數(shù)控刀具智能技術(shù)在機(jī)械加工中的應(yīng)用研究
2024-5-20 來(lái)源：貴州航空工業(yè)技師學(xué)院 作者：劉 飛
摘要：隨著科技的進(jìn)步，機(jī)械加工技術(shù)也在不斷發(fā)展。在機(jī)械加工領(lǐng)域中，數(shù)控刀具智能技術(shù)是一種更加智能化、高效化與快捷化的加工技術(shù)，其能夠更好地滿足機(jī)械加工的需求，提升機(jī)械加工的效率與質(zhì)量。文章概述了數(shù)控刀具智能技術(shù)的內(nèi)容，構(gòu)建了數(shù)控刀具材料本構(gòu)模型，同時(shí)對(duì)銑削過(guò)程進(jìn)行仿真，在此基礎(chǔ)上提出了機(jī)械加工中數(shù)控刀具智能技術(shù)的應(yīng)用策略，以期有效提升機(jī)械加工實(shí)際處理效果與質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：數(shù)控刀具智能技術(shù)；機(jī)械加工；銑削
近些年來(lái)，隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，機(jī)械加工的質(zhì)量與效率亟待提升。數(shù)控加工技術(shù)是一種新型的機(jī)械加工方法，且在機(jī)械加工領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在數(shù)控刀具管理、監(jiān)測(cè)以及使用等方面應(yīng)用智能技術(shù)，能夠更好地優(yōu)化機(jī)械加工方案，構(gòu)建信息化、智能化的數(shù)控刀具智能管理體系，為機(jī)械加工智能化水平的提升提供良好的保障。與此同時(shí)，在機(jī)械加工過(guò)程中，機(jī)械加工工作人員要全面分析加工的零部件，在零部件加工形狀明確的基礎(chǔ)上選擇更加智能化、高效化的加工技術(shù)，從而提高機(jī)械加工的效率與質(zhì)量 [1]。
1、數(shù)控刀具智能技術(shù)概述
數(shù)控刀具具有易切削、耐久性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)壽命強(qiáng)、可靠性強(qiáng)、位置精度大等特性，因而在機(jī)械加工過(guò)程中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在整個(gè)數(shù)控機(jī)床中，切削占據(jù)著非常大的比例，科學(xué)地選擇性能較高的數(shù)控刀具，對(duì)于提升機(jī)械加工生產(chǎn)效率更為有利。數(shù)控刀具智能技術(shù)的使用流程如圖 1 所示。
圖 1 數(shù)控刀具智能技術(shù)的流程
在應(yīng)用數(shù)控刀具智能技術(shù)時(shí)的流程如下：對(duì)圖樣展開(kāi)加工，確定最終的加工方案；選擇刀具，并做好安裝與調(diào)試工作；將數(shù)控刀具的參數(shù)、程序設(shè)定好；最后開(kāi)展試運(yùn)行，并加工零部件和驗(yàn)收零部件 [2]。在數(shù)控刀具智能技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，為了促進(jìn)機(jī)械加工效率與水平的提升，技術(shù)工作人員要不斷優(yōu)化與完善設(shè)計(jì)數(shù)控刀具的架構(gòu)，以此來(lái)推動(dòng)數(shù)控刀具的智能技術(shù)操作性能的提升。在優(yōu)化與完善的過(guò)程中，技術(shù)工作人員必須要充分考慮到在機(jī)械加工中數(shù)控刀具智能技術(shù)可能受到的影響。為了規(guī)避其他影響因素，防止數(shù)控刀具智能技術(shù)受到影響，在實(shí)際的機(jī)械加工環(huán)節(jié)中，要對(duì)數(shù)控刀具的操作流程和機(jī)械加工的操作系統(tǒng)進(jìn)行合理、科學(xué)的程序設(shè)計(jì)以及參數(shù)設(shè)置，保障數(shù)控刀具的作用得到更好地詮釋與發(fā)揮，為機(jī)械加工效率與生產(chǎn)水平的提升提供良好的技術(shù)支撐 [3]。
2、數(shù)控刀具材料本構(gòu)模型與銑削仿真
