析，以期為提升機(jī)械加工實(shí)效提供參考和借鑒。

1 數(shù)控刀具智能技術(shù)流程

數(shù)控刀具智能技術(shù)的應(yīng)用流程：加工圖樣—加工方案—刀具選擇、安裝與試切；編制、校驗(yàn)程序—參數(shù)設(shè)定—試運(yùn)行—零部件加工與驗(yàn)收。為有效提升機(jī)械加工實(shí)效，需要技術(shù)人員對(duì)數(shù)控刀具的架構(gòu)進(jìn)行完善和優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高智能技術(shù)系統(tǒng)的操作性能。在此過(guò)程中，技術(shù)人員應(yīng)注意的是，數(shù)控刀具智能技術(shù)在機(jī)械加工中的應(yīng)用會(huì)受到硬件條件因素影響，所以在具體機(jī)械加工過(guò)程中，應(yīng)科學(xué)、合理設(shè)置數(shù)控刀具操作流程與機(jī)械加工操作系統(tǒng)，確保數(shù)控刀具智能技術(shù)在機(jī)械加工中發(fā)揮最佳效用。

2 數(shù)控刀具材料本構(gòu)模型建立

在建立數(shù)控刀具材料本構(gòu)模型前，應(yīng)根據(jù)具體加工內(nèi)容，選擇適宜的數(shù)控刀具。不同的刀具直徑、加工方式對(duì)機(jī)械加工時(shí)間、質(zhì)量產(chǎn)生不同影響。以平面—銑削范圍（長(zhǎng)寬）mm的加工方式為例，不同刀具直徑對(duì)工件加工時(shí)間的影響如表1所示。

表1 刀具直徑對(duì)工件加工的影響

在機(jī)械加工過(guò)程中，技術(shù)人員應(yīng)以提升機(jī)械加工實(shí)效為目標(biāo)，科學(xué)合理選擇和應(yīng)用機(jī)床刀具。針對(duì)小批量生產(chǎn)加工的工件，可以通過(guò)降低數(shù)控刀具機(jī)械待機(jī)時(shí)間，增加工件加工時(shí)間，達(dá)到提升機(jī)械性能的目標(biāo)。為綜合分析刀具直徑、刀具材料等因素，科學(xué)選擇數(shù)控刀具，應(yīng)用有限元仿真軟件，結(jié)合熱力耦合原理，對(duì)數(shù)控刀具的切削力、切削熱等進(jìn)行智能化分析。一方面，在智能化分析過(guò)程中實(shí)現(xiàn)重畫(huà)，提高數(shù)控刀具系統(tǒng)的應(yīng)用效果；另一方面，獲取精準(zhǔn)仿真數(shù)據(jù)，提高數(shù)控刀具在機(jī)械加工中應(yīng)用的精準(zhǔn)性與科學(xué)性。數(shù)控刀具智能數(shù)據(jù)運(yùn)算分析流程：建立幾何模型—選擇刀具材料—設(shè)定工件切削參數(shù)—選擇工件材料—華愛(ài)芬網(wǎng)格—數(shù)控刀具智能數(shù)據(jù)運(yùn)算結(jié)果—結(jié)果輸出。

數(shù)據(jù)運(yùn)算結(jié)果輸出后，技術(shù)人員應(yīng)選取相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)，借助刀具模擬軟件建立幾何模型，并應(yīng)用三維軟件，構(gòu)建工件的模擬幾何模型，再通過(guò)軟件轉(zhuǎn)換，獲得STL格式的文件，使模型在有限元仿真軟件Deform-3D中展示出來(lái)。完成模型展示后，技術(shù)人員應(yīng)對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在此過(guò)程中，技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際機(jī)械加工需求，選擇應(yīng)用相對(duì)網(wǎng)格劃分方式或絕對(duì)網(wǎng)格劃分方式。相對(duì)網(wǎng)格劃分方式是根據(jù)軟件系統(tǒng)中的相應(yīng)參數(shù)，設(shè)置相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格，且網(wǎng)格數(shù)據(jù)、參數(shù)、數(shù)量等需要用戶指定。在實(shí)際網(wǎng)格劃分中，網(wǎng)格尺寸會(huì)受到工件的形變影響而發(fā)生變化，但網(wǎng)格數(shù)量固定不變，這需要技術(shù)人員結(jié)合實(shí)際加工情況，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理和設(shè)置，確保加工合理性、精準(zhǔn)性。

