浅谈机电一体化技术在金属切削中的应用

刘菊青 方 斌张 立

(1.安徽淮北煤电技师学院，安徽 淮北 235000；2.安徽矿业职业技术学院，安徽 淮北 235000）

“机电一体化技术”这一名称最早出现在1971年的日本杂志《机械设计》的副刊上，当时它的出现是以英文单词“mechatronics”形式，取英文“mechanics”前半部和“electronics”后半部结合在一起，意为机械技术和电子技术的有机结合。在我国有很多学术刊物曾经译为机械电子技术，或者机械电子学。随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化技术这一名词现已经被各国广泛接受并认可了。

当今，在世界范围内的高科技竞争正迅猛地冲击着传统的生产方式，产品更新换代的速度加快，高新科技渗入到以往的传统技术，带动了传统技术的创新变革，而机电一体化技术正是这场创新浪潮中的新兴技术变革的主要驱动力量。机械制造行业由于机电一体化的深入应用获得了前所未有的发展就是这场变革带来的成功典型。从其系统的思维和观念出发，将机械、电力、电子和计算机信息网络等各项先进技术都融为一体的趋势越来越明显。现代的机电一体技术的发展赋予了机械人性化、智能化的特征，实现机电一体化不仅是通过各种工具的并联使用，也指通过机械技术、电子规划和软件研发技术之间的相互匹配，实现整个系统的最优化，使现代机械制造行业中的各种工作程序和借助工具、手段更加的简便和更加的完美。

在机械加工过程中，金属切削过程是一个十分复杂的非线性变形的过程。整个过程涉及了很多学科和技术，包括：力学中的弹性力学、塑性力学、热力学和摩擦力学等等，而很多的因素都会对切削的过程产生影响，如刀具的磨损、烧伤、刀具的形状和温度等因素会直接影响切削精度。而利用传统的研究方法很难对切削过程进行定量分析，也很难对整个加工过程进行研究，但是随着现代制造技术和机电一体化技术的不断进步，出现了许多针对金属切削加工过程进行工艺数值模拟和仿真的软件。例如DEFORM系列软件，对金属切削过程的仿真提供了有效的方法和手段。本文就基于DEFORM软件系统的硬质合金可加工性仿真的研究的平台简单谈谈关于机电一体化技术在金属切削过程中的应用。

DEFORM系列软件是由位于美国俄亥俄州的哥伦布市科学成型技术公司开发研究的。该系列软件主要应用于金属塑性加工、热处理等工艺数值模拟。它的前身是美国空军Battelle实验室开发的ALPID软件。在1991年成立的SFTC公司将其商业化。目前DEFORM软件已经成为世界上流行的金属加工数值的模拟软件之一。

金属的切削仿真主要包含三个步骤，分别是前处理、仿真模拟、后处理。金属切削仿真的前处理是有限元分析的主要步骤，它的操作时间占到用户操作时间的80%，有很多定义都是在前处理阶段进行的，前处理主要包括：1）几何模型建立或导入；2）网格划分；3）材料定义；4）物体的接触和摩擦定义；5）模拟参数的设定。在切削仿真完成后进入后处理窗口，可以看到后处理包括下面几个部分：1）图形显示窗口；2）步数选择和动画播放；3）图形显示选择窗口；4）图形显示控制窗口；5）要显示的变量选择。

1 仿真切削的前处理

1.1 切削模型的建立

1.1.1 设定工作条件

加工类型选择turning（旋转加工）。单位制选择System international(国际单位制)。表面加工速度为100rpm，切削深度500nm，进给1 mm/min。环境温度为20℃，摩擦系数为0.6，热导率为45。

1.1.2 设定刀具

本次研究中直接从Deform封装的刀片库中选取刀片。刀具温度起初值设为20℃。刀具网格划分采用相对划分法，网格数为35000个。同时，分析中认为刀具是刚性的，在运动分析中使刀具同时做旋转和进给运动，而工件的内表面施加全约束，这样就完全模拟了车削的运动过程。

