薄壁件數(shù)控加工物理仿真研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

王占禮，朱丹，胡艷娟，李靜，董超

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130012)

虛擬數(shù)控加工是屬于以生產(chǎn)為中心的虛擬制造中的一部分，可縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率等［1］，在虛擬制造中占有極其重要的地位［2］。虛擬數(shù)控加工包括兩內(nèi)容:幾何仿真和物理仿真。目前幾何仿真方面已經(jīng)相對(duì)比較成熟，而物理仿真才剛剛開始。物理仿真考慮在實(shí)際切削過程中工藝系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響，針對(duì)加工過程中由于切削力、切削熱、刀具磨損、負(fù)載變化及其他物理因素對(duì)加工精度及表面加工質(zhì)量變化的影響進(jìn)行研究，通過建立物理模型模擬真實(shí)的事物來預(yù)測(cè)機(jī)床在實(shí)際運(yùn)行狀況下能否高效高質(zhì)量地加工出滿足要求的零件［3］。根據(jù)仿真結(jié)果完成對(duì)數(shù)控加工程序的優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)優(yōu)化切削過程的目的。

薄壁結(jié)構(gòu)零件因其特有的強(qiáng)度高、質(zhì)量輕及承載性高等特點(diǎn)，越來越多地在航空工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用［4－5］。薄壁零件的加工比較棘手，在加工中極容易產(chǎn)生變形、失穩(wěn)和振動(dòng)等問題，不易保證零件的加工質(zhì)量［2］。這些問題都是薄壁件加工的物理因素對(duì)其造成的影響，因此可以通過物理仿真對(duì)薄壁零件的數(shù)控加工進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)，最終希望做到控制或減小這些問題的發(fā)生［6］。針對(duì)薄壁零件數(shù)控加工物理仿真的刀具磨損監(jiān)測(cè)技術(shù)、切屑的大小及形狀、機(jī)床或工件熱變形對(duì)工件加工精度的影響、切削力仿真、加工表面形貌仿真分析等方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了描述，并指出薄壁零件數(shù)控加工物理仿真研究存在的問題和未來發(fā)展的方向。

1 薄壁零件數(shù)控加工物理仿真技術(shù)

1.1 刀具磨損監(jiān)測(cè)技術(shù)

由于刀具的磨損直接影響著加工過程的動(dòng)態(tài)特性和薄壁零件的變形程度，對(duì)刀具的監(jiān)控就尤為重要［7］。刀具磨損監(jiān)測(cè)技術(shù)分為3 個(gè)階段:第1 階段，刀具磨損狀態(tài)的監(jiān)測(cè)開始于20世紀(jì)40年代，但一直很緩慢，頻譜分析技術(shù)的出現(xiàn)才使刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)得到實(shí)質(zhì)性的發(fā)展，但監(jiān)測(cè)特征單一，監(jiān)測(cè)內(nèi)容簡(jiǎn)單［8］。第2 階段，從20世紀(jì)90年代初期時(shí)，隨著傳感技術(shù)的快速發(fā)展，利用噪聲、溫度、光等多種信號(hào)對(duì)刀具磨損進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并采用新的數(shù)學(xué)處理工具(如模式識(shí)別技術(shù)、模糊數(shù)學(xué)、灰色系統(tǒng)理論等)對(duì)其信號(hào)進(jìn)行處理［7－8］。文獻(xiàn)［9］指出了聲發(fā)射對(duì)切削區(qū)域裂變的微活動(dòng)的應(yīng)力波的敏感，切削力譜對(duì)刀具和工件之間振動(dòng)的敏感。第3 階段，于20世紀(jì)90年代中期開始至今，人工智能理論和方法(如:小波分析技術(shù)、高階譜分析技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等)開始出現(xiàn)，并在刀具監(jiān)測(cè)中得到了應(yīng)用。文獻(xiàn)［10］提出了利用B 樣條模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立刀具磨損量監(jiān)測(cè)模型，可以準(zhǔn)確表達(dá)刀具磨損與信號(hào)特征之間的非線性關(guān)系，并且該網(wǎng)絡(luò)具有收斂速度快和局部學(xué)習(xí)能力等優(yōu)點(diǎn)。這樣就逐漸地開始由以知識(shí)處理為核心、信號(hào)處理與知識(shí)處理相互融合的智能刀具監(jiān)測(cè)技術(shù)，發(fā)展到以傳感器技術(shù)、信號(hào)分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代刀具工況監(jiān)測(cè)技術(shù)，只是還不夠成熟和完善，有待深入研究［11］。

