虛擬切削加工技術(shù)

虛擬切削加工技術(shù)虛擬切削加工技術(shù)是在對(duì)零件幾何參數(shù)、材料物理性能、加工過(guò)程切削參數(shù)以及加工物理過(guò)程（受力變形、熱變形等）進(jìn)行全面物理建模的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)情況和加工結(jié)果進(jìn)行實(shí)際綜合分析的一種新興技術(shù)。為分析加工過(guò)程及結(jié)果，可根據(jù)NC加工機(jī)床的實(shí)際狀況用NC代碼驅(qū)動(dòng)虛擬加工環(huán)境中的NC機(jī)床進(jìn)行虛擬切削加工，它可描述刀具的真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡，完成碰撞、干涉檢查，還可逼真地描述加工后工件的形位誤差、幾何尺寸誤差和表面粗糙度等屬性，并將虛擬成品零件與設(shè)計(jì)零件進(jìn)行比較，如零件精度不能滿足設(shè)計(jì)要求，則可對(duì)工藝參數(shù)（進(jìn)給量、切削速度等）或工件裝夾方式進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)，如有必要還可對(duì)零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行完善，以提高其可加工性。通過(guò)虛擬切削加工可得到一個(gè)優(yōu)化的加工方案，據(jù)此進(jìn)行實(shí)際加工，可提高加工成功率，減少原材料消耗，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。虛擬切削加工與傳統(tǒng)切削加工的區(qū)別在于它生產(chǎn)的是數(shù)字化產(chǎn)品，而不是實(shí)際產(chǎn)品，它的最大好處是不需消耗實(shí)際資源和能量。切削加工仿真技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向包括兩個(gè)方面，其一是開(kāi)發(fā)NC仿真軟件，借以顯示刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，并判斷刀具、刀夾與工件及其夾具是否產(chǎn)生干涉。在進(jìn)行立銑加工時(shí)，最基本的任務(wù)是切除刀具切削刃包絡(luò)面通過(guò)部分的被加工材料，使保留下來(lái)的部分成為已加工面。完成這類加工所用的軟件應(yīng)包括如下內(nèi)容：刀具、刀具夾頭、工件、夾具等的協(xié)調(diào)，機(jī)床主軸的構(gòu)成及其可工作的范圍，能真實(shí)地仿真機(jī)床和刀具的動(dòng)作等。特別是近幾年來(lái)，由于五坐標(biāo)切削加工的不斷增加，在實(shí)際加工前應(yīng)進(jìn)行NC仿真的重要性日益突出。這類NC仿真軟件中，有不少軟件具有極為優(yōu)異的性能，如可從金屬切除體積計(jì)算出加工效率；根據(jù)金屬切除體積來(lái)判斷切削加工是否產(chǎn)生過(guò)載;如果負(fù)荷固定，由于進(jìn)給速度過(guò)高而產(chǎn)生過(guò)載，仿真軟件可調(diào)整進(jìn)給速度，防止過(guò)載產(chǎn)生，并可縮短切削加工時(shí)間等。切削加工仿真技術(shù)的另一發(fā)展動(dòng)向是研究解析切削加工過(guò)程中的物理現(xiàn)象，如被加工材料因塑性變形而產(chǎn)生熱量，被切除材料不斷擦過(guò)刀具前刀面形成刀屑后被排出，以及由刀具切削刃切除不需要的材料而在工件上形成已加工面等，并將這一系列切削過(guò)程通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬出來(lái)，目前能達(dá)到這種理想目標(biāo)的產(chǎn)品還為數(shù)不多切削過(guò)程是切屑、被加工材料的彈性變形和塑性變形的變形過(guò)程，與沖壓、鍛造等塑性變形比較，變形速度（單位時(shí)間產(chǎn)生的變形量）非常大，由此產(chǎn)生的塑性變形能量和前刀面上由摩擦產(chǎn)生的能量將引起發(fā)熱，從而使溫度大幅度升高，刀尖在連續(xù)而狹小的范圍使被加工材料破壞、分離成切屑和已加工面等，這是切削過(guò)程的顯著特征。而這些現(xiàn)象彼此間存在復(fù)雜的相互影響。如果用有限元解析方式，需輸入下列內(nèi)容：被加工材料特性及摩擦狀態(tài)等物理特性;切削條件及刀具形狀等邊界條件。通過(guò)有限元解析剛性方程，可輸出切削力、剪切角、切削溫度等帶有切屑生成狀態(tài)特征的量化參數(shù)，在此過(guò)程中，無(wú)需建立數(shù)學(xué)模型或提出假設(shè)。根據(jù)有限元解析的結(jié)果，還易于將切屑生成過(guò)程、應(yīng)力、變形等物理量實(shí)現(xiàn)可視化。要獲得高精度解析結(jié)果，最為重要的輸入內(nèi)容是反映被加工材料應(yīng)力——變形關(guān)系的材料特性，而材料特性的獲取是極為費(fèi)力的工作。今后，隨著計(jì)算機(jī)功率的增大，這種切削過(guò)程的物理仿真技術(shù)將會(huì)逐漸普及。能否迅速普及的關(guān)鍵在于能否及時(shí)向用戶提供所需的被加工材料的材料特性。