切削仿真技术对生产效率的影响

李琳LI Lin

（北京理工大学珠海学院，珠海 519085）

（Beijing Institute of Technology，Zhuhai，Zhuhai 519085，China）

0 引言

高速切削技术以其特有的原理优势和巨大的潜在应用价值，成为21 世纪的重要组成部分，也是当前学术界和工业界研究的热门领域之一。高速切削技术以其高效、高精度以及良好的表面质量的特点，成为现今切削加工技术的发展方向，具有广阔的应用前景。经过长期的研究和开发，特别是随着机床设备等技术的突破性进展，高速切削技术日渐成熟[1-4]。60～70年代美、德等国开始进行这方面研究，并将高速技术作为当代金属加工的重要研究领域之一，也被列为重大综合性项目和经济与社会发展的高技术重要内容[5]。

1 高速切削理论

高速切削技术的工艺和速度范围有了很大的扩展，不仅包括切削加工，也包括磨削和切割。而如今高速切削在实际生产中切削铝合金的速度范围为1500m/min-5500m/min，铸铁为750m/min-4500m/min，普通钢为600m/min-800m/min。

高速切削技术的先进性还表现在其广泛的适用范围上，满足了越来越高的加工质量要求和越来越复杂的三维曲面形状精密加工要求；提供了解决硬材料、薄壁材料加工问题的新方案[6]。高速切削技术最早在航空航天领域得到广泛的应用，飞机的蜂窝结构件必须采用高速切削技术才能保证加工质量，梁、框、壁板等加工余量特别大，使用高速加工能有效提高生产率；目前，高速切削技术已被推广应用到汽车、模具、机床等行业，电子产品中的薄壁结构尤其需要高速加工。

淬硬钢、钨合金、高锰钢、不锈钢、钛合金、高比强镁合金、高温合金、高强度钢与超高强度钢等难加工材料广泛应用于国防科技工业。因此，在军工制造业广泛开展难加工材料高速切削技术的推广应用对于提高企业竞争力具有十分重要的现实意义[7]。

研究高速切削加工刀具的失效机理和寿命问题是目前高速切削加工技术面料的重要而现实的课题，对于高速切削加工技术的进一步推广应用具有费城重要的理论和现实意义[8]。

2 仿真研究的优势

在过去的很长时间中，人们对金属加工进行了大量的研究。大部分的研究都集中于降低加工成本、提高加工精度和表面质量方面，很少有人致力于加工机理的研究。随着高速加工以及微小型加工的发展，今后的加工要求在自动化环境更高的情况下对加工过程进行更好的控制，而这种有效的控制依赖于对加工机理的掌握，以及对加工结果的精确的预测，这其中包括了对工件尺寸、表面粗糙度，还有加工时间和费用等方面的预测。

切削预测的一个重要指标就是对刀具磨损的预测。刀具磨损影响了切削能量、加工质量、刀具寿命和加工费用等。当刀具磨损达到一定的程度，切削力明显增大，甚至产生振动，一定程度上影响工件的加工精度和表面质量。因此必须进行重磨或更换新刀。这就增加了加工费用、降低了生产率。因而预测刀具磨损对于优化加工过程起到了重要的作用。

目前，刀具磨损和刀具寿命的预测主要是通过实验的方法建立工具寿命的经验公式，如美国的Taylor 公式和欧洲的Hasting 公式。这些公式只是简单的描述了刀具寿命和切削参数之间的关系，简单易用，但是它不能揭示出刀具的磨损机理，也不能预测刀具前、后刀面上的磨损轮廓，但是这些都是对于刀具和工件材料的匹配设计、刀具几何的优化、甚至切削用量的选择都是极为有用的信息。而且，这类公式只能在特定的切削条件下有效，如果切削系统中的某些条件发生变化，例如刀具的几何角度改变，公式中的系数、常数不再适用，必须再通过大量的新的试验重新确定。现在的切削数据库中大多采用Taylor 公式，其适用范围的有限性造成了数据库的庞大。随着高速加工等新技术和新材料的出现及推广，这一问题也会越来越严重。

在近几十年中，随着计算机技术和数字技术的发展，有限元方法、有限差分方法、人工智能等数学模型广泛的应用于加工工业。其中，有限元方法更多的应用于切削过程的仿真。通过对切削过程进行切屑成型和热传导过程的仿真分析，可以得到各种切削参数，包括很难通过实验获得的参数。因而可以通过有限元仿真方法建立新的刀具磨损预测模型。

[1]NarutakiN,YamaneY.High Speed Machining of Inconel 718with Ceramic Tools[J].Annals of the CIRP,1993,42(1):103-106.

[2]Smith K.Breaking the Speed Limit [J].Cutting Tool Engineering,1994,46(5):35-40.

[3]Smith S,Tlusty J.Current Trends in High Speed Machining[J].Journal of Manufacture Science and Technology,ASME,1997,37(8):664-667.

[4]王西彬,解丽静.超高速切削技术及其新进展[J].中国机械工程,2000,11(1-2):190-195.

[5]王西彬,刘志兵.高速切削的加工机理及刀具技术[J].机械工人(冷加工),2003(9):27-29.

[6]何宁,李亮.高速切削工艺技术[J].机械工人(冷加工),2003(9):23-27.

[7]刘志兵,王西彬,解丽静.难加工材料的高速切削与加工实例[J].新技术新工艺,2006(1):46-48.

[8]万熠.高速铣削航空铝合金刀具失效机理及刀具寿命研究[D].山东:山东大学,2006.