1.2 切屑的大小及形狀

現(xiàn)代切削加工中常常產(chǎn)生大量“不可接受”的切屑［12］。這類切屑容易拉傷薄壁零件的己加工表面，破壞已加工表面的完整性;或劃傷機(jī)床;或造成刀具的早期破損;有時(shí)甚至影響操作者的安全［13］。因此對(duì)切屑的預(yù)測(cè)和控制就尤為重要。

國內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)預(yù)測(cè)和控制切屑的形態(tài)、切屑的流向以及切屑的大小和尺寸等不同角度進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［14］對(duì)切屑的基本構(gòu)成在不同切削狀態(tài)下產(chǎn)生的切屑形態(tài)進(jìn)行了分析，并根據(jù)切屑狀態(tài)建立了其在線預(yù)報(bào)模型;文獻(xiàn)［15］通過對(duì)切屑流出前刀面后的各個(gè)階段進(jìn)行了分析，并使用Pro/E 軟件對(duì)切屑造型進(jìn)行了預(yù)測(cè)仿真。然而預(yù)測(cè)結(jié)果精度的高低取決于預(yù)測(cè)模型的精度。因此專家學(xué)者們針對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了深入研究，有了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?shù)值模型、分析模型和基于AI(A.I－based)模型［16－17］。但是由于實(shí)際加工過程的復(fù)雜、加工參數(shù)的相互作用、在建模時(shí)合并考慮的困難，使得大量的模型在實(shí)際運(yùn)用中非常有限。迄今為止，可使用的加工模型大多是高度經(jīng)驗(yàn)化或半分析的，還需要學(xué)者們不斷地研究來改進(jìn)和完善切屑預(yù)測(cè)模型。

1.3 機(jī)床或工件熱變形對(duì)加工精度的影響

從1933年瑞士人對(duì)坐標(biāo)鏜床的熱變形進(jìn)行測(cè)量和研究開始，人們才注意到熱效應(yīng)對(duì)工件加工精度的影響［18］。20世紀(jì)60年代機(jī)床熱變形的理論才真正開始，利用熱工學(xué)理論知識(shí)對(duì)機(jī)床熱變形問題進(jìn)行研究，但只是初步建立了溫度場(chǎng)與熱變形之間的定性關(guān)系［19］。20世紀(jì)70年代初，開始利用有限元法對(duì)機(jī)床熱變形進(jìn)行了定量分析［20］。由于現(xiàn)實(shí)加工時(shí)影響因素多，使得計(jì)算困難。為了方便計(jì)算，人為選取某些影響大的因素，但獲得的結(jié)果和實(shí)際加工情況有很大偏差。20世紀(jì)90年代初，由于有限元法得到了進(jìn)一步的發(fā)展，因此在機(jī)床熱變形的預(yù)測(cè)方面得到了廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)［21］提出使用有限元方法對(duì)機(jī)床溫度場(chǎng)分布導(dǎo)出位移和熱變形進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)熱源關(guān)鍵元素處的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，來減少熱變形產(chǎn)生的加工誤差。隨著計(jì)算機(jī)、各種理論的不斷發(fā)展和新的理論(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論等)的出現(xiàn)，使得在機(jī)床熱變形的預(yù)測(cè)方面得到進(jìn)一步的發(fā)展［22］。學(xué)者們也已開發(fā)出適用各種各樣復(fù)雜模型通用的有限元分析軟件(如ANSYS、SAP、NASTRAN 等)，并融入計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)當(dāng)中，開始朝著計(jì)算機(jī)輔助制造的方向發(fā)展［23］。

機(jī)械加工過程中，切削熱使工件產(chǎn)生熱變形而造成加工誤差，因此研究切削熱和切削溫度的產(chǎn)生及變化規(guī)律，是金屬切削過程中工件熱變形的重要方面［24］。早在20世紀(jì)50年代，J C JAEGER 就在理論計(jì)算切削溫度方面進(jìn)行了大量的工作，他提出了對(duì)刀－屑摩擦熱源進(jìn)行均勻分布的假設(shè)［25－27］。如果想要深入了解切削機(jī)制，則應(yīng)對(duì)切削區(qū)域的溫度分布情況作深入細(xì)致的研究。到了20世紀(jì)70年代，有限差分法在金屬加工中得到了廣泛的應(yīng)用，文獻(xiàn)［28］利用有限差分法對(duì)刀具的三維應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行研究，得到了基本滿意的結(jié)果，但對(duì)復(fù)雜實(shí)體來說應(yīng)用有限差分法不能得到高精度的解，因此只是對(duì)平前刀面刀片進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元模擬技術(shù)在金屬切削加工中得到了廣泛的應(yīng)用［29－20］。但是有限元對(duì)網(wǎng)格劃分要求較高，所以很難精確地計(jì)算出切削區(qū)域上任一點(diǎn)的溫度。

