汽車零配件工藝特征切削加工數(shù)據(jù)系統(tǒng)的開發(fā)

趙凱，秦闖，劉戰(zhàn)強(qiáng)

(山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實驗室，山東濟(jì)南 250061)

0 前言

切削數(shù)據(jù)庫是計算機(jī)技術(shù)與機(jī)加工技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是衡量切削技術(shù)水平高低的重要指標(biāo)，可以充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床和切削刀具功能［1］。早在1964年，美國金屬切削聯(lián)合研究公司和美國空軍材料實驗室就聯(lián)合建立了CUTDATA切削數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫。為進(jìn)一步完善切削數(shù)據(jù)庫，國內(nèi)外大量學(xué)者和學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了不懈努力。文獻(xiàn)［3］建立了切削數(shù)據(jù)的知識專家系統(tǒng)，為車削、銑削和鉆削加工推薦切削用量數(shù)據(jù)和加工補(bǔ)償信息。文獻(xiàn) ［4－5］基于約束補(bǔ)償問題和相似理論建立了高速切削數(shù)據(jù)系統(tǒng)，用于優(yōu)化切削用量。文獻(xiàn)［6］通過對車削加工特征進(jìn)行分析和分類，結(jié)合對車削刀具結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實現(xiàn)車削刀具及其切削參數(shù)的智能選取。文獻(xiàn) ［7］則建立了車、銑、鉆、鏜4種加工方式實例庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及實例編碼方法。

綜上所述，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫采用System R的SQL等數(shù)據(jù)庫語言，需在運(yùn)行電腦上安裝相應(yīng)的支撐插件，而汽車制造、軍工、航空航天等行業(yè)的計算機(jī)應(yīng)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(shù)據(jù)的存儲方式建立開發(fā)基于工藝特征的切削數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并與UG CAM模塊集成，開發(fā)基于UG數(shù)據(jù)編程的汽車零配件－切削數(shù)據(jù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)基于優(yōu)化切削參數(shù)的數(shù)控編程，并無需任何插件的安裝即可在計算機(jī)UG軟件環(huán)境中運(yùn)行應(yīng)用。

1 汽車零配件工藝特征分類

工藝特征根據(jù)汽車零配件局部特征的加工方法、刀具類型和走刀路徑進(jìn)行分類，獲得不同組合下最優(yōu)的切削用量和數(shù)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(shù)據(jù)的獲取和存儲

切削數(shù)據(jù)傳統(tǒng)上通過手冊、生產(chǎn)實踐或切削試驗獲?。?］，不但針對性和準(zhǔn)確性較差，而且資源浪費(fèi)大，成本高。為此，工藝特征切削數(shù)據(jù)通過對Deform 3D切削仿真數(shù)據(jù)的分析獲得。

2.1 仿真過程設(shè)置

2.1.1 網(wǎng)格劃分

Deform 3D有限元軟件采用4節(jié)點(diǎn)12自由度四面體單元對工件和刀具三維實體進(jìn)行自動網(wǎng)格劃分。細(xì)密的網(wǎng)格產(chǎn)生更加精確的結(jié)果，卻使仿真時間指數(shù)增加［9］。在確保計算精度的前提下，對工件和刀具進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，可以大大節(jié)約仿真時間。

2.1.2 材料本構(gòu)方程

切削加工過程中工件材料經(jīng)受高溫、大應(yīng)變和大應(yīng)變率后發(fā)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(xué)參數(shù)。在塑性階段，則考慮溫度、應(yīng)變和應(yīng)變率對材料流動應(yīng)力的影響。因此構(gòu)建能夠準(zhǔn)確反映切削過程高溫、大應(yīng)變及大應(yīng)變率的材料本構(gòu)模型是模擬分析的關(guān)鍵［12－13］。Johnson-Cook模型不但可以反映加工過程中的熱軟化效應(yīng)、應(yīng)變硬化效應(yīng)和應(yīng)變率硬化效應(yīng)［14］，而且物理意義明確、結(jié)構(gòu)簡單，受到廣泛認(rèn)可。Johnson-Cook本構(gòu)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(yù)測精度，對硬質(zhì)合金立銑刀切削鈦合金TC4工件進(jìn)行了切削溫度實驗。切削溫度實驗在超高速銑床VMC0540d上進(jìn)行，采用TH5104R紅外熱像儀對切削加工過程中的切削溫度進(jìn)行測量。銑削加工圖如圖2所示，實驗參數(shù)如表1所示，切削溫度與切削參數(shù)的關(guān)系如圖3所示。

圖2 銑削加工圖

表1 實驗參數(shù)

圖3 切削溫度與切削參數(shù)的關(guān)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(shù)據(jù)的獲取和存儲

采用指數(shù)公式表示切削溫度與工藝參數(shù)之間的關(guān)系為:

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

馬卡洛夫最佳切削溫度守恒定律認(rèn)為:對于幾何參數(shù)和材料都給定的刀具和工件，在最佳切削狀態(tài)所對應(yīng)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?。?5］。根據(jù)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(shù)，不同工藝特征的Y0～Y13組成了工藝特征切削系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)。為避免System R的SQL等數(shù)據(jù)庫語言插件和支撐環(huán)境的問題，研究采用.txt文件作為底層數(shù)據(jù)的存儲方式。

3 汽車零配件工藝特征切削數(shù)據(jù)系統(tǒng)開發(fā)

汽車零配件工藝特征切削數(shù)據(jù)系統(tǒng)通過VC++編程得到，因底層數(shù)據(jù)庫采用.txt文件存儲，故該軟件底層數(shù)據(jù)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(yùn)行系統(tǒng)無特殊要求。其中汽車零配件工藝特征切削數(shù)據(jù)系統(tǒng)界面如圖4—6所示。

圖4 汽車零配件工藝特征切削數(shù)據(jù)系統(tǒng) (首界面)

圖5 汽車零配件工藝特征切削數(shù)據(jù)系統(tǒng) (輸入界面)

圖6 汽車零配件工藝特征切削數(shù)據(jù)系統(tǒng) (輸出界面)

汽車零配件工藝特征切削數(shù)據(jù)系統(tǒng)可以通過首界面中點(diǎn)擊“選取操作名稱”讀取UG已經(jīng)形成的操作信息，通過該系統(tǒng)運(yùn)算后得到優(yōu)化的數(shù)控加工參數(shù)，并通過輸出界面點(diǎn)擊“寫入操作”修改原操作信息，進(jìn)而形成優(yōu)化的數(shù)控代碼。

4 結(jié)論

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

(2)建立了基于Deform 3D的切削溫度預(yù)測模型，可以預(yù)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(fā)了汽車零配件工藝特征切削數(shù)據(jù)系統(tǒng)，根據(jù)不同的刀具參數(shù)、主軸轉(zhuǎn)速、表面粗糙度，獲得優(yōu)化的切削用量和數(shù)控信息。該系統(tǒng)采用.txt格式文件作為底層數(shù)據(jù)的存儲方式，避免了對運(yùn)行環(huán)境安裝插件的要求。

(4)汽車零配件工藝特征切削數(shù)據(jù)系統(tǒng)與UG CAM模塊集成，開發(fā)了基于UG數(shù)據(jù)編程的汽車零配件切削數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

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