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数控刀具智能技术在机械加工中的应用研究

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  • 更新时间2022-09-15
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  摘    要:为推动数控刀具智能化生产与发展,切实提高机械加工效率与质量,对数控刀具智能技术在机械加工中的应用进行研究。通过建立Johnson-Cook本构模型,得出仿真数据,对数控刀具铣削、切削型数控刀具技术应用进行分析,总结出:在相同切削参数下,刀具表面的粗糙程度越低,切削温度越低;技术人员应合理设置各项仿真参数,并提高智能系统研发力度,以提升数控刀具智能技术在机械加工中的应用价值作用。


  关键词:数控加工;刀具智能技术;机械加工;刀具材料本构模型;数控刀具铣削仿真;


  在机械加工中,技术人员应对加工零部件进行全面分析,在明确加工工件的几何形状的基础上,选择具有针对性的加工工艺。同时,技术人员应模拟数控加工图形,实现对机械加工过程的优化与控制,提高机械加工效率与质量。本文基于数控刀具智能技术流程分析,建立Johnson-Cook本构模型,对数控刀具铣削进行仿真分析,并对切削型数控刀具技术应用展开深度分析,以期为提升机械加工实效提供参考和借鉴。


  1 数控刀具智能技术流程


  数控刀具智能技术的应用流程:加工图样—加工方案—刀具选择、安装与试切;编制、校验程序—参数设定—试运行—零部件加工与验收。为有效提升机械加工实效,需要技术人员对数控刀具的架构进行完善和优化设计,以提高智能技术系统的操作性能。在此过程中,技术人员应注意的是,数控刀具智能技术在机械加工中的应用会受到硬件条件因素影响,所以在具体机械加工过程中,应科学、合理设置数控刀具操作流程与机械加工操作系统,确保数控刀具智能技术在机械加工中发挥最佳效用。


  2 数控刀具材料本构模型建立


  在建立数控刀具材料本构模型前,应根据具体加工内容,选择适宜的数控刀具。不同的刀具直径、加工方式对机械加工时间、质量产生不同影响。以平面—铣削范围(长宽)mm的加工方式为例,不同刀具直径对工件加工时间的影响如表1所示。


  在机械加工过程中,技术人员应以提升机械加工实效为目标,科学合理选择和应用机床刀具。针对小批量生产加工的工件,可以通过降低数控刀具机械待机时间,增加工件加工时间,达到提升机械性能的目标。为综合分析刀具直径、刀具材料等因素,科学选择数控刀具,应用有限元仿真软件,结合热力耦合原理,对数控刀具的切削力、切削热等进行智能化分析。一方面,在智能化分析过程中实现重画,提高数控刀具系统的应用效果;另一方面,获取精准仿真数据,提高数控刀具在机械加工中应用的精准性与科学性。数控刀具智能数据运算分析流程:建立几何模型—选择刀具材料—设定工件切削参数—选择工件材料—华爱芬网格—数控刀具智能数据运算结果—结果输出。


  数据运算结果输出后,技术人员应选取相应设计参数,借助刀具模拟软件建立几何模型,并应用三维软件,构建工件的模拟几何模型,再通过软件转换,获得STL格式的文件,使模型在有限元仿真软件Deform-3D中展示出来。完成模型展示后,技术人员应对其进行网格划分。在此过程中,技术人员应根据实际机械加工需求,选择应用相对网格划分方式或绝对网格划分方式。相对网格划分方式是根据软件系统中的相应参数,设置相对应的网格,且网格数据、参数、数量等需要用户指定。在实际网格划分中,网格尺寸会受到工件的形变影响而发生变化,但网格数量固定不变,这需要技术人员结合实际加工情况,对相关数据进行动态管理和设置,确保加工合理性、精准性。


  绝对网格划分方式是数控刀具智能系统根据加工工件的形状自动生成网格数据、参数与数量等,网格尺寸根据工件外形特征的最小尺寸进行设置,且尺寸固定不变。但此方式下,网格数量会根据工件的形状变化而变化,当工件形状的复杂程度较高时,网格数量越多,有利于提高模拟的精准性。因此,本研究采用绝对网格划分方式,对工件进行网格划分。


  在刀具切削过程中,工件变形问题的本构方程建立复杂,难以在有限元仿真中有效应用。因此,本研究应用Johnson-Cook本构方程进行研究分析,公式表示为:


  式中,表示有效屈服应力;A表示初始屈服应力,单位:Pa;B表示硬化常数,单位:Pa;C表示应变速率常数;n表示硬化指数;m表示热软化指数;表示有效塑性应变;表示标准化有效塑性应变率,通常为1.0s-1的应变率;T*表示同源


  本研究中,选择A为145(Pa);B为565.6(Pa);C为0.03;E为1;n为0.154;m为1.8;α为0;为1;Troom为20;Tmelt为1480;D0为1。


  3 数控刀具铣削仿真分析


  数控刀具铣削过程中,刀具与工件表面摩擦会产生摩擦热,为有效反映工件切削温度、切削力,本次仿真分析选择刀具与工件表面的摩擦系数进行近似反映,得出仿真数据如表2所示。


  结合上述分析与表2数据,在相同切削参数下,刀具表面的粗糙程度越低,切削温度越低。由于切削力受到摩擦系数、工件温度及刀具温度的影响,为缩小仿真与实际加工的差距,提高仿真的精准性,需要技术人员在实际机械加工中,综合运用润滑油等方式,有效控制切削力,避免其变化过大,影响工件加工质量。


  4 切削型数控刀具技术应用分析


  具体实践中,切削型数控机械加工的应用频率较高,为有效提升切削型数控加工效率与质量,需要技术人员根据实际加工需求,科学应用数控刀具智能系统。例如,小型产品加工过程中,技术人员应通过调整工件切削时间,控制数控机械待机时间,以提高机械加工效率。结合上述分析可知,刀具直径、刀具材料是影响机械加工效率与质量的重要内容,为保证机械加工效率与质量,技术人员应根据实际加工需求和智能化系统数据分析结果,合理选择应用数控刀具。


  在数控刀具智能系统应用过程中,技术人员应合理设置背吃刀量等参数。


  背吃刀量公式表示为:


  需要注意的是,在具体切削加工中,背吃刀量参数的选择应保证工件表面粗糙程度为Ra0.8μm-3.2μm。


  进给速度公式表示为:


  综合公式(2)、(3)、(4)分析可知,进给量、切削速度等参数也是影响数控刀具切削加工效率与质量的重要因素,通过提高进给量、切削速度,可以提升数控刀具切削效率。


  为进一步提升机械加工效率与质量,需要技术人员立足数控刀具切削加工的智能化、自动化特点分析,通过系统优化和完善,提高数控刀具智能化、自动化水平,为实际机械加工提供更精准的数据信息。


  5 结语


  数控刀具智能技术的应用有利于提高机械加工的精准性,为提高机械加工质量、驱动机械制造业可持续发展提供技术动力。本文以实际应用为视角,建立数控刀具材料本构模型,对数控刀具铣削进行仿真分析,并对切削型数控刀具技术应用进行分析,总结出:在相同切削参数下,数控刀具表面的粗糙程度越低,切削温度越低;在数控刀具智能技术应用过程中,技术人员应合理设置各项仿真参数,在保证仿真分析及智能技术应用精准性的基础上,发挥数控刀具智能技术的最大效用。但综合而言,本次研究未从社会效益和经济效益视角探讨数控刀具智能技术的应用实效,需要在后续研究中进行深度分析。


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