微細(xì)銑削的數(shù)字孿生建模技術(shù)研究進(jìn)展*

王旭初，白清順，王 鵬，程 凱，趙 亮

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001）

隨著信息技術(shù)以及人工智能的迅速發(fā)展，許多國家開始制定相應(yīng)的智能制造轉(zhuǎn)型和發(fā)展戰(zhàn)略，如美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和德國“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略計劃，旨在能夠通過制造業(yè)與信息技術(shù)的深度融合創(chuàng)新，推動智能制造的發(fā)展，實現(xiàn)制造業(yè)的物理世界與信息世界的互聯(lián)互通，進(jìn)一步形成更具有效率的生產(chǎn)系統(tǒng)[1]。在此背景下，我國提出通過信息化和工業(yè)化深度融合來引領(lǐng)和帶動制造業(yè)的發(fā)展，推進(jìn)建設(shè)“制造強(qiáng)國”，出臺了“中國制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng)+”等發(fā)展戰(zhàn)略，圍繞重點制造領(lǐng)域的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開展新一代信息技術(shù)與制造業(yè)融合的集成創(chuàng)新和工程應(yīng)用，到2025年，制造業(yè)重點領(lǐng)域全面實現(xiàn)智能化[2]。2017年，中國科協(xié)智能制造學(xué)術(shù)聯(lián)合體在世界智能制造大會上將數(shù)字孿生列為世界智能制造十大科技進(jìn)展之一。2021年，工信部發(fā)布了《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃（征求意見稿）》，數(shù)字孿生技術(shù)也獲得了重點關(guān)注。

隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的裝備日趨復(fù)雜，對其零部件的加工精度和性能要求也不斷提高，其中鈦合金類零件以優(yōu)異的性能在航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而研究表明，鈦合金零件在微細(xì)銑削加工過程中存在尺寸和形狀精度難以保證、表面完整性差等關(guān)鍵難題，特別是在薄壁類零件的微細(xì)銑削加工中，其高撓度和易變形的特性會嚴(yán)重惡化工件的尺寸和形狀精度，機(jī)床的微振動對其加工表面完整性和疲勞壽命的影響更為顯著。

數(shù)字孿生技術(shù)的快速發(fā)展為解決上述問題提供了新的思路，數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)物理實體與數(shù)字虛擬模型的信息交互，以多尺度形式，實時地反映微細(xì)銑削加工過程從工件–刀具到整體加工系統(tǒng)的動態(tài)信息。目前，在理論研究和應(yīng)用方面，數(shù)字孿生技術(shù)在多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了不同程度的發(fā)展。但是，在鈦合金零件的微細(xì)銑削加工領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)的研究尚處于探索階段，研究成果相對較少，且缺乏系統(tǒng)性。數(shù)字孿生技術(shù)通過理論分析和數(shù)字化建模創(chuàng)造物理實體的高保真虛擬模型，運用多種傳感技術(shù)，實時采集物理實體的行為狀態(tài)和技術(shù)參數(shù)，通過理論模型和實時數(shù)據(jù)的交互，實時反映物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的行為，實現(xiàn)對物理實體的實時監(jiān)控和行為狀態(tài)預(yù)測[3–5]。

數(shù)字孿生理論及應(yīng)用的研究和發(fā)展現(xiàn)狀

數(shù)字孿生技術(shù)可以打破物理世界與虛擬世界的壁壘，實現(xiàn)物理實體與理論模型的互通互聯(lián)，利用現(xiàn)有的知識和經(jīng)驗不斷對物理世界進(jìn)行優(yōu)化。同時，物理世界的數(shù)據(jù)可以反饋到虛擬模型中，通過虛擬仿真預(yù)測未知世界，促進(jìn)物理世界的自我優(yōu)化和升級，為各領(lǐng)域的創(chuàng)新和發(fā)展提供了新的理論依據(jù)和技術(shù)支持，已經(jīng)得到了越來越廣泛的關(guān)注。

1 數(shù)字孿生理論的概念

現(xiàn)在普遍認(rèn)為，數(shù)字孿生的概念起源于2003年，Grieves等[6]提出“與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達(dá)”的概念，2011年又提出數(shù)字孿生體，被定義為數(shù)字孿生體模型，包括物理世界的實體產(chǎn)品、虛擬空間的虛擬產(chǎn)品以及二者間的數(shù)據(jù)和信息的交互。這一階段可以被認(rèn)為是數(shù)字孿生概念的雛形。