目前，許多科技人員正在進(jìn)行生產(chǎn)工程中最基礎(chǔ)的切削加工技術(shù)的研究，其中多數(shù)研究的目的是在弄清楚加工現(xiàn)象的同時(shí)，對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)。如果這些研究?jī)?nèi)容實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)軟件化，就意味著能形成一個(gè)切削仿真技術(shù)軟件。如東京農(nóng)工大學(xué)機(jī)械學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室就正在進(jìn)行幾種預(yù)測(cè)性的有關(guān)切削加工仿真技術(shù)軟件的研究。工藝流程和實(shí)用仿真采用了橫向和縱向相匹配的研究體系，橫向與產(chǎn)品設(shè)計(jì)到加工工序相對(duì)應(yīng);在縱向上越往上，實(shí)用性越好，往下則不僅是實(shí)用性，還包括加工現(xiàn)象的解析和實(shí)現(xiàn)可視化。刀具信息數(shù)據(jù)庫(kù)和解析仿真技術(shù)并用的切削條件選擇系統(tǒng)在實(shí)際的切削過(guò)程中，不應(yīng)照搬工具廠提供的推薦切削條件，而應(yīng)根據(jù)機(jī)床、工具系統(tǒng)、工件裝卡等具體情況，反復(fù)進(jìn)行試切削來(lái)修正切削條件。同時(shí)還應(yīng)將過(guò)去加工中積累的行之有效的參考數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)庫(kù)，在有效利用這些數(shù)據(jù)的同時(shí)，借助解析方法使切削條件達(dá)到最佳化;對(duì)于沒(méi)有參考數(shù)據(jù)的新的切削加工，則應(yīng)開(kāi)發(fā)與此相關(guān)的切削條件選擇系統(tǒng)。該系統(tǒng)中把振動(dòng)、加工精度、刀具升溫、刀具壽命、殘余應(yīng)力等設(shè)定為解析內(nèi)容，在解析的基礎(chǔ)上，就能選擇出最佳的刀具和調(diào)整切削條件。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)大致分為三個(gè)部分:刀具信息數(shù)據(jù)、工具系統(tǒng)組成、切削條件。在切削條件中可積累有效的切削加工技術(shù)參數(shù)。立銑刀加工時(shí)的刀具溫度近年來(lái)，高速銑削已很普遍，由經(jīng)驗(yàn)得知，它適用于小切深、大進(jìn)給的銑削條件，而把握最佳條件卻相當(dāng)困難。銑削加工與車削加工不同，前者屬于斷續(xù)切削，在加工過(guò)程中，刀具升溫和冷卻高速地反復(fù)進(jìn)行。由于熱傳導(dǎo)給刀具-切屑接觸部分是斷續(xù)進(jìn)行的，必須根據(jù)這一特征來(lái)解析刀具溫度的變化。熱傳導(dǎo)量對(duì)預(yù)測(cè)精度影響很大，但不需要對(duì)切屑生成狀態(tài)的變形和熱解析相聯(lián)系進(jìn)行大規(guī)模計(jì)算，因此可快速獲得解析結(jié)果。切削速度、切深、進(jìn)給的組合將影響最高溫度，當(dāng)加工效率一定時(shí)，提高進(jìn)給速度，刀具溫度就會(huì)降低，溫度降低往往會(huì)使進(jìn)給速度的提高達(dá)到極限，而提高進(jìn)給速度，加工表面就會(huì)變得粗糙。因此，如果能很好地平衡粗糙度和溫度的關(guān)系，就能夠選擇到兩者相互平衡的切削條件。用有限元法進(jìn)行切削過(guò)程的物理仿真在用有限元法進(jìn)行切削過(guò)程的物理仿真中，作為切削條件輸入的內(nèi)容包括：切削速度、切削厚度、刀具前角、刀具后角、工件材料特性等。對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行解析后，就能獲得切削力、切屑形狀、刀具和切屑上的溫度分布、應(yīng)力分布、形變分布、殘余應(yīng)力分布等物理特性輸出結(jié)果。這種仿真對(duì)特殊切削狀態(tài)(如動(dòng)態(tài)切削)也是適用的。切削成波形表面的波形切除過(guò)程(waveremoval)和刀具邊振動(dòng)邊切削的波形生成過(guò)程都顯示出在切屑厚度變薄的過(guò)程中，剪切角變小、變形集中而產(chǎn)生大的變形。在這樣的動(dòng)態(tài)切削過(guò)程中，剪切角發(fā)生變化，與此相對(duì)應(yīng)的是切屑生成的變形范圍大小也發(fā)生變化，因此切削力與刀尖的切削厚度不成正比。由與刀尖切削厚度的變動(dòng)相對(duì)應(yīng)的剪切角度變化圖可知，即使刀尖切削厚度相同，振幅增大時(shí)比振幅減小時(shí)的剪切角還大，利薩如(lissajou)圖形下方呈凸半月形。根據(jù)這樣的解析結(jié)果，才能使現(xiàn)象的可視化及理解成為可能，從而開(kāi)發(fā)出更為實(shí)用的高精度近似解析法。另外，對(duì)于材料特性不同的復(fù)合金屬材料的切削加工，以及象超聲波振動(dòng)切削那樣的刀具在切削方向邊振動(dòng)邊斷續(xù)切削等加工，均可采用物理仿真技術(shù)進(jìn)行解析。由鐵素體和珠光體以層狀分布時(shí)的解析實(shí)例可知，由于各層分布的位置不同，切屑卷曲的狀態(tài)有很大的差異。如果在材料設(shè)計(jì)