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控刀具的應(yīng)用也愈發(fā)智能化與信息化。為了能夠使得數(shù)控刀具智能技術(shù)發(fā)揮到最佳，重視數(shù)控刀具材料本構(gòu)模型的構(gòu)建和數(shù)控刀具銑削的仿真分析是非常有必要的。
2.1 構(gòu)建數(shù)控刀具材料本構(gòu)模型
在構(gòu)建數(shù)控刀具材料本構(gòu)模型之前要按照實(shí)際加工的零部件，科學(xué)地選擇數(shù)控刀具。但是數(shù)控刀具的類型是多種多樣的，其直徑不同，加工方式也會(huì)存在較大差異，因而不同的數(shù)控刀具，在其應(yīng)用過(guò)程中會(huì)對(duì)機(jī)械加工的質(zhì)量產(chǎn)生不同的影響 [4]。
在機(jī)械加工時(shí)，技術(shù)工作人員要注重機(jī)械加工效率的提高，從時(shí)間和質(zhì)量等方面進(jìn)行嚴(yán)格把控，保障數(shù)控刀具選擇的合理性與科學(xué)性，因而在數(shù)控道具的選擇上要尤為注意。當(dāng)對(duì)小批量零部件進(jìn)行數(shù)控加工時(shí)，工作人員可以通過(guò)合理控制數(shù)控刀具的待機(jī)時(shí)間，通過(guò)縮短其等待時(shí)間來(lái)增加零部件加工的時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)而使其性能得到大幅提升。通過(guò)對(duì)刀具材料、刀具直徑等因素的綜合分析，在數(shù)控刀具的科學(xué)選擇上應(yīng)該運(yùn)用有限元仿真軟件與熱力耦合原理來(lái)智能化地分析數(shù)控刀具的切削熱、切削力等，這樣既能夠推動(dòng)數(shù)控刀具智能技術(shù)應(yīng)用效果的提升，又能夠提升數(shù)控刀具的精準(zhǔn)仿真性，使其在機(jī)械加工中的科學(xué)性與精準(zhǔn)性更高、更強(qiáng) [5]。
在構(gòu)建數(shù)控刀具材料本構(gòu)模型時(shí)，要先對(duì)其數(shù)據(jù)運(yùn)算展開(kāi)分析，其分析的步驟主要是：首先進(jìn)行幾何模型的建立，并對(duì)數(shù)控刀具的材料進(jìn)行科學(xué)選擇；其次設(shè)定好零部件切削的參數(shù)，做好零部件材料的選擇；再次運(yùn)用仿真分析系統(tǒng)來(lái)計(jì)算刀具的智能數(shù)據(jù)；最后輸出數(shù)控刀具的運(yùn)算結(jié)果。技術(shù)工作人員要利用輸出的數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中心選取所需的參數(shù)，再運(yùn)用刀具模擬的軟件系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建幾何模型，通過(guò)軟件之間的格式轉(zhuǎn)換，就能夠?qū)?shù)控刀具的本構(gòu)模型構(gòu)建出來(lái) [6]。
在模型構(gòu)建出來(lái)后，工作人員要做好網(wǎng)格劃分形式的選擇，結(jié)合零部件實(shí)際加工標(biāo)準(zhǔn)、要求以及生產(chǎn)需求，選擇恰當(dāng)、科學(xué)的網(wǎng)格劃分形式。由于網(wǎng)格劃分形式有絕對(duì)與相對(duì)之分，如果運(yùn)用相對(duì)劃分，就要結(jié)合系統(tǒng)軟件的具體參數(shù)來(lái)進(jìn)行對(duì)應(yīng)網(wǎng)格的設(shè)置，但是需要用戶制定好網(wǎng)格的數(shù)量、參數(shù)和相關(guān)數(shù)據(jù)。在劃分網(wǎng)格的實(shí)際過(guò)程中，網(wǎng)格的尺寸會(huì)受到多種因素的影響，如零部件的形狀變化會(huì)對(duì)網(wǎng)格尺寸產(chǎn)生影響。因此，技術(shù)工作人員必須要結(jié)合零部件的實(shí)際加工情況，動(dòng)態(tài)設(shè)置與管理相關(guān)數(shù)據(jù)，使得加工的精準(zhǔn)性得到有效提升 [7]。