2011 年，美國空軍研究實驗室開始打造未來飛行器的數(shù)字孿生體[7–8]，數(shù)字孿生開始引起學(xué)者和企業(yè)的注意。隨后，學(xué)術(shù)界針對數(shù)字孿生的理論和應(yīng)用開展了廣泛的研究。在理論研究方面，為推動數(shù)字孿生技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域和行業(yè)的進(jìn)一步應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者積極探索數(shù)字孿生的概念和關(guān)鍵技術(shù)，針對不同應(yīng)用場景，構(gòu)建數(shù)字孿生模型，豐富了數(shù)字孿生的內(nèi)涵、結(jié)構(gòu)和適用范圍。

2 數(shù)字孿生理論的發(fā)展

近年來，數(shù)字孿生理論獲得了飛速的發(fā)展。北京航空航天大學(xué)陶飛等[9–14]系統(tǒng)地研究了實現(xiàn)數(shù)字孿生的基本理論，探索了數(shù)字孿生驅(qū)動的應(yīng)用設(shè)想與實施過程中所需突破的關(guān)鍵問題與技術(shù)，提出的數(shù)字孿生五維結(jié)構(gòu)模型為開展數(shù)字孿生理論、技術(shù)以及實踐提供參考。上海大學(xué)He等[15]系統(tǒng)地闡述了未來數(shù)字孿生在智能制造領(lǐng)域的潛力。于勇等[16]提出了數(shù)字孿生環(huán)境下CAPP的設(shè)計框架，探討了基于實體模型的實時工藝決策和基于數(shù)字孿生的工藝知識挖掘技術(shù)。莊存波等[17]對產(chǎn)品數(shù)字孿生體的內(nèi)涵進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，提出了數(shù)字孿生技術(shù)的概念，對產(chǎn)品數(shù)字孿生體的內(nèi)涵進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，建立了產(chǎn)品數(shù)字孿生體的體系結(jié)構(gòu)，給出了產(chǎn)品數(shù)字孿生體在產(chǎn)品設(shè)計階段、制造階段和服務(wù)階段的實施途徑和發(fā)展趨勢。Uhlemann等[18]基于學(xué)習(xí)工廠的概念，分析了基于實時數(shù)據(jù)采集和后續(xù)仿真數(shù)據(jù)處理的潛力和優(yōu)勢，滿足中小企業(yè)對數(shù)字化應(yīng)用的靈活、易用、可擴(kuò)展和面向服務(wù)的要求。柳林燕等[19]建立了車間生產(chǎn)過程數(shù)字孿生系統(tǒng)體系架構(gòu)，并對系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。Wang等[20]綜述了人機(jī)協(xié)作的研究現(xiàn)狀及其工作分類，提出了在詳細(xì)闡述解決方案時描述人–機(jī)器人協(xié)作的方法。陳振等[21]提出了涵蓋物理裝配車間、虛擬裝配車間、車間孿生數(shù)據(jù)及裝配車間服務(wù)系統(tǒng)的飛機(jī)數(shù)字孿生裝配車間架構(gòu)，為航空工業(yè)領(lǐng)域的智能制造提供參考。郭具濤等[22]提出了航天數(shù)字孿生車間的基本組成和虛實融合的制造車間分層管控模式，闡述了面向不同對象的制造與商業(yè)智能場景應(yīng)用。Tao等[23]論述了數(shù)字孿生車間的系統(tǒng)組成、運行機(jī)制、特點、關(guān)鍵技術(shù)等。數(shù)字孿生的發(fā)展還體現(xiàn)在以虛控實、虛實互動的迭代優(yōu)化等方面。何柳江[24]使用GPU加速的三維監(jiān)控技術(shù)，采用虛擬數(shù)控面板的遠(yuǎn)程控制方法，最終集成為數(shù)控機(jī)床虛擬交互系統(tǒng)。黃祖廣等[25]提出一種基于數(shù)字孿生的數(shù)控設(shè)備互聯(lián)互通技術(shù)，利用三維激光技術(shù)掃描數(shù)控設(shè)備，并構(gòu)建其數(shù)字孿生模型，通過OPC UA通信構(gòu)架讀取數(shù)控設(shè)備的實時運行數(shù)據(jù)，使用Unity數(shù)據(jù)驅(qū)動引擎驅(qū)動數(shù)字孿生模型，從而實現(xiàn)物理模型與數(shù)字孿生模型的互聯(lián)互通。Anderl等[26]提出“工業(yè)4.0”的工業(yè)應(yīng)用的垂直和水平生命周期集成概念，解釋了數(shù)字孿生技術(shù)的作用，并建議使用STEP技術(shù)作為綜合數(shù)字孿生技術(shù)的基礎(chǔ)。劉青等[27]針對數(shù)字孿生的內(nèi)涵和概念開展研究，將現(xiàn)有的數(shù)字孿生模型分為通用模型和專用模型，認(rèn)為專用模型是當(dāng)前的研究熱點。劉大同等[28]對數(shù)字孿生的體系進(jìn)行了分析，進(jìn)一步明確了數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢。