1.4 切削力仿真

切削力建模與仿真是薄壁零件數(shù)控加工物理仿真的基礎(chǔ)和核心。在切削過程中，切削力對(duì)切削熱的產(chǎn)生、刀具磨損、加工效率、表面加工質(zhì)量有著重要的影響，同時(shí)也是衡量工件和刀具材料加工性能的標(biāo)志之一。因此薄壁零件數(shù)控加工的切削力仿真是非常重要的內(nèi)容。

一般所建立的模型大多為空間靜態(tài)力學(xué)模型，應(yīng)用得比較多的力學(xué)模型是OXLEY［31］提出的切削理論的銑削力理論模型、KLINE［32］建立的平均力模型、Won-Soo YUN［33］給出的獨(dú)立于切削條件的三維力模型。這3 種力學(xué)模型在應(yīng)用上都比較直觀，有相應(yīng)的公式可以套用，并且都能得出相應(yīng)的切削力，但是由于加工過程是一個(gè)不斷變化的過程，應(yīng)進(jìn)行瞬態(tài)過程處理，因此得到的切削力并不精確。

現(xiàn)在越來越多的學(xué)者開始對(duì)動(dòng)態(tài)的切削力進(jìn)行預(yù)測(cè)。SMITH 和TLUSTY 闡述了加工表面上偏斜和誤差之間的關(guān)系［34］。為了簡(jiǎn)單起見，將直齒銑刀認(rèn)為如圖1所示。在這種情況下，偏斜被簡(jiǎn)單地認(rèn)為同瞬時(shí)銑削力成比例而不是平均銑削力。

圖1 銑削中不同的徑向切深

SMITH 和TLUSTY 基于理論的假設(shè)和實(shí)驗(yàn)的觀察給出以下基本模型微分形式的切向和徑向銑削力［34］:

dFt= Kst(φ)dz dFr= cdFt

式中:Ks是未知的銑削力系數(shù)，t(φ)是在螺旋滯后角甲處刀齒的未變形切屑厚度，dz 是銑削寬度，c 是銑削力比率。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，人工智能技術(shù)得到了跨躍式的發(fā)展，先后出現(xiàn)了許多先進(jìn)算法，如遺傳算法、時(shí)間序列分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)［35－36］等。文獻(xiàn)［37］采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)銑削力建立了仿真模型，來預(yù)測(cè)銑削力的大小，并且預(yù)測(cè)結(jié)果的精度與理想效果之間的誤差不大。這樣使得人們開始尋求利用人工智能技術(shù)對(duì)物理仿真進(jìn)行切削力建模，使仿真越來越向現(xiàn)實(shí)逼近，慢慢達(dá)到人們想要的仿真效果。

1.5 加工表面形貌仿真分析

加工表面質(zhì)量的研究從機(jī)械制造業(yè)誕生之時(shí)便開始了，美國金屬切削研究協(xié)會(huì)的M FILED 和J KAHLES 于1964年提出了“表面完整性”的概念，指出:由于受加工方法的影響，使成品的表面狀態(tài)或性能沒有任何損傷，或有所加強(qiáng)的結(jié)果［38］?！氨砻嫱暾浴币驯婚_始應(yīng)用于生產(chǎn)中，在制造過程中對(duì)關(guān)鍵零件表面狀態(tài)和性能的變化進(jìn)行評(píng)價(jià)和控制，并全面分析對(duì)產(chǎn)品造成的影響［39］。