如果運(yùn)用絕對(duì)劃分，那么數(shù)控刀具智能技術(shù)會(huì)充分考慮到零部件的實(shí)際形狀，進(jìn)而自動(dòng)產(chǎn)生相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，且網(wǎng)格的尺寸也會(huì)隨著零部件的外形變化進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與改變，一般情況下，尺寸設(shè)置好后是固定的，不會(huì)輕易改變。使用絕對(duì)劃分時(shí)，如果零部件加工形狀更為復(fù)雜時(shí)，其就會(huì)有更多的網(wǎng)格數(shù)量，其模擬的
精準(zhǔn)性也會(huì)逐漸提升 [8]。
可見(jiàn)，無(wú)論選擇哪種網(wǎng)格劃分形式，都要結(jié)合零部件加工的標(biāo)準(zhǔn)和要求，以此來(lái)保障零部件加工的精準(zhǔn)性與科學(xué)性，最大化地提升機(jī)械加工的實(shí)際效率與質(zhì)量。
2.2 刀具的銑削仿真分析
切削與銑削都是刀具應(yīng)用的重要性能之一。在銑削的過(guò)程中，刀具與零部件之間會(huì)有摩擦熱能產(chǎn)生。為了能夠更好地反映刀具和零部件的切削力、切削溫度，選擇表面摩擦系數(shù)較為近似的刀具和零部件參數(shù)進(jìn)行仿真分析，從而得出相應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)，仿真模擬數(shù)據(jù)分析如表 1 所示。
表 1 仿真模擬數(shù)據(jù)分析
由表1可知，刀具和零部件的摩擦系數(shù)越低，其切削的溫度也會(huì)越低，反之則反。由此可見(jiàn)，數(shù)控刀具的切削力與摩擦系數(shù)、零部件和刀具的溫度有著很大的聯(lián)系。在仿真分析的過(guò)程中，為了能夠最大化地縮小數(shù)控刀具在仿真分析與實(shí)際操作過(guò)程中的差異，提升仿真精準(zhǔn)性，工作人員可以通過(guò)使用潤(rùn)滑油等方法來(lái)對(duì)數(shù)控刀具的切削力進(jìn)行有效控制，防止其對(duì)零部件的加工質(zhì)量產(chǎn)生影響 [9]。
3、機(jī)械加工中數(shù)控刀具智能技術(shù)應(yīng)用策略
在機(jī)械加工過(guò)程中，為了能夠有效提升機(jī)械加工效率，提高生產(chǎn)質(zhì)量，加強(qiáng)數(shù)控刀具智能技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)合理設(shè)置相關(guān)數(shù)據(jù)和參數(shù)，科學(xué)地選擇切削刀具等，能夠更好地節(jié)約生產(chǎn)成本，增強(qiáng)生產(chǎn)效益。
3.1 科學(xué)選擇數(shù)控刀具
目前，隨著時(shí)代的進(jìn)步，科技的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用越來(lái)越普遍。而在應(yīng)用數(shù)控機(jī)械時(shí)，切削型數(shù)控機(jī)械應(yīng)用的范圍非常廣泛 [10]。數(shù)控刀具的壽命和切削用量關(guān)系密切，在確定切削用量時(shí)，需結(jié)合機(jī)械加工的目標(biāo)來(lái)優(yōu)化刀具的壽命。為了能夠促進(jìn)數(shù)控機(jī)械加工效率的提升，工作人員要對(duì)數(shù)控刀具進(jìn)行科學(xué)選擇與優(yōu)化，充分地將數(shù)控刀具的作用與價(jià)值發(fā)揮出來(lái)。
在選擇數(shù)控刀具時(shí)，要考慮的因素主要有刀具的復(fù)雜程度、刀具的制造和磨刀的成本等，刀具的精度與復(fù)雜度越高，其壽命就越高。對(duì)于機(jī)夾可轉(zhuǎn)位的刀具，由于其換刀的時(shí)間相對(duì)較短，要想讓其充分發(fā)揮切削的作用與價(jià)值，選擇壽命較短的刀具，以此來(lái)提升生產(chǎn)效率。對(duì)于裝刀、調(diào)刀和換刀流程較煩瑣的多刀機(jī)床和組合機(jī)床等，選擇壽命較高的刀具，以此來(lái)保障其切削效率與刀具應(yīng)用的可靠性。在精加工大件時(shí)，為了保證一次走刀工作的順利完成，防止切削過(guò)程中換刀，數(shù)控刀具的選擇要結(jié)合零部件表面的粗糙程度和精度來(lái)進(jìn)行確定 [11]。
3.2 加大智能控制軟件的開(kāi)發(fā)力度