數(shù)字孿生在基礎(chǔ)理論方面取得的成果為其應(yīng)用以及與其他領(lǐng)域的結(jié)合提供了基礎(chǔ)和依據(jù)。但是，在數(shù)字孿生模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)交互以及信息挖掘等方面的理論與技術(shù)還相對匱乏，數(shù)字孿生在不同領(lǐng)域?qū)嵺`應(yīng)用過程中的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題并未明確，并且缺乏具體的技術(shù)支撐。因此，在特定領(lǐng)域開展有針對性的理論研究和實踐應(yīng)用，并不斷地解決關(guān)鍵技術(shù)難題，是未來數(shù)字孿生理論和技術(shù)發(fā)展的重要途徑。

3 數(shù)字孿生技術(shù)的信息交互

數(shù)字孿生技術(shù)的核心是物理實體與虛擬模型間的信息交互，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和實時傳輸是數(shù)字孿生技術(shù)的基礎(chǔ)，測量技術(shù)和傳感器的發(fā)展，為數(shù)字孿生的實現(xiàn)提供了條件，獲取多領(lǐng)域、多尺度的數(shù)據(jù)可以更加精準(zhǔn)地復(fù)現(xiàn)實體模型的性能。目前，數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)據(jù)采集工作的難點在于傳感器的種類、精度、可靠性等受到局限。因此，在不斷發(fā)展測量技術(shù)和傳感器的同時，對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行充分的分析和挖掘是數(shù)字孿生技術(shù)在信息獲取和交互上的一個突破口。Alam等[29]提出了一種基于云計算的CPS的數(shù)字孿生架構(gòu)參考模型C2PS，分析了C2PS的關(guān)鍵特性。該模型有助于識別系統(tǒng)中不同程度的基本和混合計算交互模式。此外，信息交互及算法領(lǐng)域的研究尤為重要。Luo等[30]建立了一種多領(lǐng)域的數(shù)字孿生建模方法，探索了物理空間與數(shù)字空間的映射策略。Schroeder等[31]提出了一種使用Automation ML創(chuàng)建模型的方法，可以在數(shù)字孿生的系統(tǒng)之間交換數(shù)據(jù)。Bazilevs等[32]開發(fā)了用于全尺寸層合材料結(jié)構(gòu)疲勞損傷預(yù)測的計算導(dǎo)向框架。Ricks等[33]通過以更有效的計算方式模擬復(fù)合材料，提出了與機(jī)身數(shù)字孿生概念相匹配的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多尺度分析方法。Cai等[34]提出了傳感器數(shù)據(jù)集成和信息融合的方法，構(gòu)建了面向信息物理制造的“數(shù)字孿生”虛擬機(jī)床。