針對(duì)表面質(zhì)量的研究集中于切削表面的動(dòng)態(tài)形成分析上，是對(duì)切削時(shí)刀具與工件之間的相對(duì)振動(dòng)、刀尖幾何形狀和刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(刀具的進(jìn)給運(yùn)動(dòng))來分析工件的表面形貌，其表征參數(shù)多表示為表面粗糙度［40］。文獻(xiàn)［41］在對(duì)周銑切削表面的形成進(jìn)行研究時(shí)，將隨機(jī)振動(dòng)對(duì)表面形貌的影響考慮到其中，使得理論研究和實(shí)際加工情況更接近了;文獻(xiàn)［42］研究了球頭立銑刀平面在不同加工進(jìn)給方式下銑削加工的表面形貌及其粗糙度值的情況，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。由于表面粗糙度對(duì)薄壁零件的工作性能會(huì)造成各種各樣的影響(如磨損、疲勞破壞等)。因此通過對(duì)薄壁零件的表面粗糙度進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)的結(jié)果，來適當(dāng)?shù)馗淖兦邢鲄?shù)和加工工藝，從而降低零件的表面粗糙度、增強(qiáng)零件的使用性能。而目前預(yù)測(cè)表面粗糙度模型是有限的，而且這些模型不是建立在力學(xué)基礎(chǔ)之上的，使得表面粗糙度和表面完整性都是通過實(shí)驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)公式。通常把得到的經(jīng)驗(yàn)公式分為二維和三維的，二維表面粗糙度Ra 計(jì)算公式［43］:

式中:L 是所取的工件的長(zhǎng)度，y 是二維工件表面的曲線方程。三維表面粗糙度Rz的經(jīng)典計(jì)算公式［38］:

式中:ypi為取樣長(zhǎng)度內(nèi)的第i 個(gè)最大的輪廓，yvi為取樣長(zhǎng)度內(nèi)的第i 個(gè)最大的谷深。然而至今還沒有有效地表示切削條件與工件表面參數(shù)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)公式［44］。其基本模型是通過刀具廓形與刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)方式來確定表面粗糙度。但誤差運(yùn)動(dòng)、不穩(wěn)定切削刃狀態(tài)以及由于磨損造成刀具輪廓的改變之間存在強(qiáng)耦合，所以很難將所有的因素都考慮到模型中，這樣就使得模型的誤差比較大。

2 薄壁零件數(shù)控加工物理仿真系統(tǒng)存在的問題及未來發(fā)展的方向

2.1 薄壁零件數(shù)控加工物理仿真系統(tǒng)存在的問題

近幾年薄壁零件數(shù)控加工物理仿真取得了很大的發(fā)展，學(xué)者們?cè)谠S多方面進(jìn)行了大量的研究，取得了一定的成果，但由于薄壁零件數(shù)控加工物理仿真涉及的技術(shù)面廣以及自身的復(fù)雜性，目前仍存在以下幾個(gè)方面的問題:

(1)仿真模型的準(zhǔn)確性差

薄壁零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)控加工過程高度非線性及隨機(jī)干擾嚴(yán)重等多種因素，為了降低模型的復(fù)雜性，目前都是在設(shè)有大量假設(shè)條件下，一般僅考慮單一或部分因素對(duì)模型的影響，使得所建立的數(shù)學(xué)模型與實(shí)際生產(chǎn)過程的擬合程度降低，很難滿足實(shí)際加工的需要。在建模時(shí)如何處理相應(yīng)影響參數(shù)和干擾因素，使物理仿真加工能準(zhǔn)確地反映切削實(shí)際情況，是物理仿真亟待解決的關(guān)鍵問題。

(2)仿真模型的通用性差

由于薄壁零件加工過程的復(fù)雜性，目前大多是針對(duì)某一特定的加工過程進(jìn)行物理仿真建模與分析，建立模型的切入點(diǎn)、考慮因素和使用方法各有差異，且模型是針對(duì)某一類型的機(jī)床、加工形式、刀具以及工件材料等建立的，參數(shù)的變化將對(duì)仿真模型產(chǎn)生較大的影響，導(dǎo)致了模型的應(yīng)用范圍受到很大的限制。如何在保證仿真模型準(zhǔn)確性的前提下，提高仿真模型的通用性是物理仿真亟待解決的又一關(guān)鍵問題。

(3)加工質(zhì)量預(yù)測(cè)精度及控制效果差

由于考慮所有影響因素將給薄壁零件加工質(zhì)量預(yù)測(cè)建模帶來很大的困難，目前在加工質(zhì)量預(yù)測(cè)分析中通常僅考慮了部分影響因素，或是從模型中分離出次要的影響因素，針對(duì)較全面綜合影響因素的質(zhì)量預(yù)測(cè)及誤差補(bǔ)償?shù)难芯窟€很少，對(duì)加工質(zhì)量控制的效果較差。同時(shí)，優(yōu)化模型中的決策變量選擇大多較單一，約束條件不夠完善，并且大多只考慮加工設(shè)備本身因素，而忽略外界及加工要求等因素，優(yōu)化結(jié)果不夠理想，導(dǎo)致在實(shí)際加工過程中不能很好地達(dá)到實(shí)用效果。

