汽车零配件工艺特征切削加工数据系统的开发

赵凯，秦闯，刘战强

(山东大学机械工程学院高效洁净机械制造教育部重点实验室，山东济南 250061)

0 前言

切削数据库是计算机技术与机加工技术相结合的产物，是衡量切削技术水平高低的重要指标，可以充分发挥数控机床和切削刀具功能［1］。早在1964年，美国金属切削联合研究公司和美国空军材料实验室就联合建立了CUTDATA切削数据库，该数据库涵盖了3 750种工件材料，22种加工方式和12种刀具材料［2］，成为世界上第一个金属切削数据库。为进一步完善切削数据库，国内外大量学者和学术研究机构进行了不懈努力。文献［3］建立了切削数据的知识专家系统，为车削、铣削和钻削加工推荐切削用量数据和加工补偿信息。文献 ［4－5］基于约束补偿问题和相似理论建立了高速切削数据系统，用于优化切削用量。文献［6］通过对车削加工特征进行分析和分类，结合对车削刀具结构的研究，确定了基于切削加工特征的车削刀具的选择原则，建立了基于切削加工特征的刀具选择切削数据库系统，实现车削刀具及其切削参数的智能选取。文献 ［7］则建立了车、铣、钻、镗4种加工方式实例库的数据结构及实例编码方法。

综上所述，现有的数据库采用System R的SQL等数据库语言，需在运行电脑上安装相应的支撑插件，而汽车制造、军工、航空航天等行业的计算机应用为安全考虑不允许安装软件插件，其通用性受到限制，且尚未解决与CAM集成的问题。为此，研究采用.txt格式文件作为底层数据的存储方式建立开发基于工艺特征的切削数据系统，并与UG CAM模块集成，开发基于UG数据编程的汽车零配件－切削数据系统。该系统可实现基于优化切削参数的数控编程，并无需任何插件的安装即可在计算机UG软件环境中运行应用。

1 汽车零配件工艺特征分类

工艺特征根据汽车零配件局部特征的加工方法、刀具类型和走刀路径进行分类，获得不同组合下最优的切削用量和数控信息。工艺特征分类如图1所示。

图1 工艺特征分类

2 汽车零配件工艺特征切削数据的获取和存储

切削数据传统上通过手册、生产实践或切削试验获取［8］，不但针对性和准确性较差，而且资源浪费大，成本高。为此，工艺特征切削数据通过对Deform 3D切削仿真数据的分析获得。

2.1 仿真过程设置

2.1.1 网格划分

Deform 3D有限元软件采用4节点12自由度四面体单元对工件和刀具三维实体进行自动网格划分。细密的网格产生更加精确的结果，却使仿真时间指数增加［9］。在确保计算精度的前提下，对工件和刀具进行局部网格细化，可以大大节约仿真时间。

2.1.2 材料本构方程

切削加工过程中工件材料经受高温、大应变和大应变率后发生弹塑性变形［10－11］。在弹性阶段，弹性模量和泊松比是重要的材料力学参数。在塑性阶段，则考虑温度、应变和应变率对材料流动应力的影响。因此构建能够准确反映切削过程高温、大应变及大应变率的材料本构模型是模拟分析的关键［12－13］。Johnson-Cook模型不但可以反映加工过程中的热软化效应、应变硬化效应和应变率硬化效应［14］，而且物理意义明确、结构简单，受到广泛认可。Johnson-Cook本构方程的一般形式如式 (1)所示。

2.2 实验验证

为验证模型的有效性和预测精度，对硬质合金立铣刀切削钛合金TC4工件进行了切削温度实验。切削温度实验在超高速铣床VMC0540d上进行，采用TH5104R红外热像仪对切削加工过程中的切削温度进行测量。铣削加工图如图2所示，实验参数如表1所示，切削温度与切削参数的关系如图3所示。

图2 铣削加工图

表1 实验参数

图3 切削温度与切削参数的关系

由图3可知，实验切削温度与仿真切削温度具有很好的一致性，证明通过Deform 3D有限元仿真的方法获得切削温度是有效的。

2.3 底层数据的获取和存储

采用指数公式表示切削温度与工艺参数之间的关系为:

式中:T为切削温度;x1和x2为工件特征参数，x3～x10为刀具几何参数，x11～x13为切削用量，v为切削速度;C0为常数，C1～C13为各工艺参数的指数，C为切削速度的系数。式 (2)中常数与工艺参数的指数可通过对切削温度仿真数据的多元回归分析获得。

马卡洛夫最佳切削温度守恒定律认为:对于几何参数和材料都给定的刀具和工件，在最佳切削状态所对应的不同切削用量的组合有相同的最佳切削温度，这个最佳切削温度将使得刀具磨损最小［15］。根据该定律，最佳切削温度取T0时，切削速度v的取值为:

其中，

式中:Y0～Y13为常数，不同工艺特征的Y0～Y13组成了工艺特征切削系统的底层数据。为避免System R的SQL等数据库语言插件和支撑环境的问题，研究采用.txt文件作为底层数据的存储方式。

3 汽车零配件工艺特征切削数据系统开发

汽车零配件工艺特征切削数据系统通过VC++编程得到，因底层数据库采用.txt文件存储，故该软件底层数据库的修改和批量添加较为方便。且该软件无需插件和安装，对运行系统无特殊要求。其中汽车零配件工艺特征切削数据系统界面如图4—6所示。

图4 汽车零配件工艺特征切削数据系统 (首界面)

图5 汽车零配件工艺特征切削数据系统 (输入界面)

图6 汽车零配件工艺特征切削数据系统 (输出界面)

汽车零配件工艺特征切削数据系统可以通过首界面中点击“选取操作名称”读取UG已经形成的操作信息，通过该系统运算后得到优化的数控加工参数，并通过输出界面点击“写入操作”修改原操作信息，进而形成优化的数控代码。

4 结论

(1)工艺特征根据汽车零配件局部特征的加工方法、刀具类型和走刀路径进行分类，形成了工艺特征切削数据系统。

(2)建立了基于Deform 3D的切削温度预测模型，可以预测不同工艺特征、不同加工方法和不同刀工材料下的切削温度。

(3)通过VC++开发了汽车零配件工艺特征切削数据系统，根据不同的刀具参数、主轴转速、表面粗糙度，获得优化的切削用量和数控信息。该系统采用.txt格式文件作为底层数据的存储方式，避免了对运行环境安装插件的要求。

(4)汽车零配件工艺特征切削数据系统与UG CAM模块集成，开发了基于UG数据编程的汽车零配件切削数据系统。

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