4 數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用

在制造領(lǐng)域，隨著物理建模方法、仿真技術(shù)和虛擬制造的不斷更新和完善，數(shù)字孿生與制造領(lǐng)域的結(jié)合日益密切，數(shù)字孿生的優(yōu)勢得以更好地發(fā)揮。Wei等[35]研究了數(shù)控機(jī)床的數(shù)字孿生模型的模型一致性評價方法，建立了滾動導(dǎo)軌高保真數(shù)字孿生模型。Majumdar等[36]利用數(shù)字孿生技術(shù)研究了多物理環(huán)境對復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)變化的影響。Scotte等[37]提出了數(shù)字孿生有關(guān)的無損材料性質(zhì)測定技術(shù)。Xie等[38]研究了刀具生命周期各狀態(tài)下的數(shù)字雙驅(qū)動數(shù)據(jù)流框架，實現(xiàn)了工藝和刀具的持續(xù)改進(jìn)。Heber等[39]探索了汽車中電氣/電子系統(tǒng)數(shù)字孿生模型的建立。Meng等[40]建立了用于大型航天器部件自動裝配的機(jī)器人數(shù)字孿生模型，提高了機(jī)器人裝配系統(tǒng)的智能化水平。Liu等[41]提出了用于自動流水車間制造系統(tǒng)快速個性化設(shè)計的數(shù)字雙驅(qū)動方法。陶劍等[42]利用數(shù)字線索和數(shù)字孿生，開展航空工業(yè)復(fù)雜產(chǎn)品智能制造生命周期業(yè)務(wù)過程建模與仿真、動態(tài)預(yù)測和估評工作。

許多國際企業(yè)開始探索數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計、制造和服務(wù)等方面的應(yīng)用，達(dá)索、西門子、美國通用、參數(shù)技術(shù)公司（PTC）等多家企業(yè)均在數(shù)字孿生方面實現(xiàn)了與自身業(yè)務(wù)相關(guān)的實踐，為數(shù)字孿生技術(shù)的落地應(yīng)用提供了范例。

數(shù)字孿生在制造領(lǐng)域的應(yīng)用為解決微細(xì)銑削加工過程中存在的問題提供了參考，如微細(xì)銑削加工過程中尺寸和形狀精度難以保證，存在刀具磨損及失效，加工質(zhì)量不穩(wěn)定、效率低等關(guān)鍵問題。數(shù)字孿生具有實時同步、忠實映射、高保真的特性，可以對微細(xì)銑削加工過程進(jìn)行實時監(jiān)控和在線迭代優(yōu)化，并為其制定更優(yōu)的生產(chǎn)策略，實現(xiàn)微細(xì)銑削加工過程的全生產(chǎn)周期的自我監(jiān)控、自我預(yù)測和自我維護(hù)，進(jìn)一步推進(jìn)微細(xì)銑削加工的發(fā)展。

微細(xì)銑削的數(shù)字孿生建模

目前，數(shù)字孿生技術(shù)在機(jī)床設(shè)備和加工過程方面的研究主要集中在理論模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)采集和仿真分析上，針對微細(xì)銑削加工數(shù)字孿生技術(shù)的系統(tǒng)研究鮮有見到報道。國內(nèi)學(xué)者對數(shù)字孿生在制造領(lǐng)域應(yīng)用的研究主要集中在加工過程監(jiān)控以及刀具壽命預(yù)測等方面。Luo等[43]基于數(shù)字孿生的理念和方法，探究了物理空間和數(shù)字空間的映射關(guān)系。Qiao[44]采用數(shù)字孿生對機(jī)床進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)保養(yǎng)，提出了數(shù)據(jù)驅(qū)動的仿真方法，實現(xiàn)了機(jī)床工作情況的預(yù)測。

微細(xì)銑削加工數(shù)字孿生的系統(tǒng)框架、建模方法、工具平臺和應(yīng)用實例等仍缺乏深入的研究。因此，將數(shù)字孿生方法應(yīng)用到微細(xì)銑削加工領(lǐng)域，建立融合微細(xì)銑削機(jī)床–刀具–工件的數(shù)字孿生仿真模型，對提高微細(xì)銑削加工表面質(zhì)量具有深遠(yuǎn)的意義。

1 加工工藝過程

鈦合金微細(xì)銑削加工過程中尺寸和形狀精度難以保證，表面完整性差是其加工過程中需要解決的關(guān)鍵難題。同時，機(jī)床的微振動會使得加工狀態(tài)和質(zhì)量難以控制。研究表明，切削加工中的微振動主要源于機(jī)床、刀具和工件耦合作用引起的切削過程不平穩(wěn)特征，如主軸跳動、刀具磨損、切削力突變、工件材料的非均質(zhì)性等。微細(xì)銑削加工微振動引起的切削過程不平穩(wěn)特征會實時地映射到工件的加工表層和亞表層，進(jìn)一步降低工件的疲勞壽命。因此，在傳統(tǒng)理論分析、建模和仿真的基礎(chǔ)上，開展數(shù)字孿生驅(qū)動的鈦合金銑削建模及加工全周期仿真研究，對明確刀具–工件之間界面狀態(tài)，探索多尺度仿真方法的可行性與有效性具有重要理論意義和實用價值。