(4)仿真系統(tǒng)的實(shí)用性差

由于薄壁零件物理建模、控制難度大及切削過程的復(fù)雜性等客觀因素的存在，物理仿真系統(tǒng)的輸出結(jié)果尚與實(shí)際的擬合程度存在差距，同時(shí)，目前的物理仿真系統(tǒng)大多只能實(shí)現(xiàn)某些物理仿真功能，從而使仿真系統(tǒng)的實(shí)用程度受到很大的制約。如何在建立準(zhǔn)確、實(shí)用的物理仿真模型的基礎(chǔ)上，對(duì)切削力、切削熱、刀具磨損等進(jìn)行預(yù)測(cè)及分析，實(shí)現(xiàn)高效的加工誤差補(bǔ)償及加工參數(shù)優(yōu)化，進(jìn)而提供優(yōu)化的數(shù)控程序指導(dǎo)實(shí)際加工是物理仿真系統(tǒng)的最終目標(biāo)。

2.2 薄壁零件數(shù)控加工物理仿真系統(tǒng)未來發(fā)展的方向

由于薄壁零件數(shù)控加工物理仿真的研究開展的時(shí)間較短，尚未形成成熟的理論體系，還不能用于解決實(shí)際生產(chǎn)中的相關(guān)問題，因此還有許多理論和實(shí)際問題有待進(jìn)一步研究。薄壁零件數(shù)控加工物理仿真的研究還需重點(diǎn)集中在以下幾個(gè)方面:

(1)建立能夠精確模擬實(shí)際加工情況并為用戶提供精確仿真結(jié)果的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)。美國PTC公司制造部經(jīng)理Paul GIACONIA 曾提出:其數(shù)控加工仿真將向精細(xì)化及逼真化方向發(fā)展。建立能夠綜合反映加工過程中各物理因素對(duì)加工精度影響的工藝模型，是實(shí)現(xiàn)將數(shù)控加工仿真系統(tǒng)運(yùn)用到實(shí)際加工環(huán)境的關(guān)鍵，也是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)自動(dòng)控制與智能控制的必然要求。其次由于現(xiàn)有的仿真模型只是針對(duì)某一具體加工方式，不具有一般性，因此建立通用性較好的仿真模型是虛擬制造技術(shù)得以廣泛應(yīng)用的先決條件。

(2)實(shí)現(xiàn)仿真方法的多樣性。將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、有限元法、遺傳算法、信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、非線性理論和混沌理論等新方法用于提高建模能力，以增強(qiáng)仿真模型預(yù)測(cè)的可靠性和適應(yīng)性。

(3)實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化。它可以使仿真系統(tǒng)與上層的計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與共享，實(shí)現(xiàn)CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP 等系統(tǒng)無縫集成，能夠支持基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程數(shù)控服務(wù)，包括遠(yuǎn)程在線編程、遠(yuǎn)程數(shù)控加工仿真、遠(yuǎn)程在線控制等，對(duì)數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的發(fā)展具有重大意義。

(4)虛擬檢測(cè)技術(shù)需要利用虛擬加工系統(tǒng)中的相關(guān)模型對(duì)工件的幾何量進(jìn)行測(cè)量，因此需要進(jìn)一步研究如何有效地實(shí)現(xiàn)虛擬檢測(cè)系統(tǒng)與虛擬通信系統(tǒng)接口之間的信息、數(shù)據(jù)交換及虛擬檢測(cè)環(huán)境與界面的人性化設(shè)計(jì)，從而開發(fā)出針對(duì)不同測(cè)量目標(biāo)的虛擬檢測(cè)器具。

3 結(jié)論

由于目前針對(duì)薄壁零件數(shù)控加工物理仿真的研究仍處于探索階段，雖然在某些研究方向或某些單元技術(shù)方面己經(jīng)進(jìn)行了較深入的研究，但也主要是針對(duì)物理仿真中的部分影響因素及內(nèi)容進(jìn)行研究，還無法將各項(xiàng)因素整合，使物理仿真更加完善、與實(shí)際情況更加擬合。如何妥善解決上述存在的難點(diǎn)，建立高保真數(shù)控加工物理仿真模型及質(zhì)量預(yù)測(cè)與控制方法，并在此基礎(chǔ)上建立實(shí)用性較強(qiáng)的物理仿真系統(tǒng)是進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

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