絕對(duì)網(wǎng)格劃分方式是數(shù)控刀具智能系統(tǒng)根據(jù)加工工件的形狀自動(dòng)生成網(wǎng)格數(shù)據(jù)、參數(shù)與數(shù)量等，網(wǎng)格尺寸根據(jù)工件外形特征的最小尺寸進(jìn)行設(shè)置，且尺寸固定不變。但此方式下，網(wǎng)格數(shù)量會(huì)根據(jù)工件的形狀變化而變化，當(dāng)工件形狀的復(fù)雜程度較高時(shí)，網(wǎng)格數(shù)量越多，有利于提高模擬的精準(zhǔn)性。因此，本研究采用絕對(duì)網(wǎng)格劃分方式，對(duì)工件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

在刀具切削過(guò)程中，工件變形問(wèn)題的本構(gòu)方程建立復(fù)雜，難以在有限元仿真中有效應(yīng)用。因此，本研究應(yīng)用Johnson-Cook本構(gòu)方程進(jìn)行研究分析，公式表示為：

3 數(shù)控刀具銑削仿真分析

數(shù)控刀具銑削過(guò)程中，刀具與工件表面摩擦?xí)a(chǎn)生摩擦熱，為有效反映工件切削溫度、切削力，本次仿真分析選擇刀具與工件表面的摩擦系數(shù)進(jìn)行近似反映，得出仿真數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 仿真數(shù)據(jù)

結(jié)合上述分析與表2數(shù)據(jù)，在相同切削參數(shù)下，刀具表面的粗糙程度越低，切削溫度越低。由于切削力受到摩擦系數(shù)、工件溫度及刀具溫度的影響，為縮小仿真與實(shí)際加工的差距，提高仿真的精準(zhǔn)性，需要技術(shù)人員在實(shí)際機(jī)械加工中，綜合運(yùn)用潤(rùn)滑油等方式，有效控制切削力，避免其變化過(guò)大，影響工件加工質(zhì)量。

4 切削型數(shù)控刀具技術(shù)應(yīng)用分析

具體實(shí)踐中，切削型數(shù)控機(jī)械加工的應(yīng)用頻率較高，為有效提升切削型數(shù)控加工效率與質(zhì)量，需要技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際加工需求，科學(xué)應(yīng)用數(shù)控刀具智能系統(tǒng)。例如，小型產(chǎn)品加工過(guò)程中，技術(shù)人員應(yīng)通過(guò)調(diào)整工件切削時(shí)間，控制數(shù)控機(jī)械待機(jī)時(shí)間，以提高機(jī)械加工效率。結(jié)合上述分析可知，刀具直徑、刀具材料是影響機(jī)械加工效率與質(zhì)量的重要內(nèi)容，為保證機(jī)械加工效率與質(zhì)量，技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際加工需求和智能化系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，合理選擇應(yīng)用數(shù)控刀具。

在數(shù)控刀具智能系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，技術(shù)人員應(yīng)合理設(shè)置背吃刀量等參數(shù)。

背吃刀量公式表示為：

需要注意的是，在具體切削加工中，背吃刀量參數(shù)的選擇應(yīng)保證工件表面粗糙程度為Ra0.8μm-3.2μm。

綜合公式（2）、（3）、（4）分析可知，進(jìn)給量、切削速度等參數(shù)也是影響數(shù)控刀具切削加工效率與質(zhì)量的重要因素，通過(guò)提高進(jìn)給量、切削速度，可以提升數(shù)控刀具切削效率。

為進(jìn)一步提升機(jī)械加工效率與質(zhì)量，需要技術(shù)人員立足數(shù)控刀具切削加工的智能化、自動(dòng)化特點(diǎn)分析，通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化和完善，提高數(shù)控刀具智能化、自動(dòng)化水平，為實(shí)際機(jī)械加工提供更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息。

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)控刀具智能技術(shù)的應(yīng)用有利于提高機(jī)械加工的精準(zhǔn)性，為提高機(jī)械加工質(zhì)量、驅(qū)動(dòng)機(jī)械制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)動(dòng)力。本文以實(shí)際應(yīng)用為視角，建立數(shù)控刀具材料本構(gòu)模型，對(duì)數(shù)控刀具銑削進(jìn)行仿真分析，并對(duì)切削型數(shù)控刀具技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行分析，總結(jié)出：在相同切削參數(shù)下，數(shù)控刀具表面的粗糙程度越低，切削溫度越低；在數(shù)控刀具智能技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，技術(shù)人員應(yīng)合理設(shè)置各項(xiàng)仿真參數(shù)，在保證仿真分析及智能技術(shù)應(yīng)用精準(zhǔn)性的基礎(chǔ)上，發(fā)揮數(shù)控刀具智能技術(shù)的最大效用。但綜合而言，本次研究未從社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益視角探討數(shù)控刀具智能技術(shù)的應(yīng)用實(shí)效，需要在后續(xù)研究中進(jìn)行深度分析。