圖1為針對微細(xì)銑削加工工藝過程建立的數(shù)字孿生系統(tǒng)。建立包含機(jī)床參數(shù)、刀具參數(shù)、工件材質(zhì)、工藝參數(shù)的微細(xì)銑削加工工藝過程的數(shù)字孿生系統(tǒng)，通過傳感器采集實時的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)虛擬仿真與物理真實加工系統(tǒng)的迭代優(yōu)化。融合機(jī)床–刀具–工件的微細(xì)銑削加工數(shù)字孿生仿真模型將進(jìn)一步推進(jìn)微細(xì)銑削加工的發(fā)展。此外，在微細(xì)銑削加工工藝過程的數(shù)字孿生建模過程中，要充分利用信息存儲、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)層級的工藝過程的自動化和智能化。

圖1 微細(xì)銑削加工工藝過程的數(shù)字孿生系統(tǒng)Fig.1 Digital twin system for micro-milling technique

在微銑削動力學(xué)和加工表面完整性耦合的數(shù)字孿生模型中，加工表面形貌和已加工表面亞表層的微觀結(jié)構(gòu)演變是仿真中重點關(guān)注的內(nèi)容。Siang等[45]利用離散位錯動力學(xué)建立了織構(gòu)表面的接觸力學(xué)模型，研究了界面的位錯演變以及剪切應(yīng)力分布情況。Shiari等[46]通過動態(tài)耦合的原子離散位錯方法對單晶鋁的去除過程和切屑成形過程進(jìn)行模擬，分析切屑形成過程中的位錯演變過程?；谖诲e動力學(xué)方法的跨尺度仿真技術(shù)為數(shù)字孿生建模仿真提供條件。刀具和工件間的相對運動直接促進(jìn)了加工表面的成形和已加工表面亞表層的微觀結(jié)構(gòu)演變。因此，在數(shù)字孿生模型的建立中，需要考慮刀具–工件界面的演變機(jī)制。

2 加工刀具狀態(tài)

在微細(xì)銑削加工中，刀具–切屑之間劇烈的摩擦和嚴(yán)重的黏結(jié)效應(yīng)是鈦合金微細(xì)銑削加工中需要解決的關(guān)鍵難題。鈦合金較低的彈性模量、較小的熱傳導(dǎo)率以及高溫下較高的化學(xué)親和力使得切削過程中加工區(qū)域的溫度迅速升高，易引起刀具的磨損和破損[47]。為了提高材料的切削加工性，霧化冷卻與潤滑、超聲振動輔助加工等工藝措施被用來減小刀具–切屑界面的接觸和摩擦，進(jìn)而延長刀具的壽命，提高加工表面完整性。Silva等[48]分析了在干燥、噴射和最小數(shù)量潤滑劑冷卻條件下高速車削Ti–6Al–4V合金時的磨損機(jī)理，探究了加工過程中刀具磨損的主要類型。Zhou等[49]研究微結(jié)構(gòu)與納米流體對銑刀切削性能的耦合效應(yīng)，揭示了微結(jié)構(gòu)與納米流體耦合效應(yīng)的機(jī)理。Chen等[50]開發(fā)了超聲振動螺旋銑削工藝，建立了UVHM的切削軌跡模型，研究了UVHM的材料去除機(jī)理，提高了Ti–6Al–4V合金的加工質(zhì)量。Sawant等[51]研究了沉積工藝對刀具前刀面的點狀和韌窩結(jié)構(gòu)的影響。Li等[52]采用基于多目標(biāo)決策理論的多級模糊綜合評價方法，對鈦合金加工過程中刀具的切削性能進(jìn)行評價，為提高鈦合金的可加工性提供了重要的依據(jù)。Shokrani等[53]研究了液氮低溫冷卻對銑削加工Ti–6Al–4V鈦合金工件表面完整性的影響。但是要從根本上解決鈦合金微細(xì)銑削中的刀具磨損等問題，需要深入研究刀具和工件間的界面行為。因此，微細(xì)銑削加工中刀具和工件間的界面特征數(shù)字化建模與仿真，已經(jīng)成為實現(xiàn)數(shù)字孿生需研究的關(guān)鍵問題。