在信息科技不斷發(fā)展的大環(huán)境下，機(jī)械加工的技術(shù)水平也得到了一定程度的提升。數(shù)控機(jī)械加工對(duì)技術(shù)要求相對(duì)較高，為了能夠更好地實(shí)現(xiàn)與提升數(shù)控機(jī)械加工的功能，使其更加智能化與信息化，重視數(shù)控機(jī)械軟件的開(kāi)發(fā)是非常有必要的 [12]。
加大開(kāi)發(fā)智能控制軟件的力度，從數(shù)控技術(shù)角度來(lái)優(yōu)化與提升工作人員的維修能力與操作水平，使得機(jī)械加工的效率得到進(jìn)一步提升。在開(kāi)發(fā)智能控制軟件時(shí)，企業(yè)需從資金、人力等方面予以充分、必要的支持，聘用更加專業(yè)的編程設(shè)計(jì)人員；智能控制軟件的編程人員要嚴(yán)格把控好作業(yè)程序，按照機(jī)械加工的實(shí)際需求，細(xì)致、深入且全面地做好智能控制軟件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，使數(shù)控刀具能夠得到更智能化的操控，減少人力、物力的投入，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。與此同時(shí)，在加大智能控制軟件開(kāi)發(fā)力度的過(guò)程中，要以智能數(shù)控刀具切削的精準(zhǔn)性為著手點(diǎn)，結(jié)合機(jī)械加工的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)與要求，開(kāi)發(fā)出更具針對(duì)性、精準(zhǔn)性與可靠性的智能控制軟件，并對(duì)數(shù)控刀具進(jìn)行科學(xué)化的控制，提升機(jī)械加工中數(shù)控刀具應(yīng)用的效率與精準(zhǔn)性 [13]。
3.3 科學(xué)設(shè)置數(shù)控刀具參數(shù)
在實(shí)際數(shù)控機(jī)械加工環(huán)節(jié)中，切削刀具的應(yīng)用頻率非常高。要想提升數(shù)控加工環(huán)節(jié)的效率，工作人員結(jié)合實(shí)際加工要求與標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)地選擇數(shù)控刀具智能系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)數(shù)控刀具材料等參數(shù)的科學(xué)設(shè)置，嚴(yán)格控制數(shù)控刀具背吃刀量等參數(shù)。
背吃刀量的計(jì)算公式為：背吃刀量 =（零部件待加工的表面直徑 - 零部件已加工表面直徑）/2。進(jìn)給速度的計(jì)算公式為：進(jìn)給速度 = 進(jìn)給量 × 主軸轉(zhuǎn)速。主軸轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為：主軸轉(zhuǎn)速 = 切削速度 ×1 000/π× 零部件直徑。由于切削速度、進(jìn)給量等參數(shù)都會(huì)對(duì)數(shù)控刀具切削質(zhì)量與效率產(chǎn)生直接影響，因此，重視切削速度、進(jìn)給量等參數(shù)的控制，能夠促進(jìn)數(shù)控刀具切削效率的提高 [14]。
4 、結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，目前，隨著科技的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的加工技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在機(jī)械加工過(guò)程中，技術(shù)工作人員必須重視數(shù)控刀具智能技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用，優(yōu)化與設(shè)置數(shù)控刀具相關(guān)參數(shù)，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)、科學(xué)選擇數(shù)控刀具以及科學(xué)設(shè)置數(shù)控刀具，能夠有效提升機(jī)械切削加工的自動(dòng)化、智能化水平，為精準(zhǔn)化機(jī)械加工提供良好的保障。
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