切削加工仿真技術(shù)的最新動(dòng)向

虛擬機(jī)械加工技術(shù)（Virtual machining）已誕生很久了，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，在工程作業(yè)設(shè)計(jì)、加工工序設(shè)計(jì)及產(chǎn)品組裝程度等方面，需要開發(fā)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，特別是在計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）方面，采用有限元法（FEM）來預(yù)先解析研究與產(chǎn)品性能相關(guān)聯(lián)的構(gòu)造、熱傳導(dǎo)性以及利用計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）確定刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的編程技術(shù)，均已滲透到工程的各個(gè)領(lǐng)域而被有效利用。

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)面通過部分的被加工材料，使保留下來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，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)金屬切除體積來判斷切削加工是否產(chǎn)生過載；如果負(fù)荷固定，由于進(jìn)給速度過高而產(chǎn)生過載，仿真軟件可調(diào)整進(jìn)給速度，防止過載產(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程通過計(jì)算機(jī)模擬出來，目前能達(dá)到這種理想目標(biāo)的產(chǎn)品還為數(shù)不多。Third Wave Systems公司的“AdvantEdge”是采用有限元法對(duì)切削加工進(jìn)行特殊優(yōu)化解析的軟件產(chǎn)品，與用于構(gòu)造解析的有限元法程序包比較，其最大優(yōu)點(diǎn)是用戶界面優(yōu)良，機(jī)械加工的技術(shù)人員能方便地進(jìn)行解析。美國Scientific Forming Technologies公司的“DEFORM”是鍛造等塑性變形加工用有限元法解析程序包，最近已被轉(zhuǎn)用于切削加工。

切削過程是切屑、被加工材料的彈性變形和塑性變形的變形過程，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)，在此過程中，無需建立數(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。

按需開發(fā)切削加工仿真技術(shù)軟件

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)加工過程進(jìn)行預(yù)測。如果這些研究內(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。