1.2 工件模型的建立

1.2.1 选定工件形状

选择工件形状为Curve modes(有弯度的模式)。工件直径为0.05m,弯曲角度为15°。

1.2.2 选定工件材料和网格

本次研究中直接选取封装在Deform材料库中的硬质合金材料；工件网格也采用相对划分法，网格数为40000个。选取的材料基本达到了现实切削过程的材料性能条件。

1.3 设定模拟条件

存储增量为每四步存一次，总共运算步数200步，切削终止角度7.5°另外选择Tool wear calculation with Usui mode对刀具磨损进行设定，以便后处理时查看刀具磨损量，根据经验值取a,b分别为0.0000001和 855.0。

1.4 检查设定结果

计算直到对话框检查项全打勾，出现You can click‘Finish’。若有不恰当处，会提出警告或错误。需根据提示，对设定值进行修改，直到出现 You can click ‘Finish’。

1.5 退出前处理

点击工具栏中的退出按钮，在弹出提示窗口中点击【yes】退出，同时在主窗口的文件夹下生成MACHINE.DB文件，完成切削加工的前处理过程。

2 模拟过程

主轴转速100转/分钟，切削深度500纳米，进给1mm/分钟，切端面软件操作方面，在主页面中用鼠标点击文件目录菜单下的MACHINE.DB文件，点击主窗口右侧Simulator标题下的run选项，出现模拟运行界面。Running表示正在运行。如果模拟效果不好或有其他原因需要停止模拟过程，可以通过主窗口Simulator栏下的Process Monitor选项监控运行过程，Abort Immediately选项表示立即停止。正常运行结束后可以打开后处理分析结果。

3 后处理分析

3.1 切削过程中刀具磨损程度

图1

从图1可以看出随着时间推移刀尖磨损程度越来越大。

3.2 切削过程中刀具表面切削热

图2

从上面一系列的仿真视图可以看出，刀具表面切削温度的最高点总是出现在刀具前刀面上主切削刃的附近，而在这个区域，刀具和工件之间的压力比较高，摩擦力比较大，说明了刀屑之间的摩擦是引起温度上升的一个重要因素。刀具表面温度上升到400左右，然后温度一直保持在这个区域内。刀尖的顶端温度还要高一些。

3.3 切削过程中切削应力

图3

通过软件提取X,Y,Z三个方向的力，切削深度为500nm结果如表1：

表1

保持切削速度和进给量不变，使用DEFORM再分别对切削深度分别为300nm,400nm,600nm,700nm时的切削过程进行模拟。与切削深度500nm进行比较分析，仍然设置计算步为两百部，其余数据设定也都保持不变。

表2

其大概走向如图4所示：

图4

由上图可以看出，在保持切削速度和进给量不变时，随着切削深度的不断增大，切削力也在不断增大。对于主切削力F(Y)，随着切削量的增大，其变化曲线的趋势有逐渐增大的趋势，而进给力F(X)和背向力F(Z)随着切削力的增大，其增大较缓慢。

4 结束语

金属切削加工过程是复杂的非线性变形过程，如果仍然采用传统的老研究方法很难对其切削机理进行准确定量的分析。现在可以利用计算机进行有限元仿真研究的手段对其进行定量分析，这种研究的方法具有系统性好、继承性好、可延续性好等优点，还不受时间、空间和实验条件的限制，一旦获得较好的仿真效果则可大大缩短工艺设计的时间和成本。有限元仿真还可以获得许多用实验方法难以获得或者不能获得的信息，能够再现切削过程的变形和温度变化。并且利用有限元仿真技术能够方便的分析各种工艺参数对切削过程的影响，为优化切削工艺和提高产品精度与性能提供理论和实用的手段，为更好的研究金属切削理论提供了极大的方便。当然，这也是机电一体化技术在机械制造行业中的一种更深层次的应用。

[1]邱士安.机电一体化技术[M].西安电子科技大学出版社，2010.

[2]李建勇.机电一体化技术[M].北京科学出版社，2004.

[3]胡建军，李小平.DEFORM-3D塑性成形CAE应用教程[M].北京大学出版社，2011，1.