當(dāng)前，有限元仿真、分子動力學(xué)仿真等已經(jīng)成為研究刀具–工件界面作用機(jī)制的有效工具。圖2為微細(xì)銑削加工過程的刀具數(shù)字孿生建模。采用數(shù)字孿生建立切削模型時，加工過程中在獲取實時加工參數(shù)和切削狀態(tài)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將刀具磨損、振動等信息反饋給實際加工系統(tǒng)，通過刀具虛擬模型和實體之間加工參數(shù)、實時數(shù)據(jù)和仿真運算結(jié)果的迭代交互，監(jiān)測刀具狀態(tài)，優(yōu)化加工表面質(zhì)量。Szydowski等[54]提出了一種基于機(jī)器視覺的微銑刀磨損檢測方法。在圖像采集過程中利用變光強(qiáng)來檢測反射特性不同的區(qū)域，通過幾何信息和反射特性評估刀具磨損，并應(yīng)用于實際檢測。Wojciechowski等[55]利用一種考慮切屑厚度累積現(xiàn)象的新方法預(yù)測微銑削過程中的切削力，切屑厚度累積現(xiàn)象可以表現(xiàn)為當(dāng)前刀具旋轉(zhuǎn)過程中切屑厚度的變化。建立微細(xì)銑削加工過程的刀具數(shù)字孿生模型，分析刀具–工件界面間的摩擦演變規(guī)律，對研究鈦合金微細(xì)銑削刀具磨損機(jī)理及其失效抑制技術(shù)，提高刀具的使用壽命和加工表面質(zhì)量具有深遠(yuǎn)的意義。

圖2 微細(xì)銑削加工過程中刀具的數(shù)字孿生建模Fig.2 Digital twin modeling for cutting tool in micro-milling

3 加工質(zhì)量

在航空航天制造領(lǐng)域中，鈦合金零件存在加工質(zhì)量不穩(wěn)定、效率低等問題。特殊的應(yīng)用條件對鈦合金零件的加工工藝提出了很高的要求。切削加工過程中的微振動使得切削加工系統(tǒng)的不平穩(wěn)性增加，容易在加工表面或亞表層產(chǎn)生微觀缺陷，如微裂紋、空隙等。因此，鈦合金的加工表面質(zhì)量及表面損傷相關(guān)的疲勞特性已經(jīng)成為當(dāng)前關(guān)注的焦點。

在加工表面粗糙度的研究方面，Zhao等[56]以五軸數(shù)控加工為例提出了基于數(shù)字孿生的加工參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整的加工表面粗糙度控制模型。通過實時采集物理實體（刀具、工件和加工設(shè)備等）的數(shù)據(jù)和參數(shù)，輸入到加工表面粗糙度預(yù)測模型中，預(yù)測加工表面粗糙度，通過算法對模型進(jìn)行不斷優(yōu)化，通過實際加工過程的實時交互反饋實現(xiàn)刀具姿態(tài)和銑削轉(zhuǎn)速的實時優(yōu)化控制，有效抑制了加工表面粗糙度的突變特性，并提高了加工表面質(zhì)量，如圖3所示[56]。Yao等[57]對高速銑削鈦合金的表面完整性與疲勞行為進(jìn)行了研究，分析了高速銑削過程中影響表面質(zhì)量的主要因素。Novovic等[58]研究了表面和亞表面微觀結(jié)構(gòu)對鈦合金疲勞壽命的影響。

圖3 基于數(shù)字孿生的加工表面粗糙度（Ra）控制流程Fig.3 Machined surface roughness (Ra) control flow based on digital twin

研究人員對銑削后的TB6鈦合金疲勞壽命進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)刀具后刀面在已加工表面的耕犁和擠壓作用對已加工表面的微裂紋等缺陷具有顯著的影響[59]。謝菲爾德大學(xué)Thomas等[60]利用EBSD對高速銑削鈦合金的亞表層微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷分析。研究表明，顫振效應(yīng)是影響微細(xì)銑削質(zhì)量的關(guān)鍵難題。因此，需要針對微細(xì)銑削質(zhì)量開展數(shù)字孿生建模技術(shù)的研究，為探究工件疲勞行為，提高微細(xì)銑削表面質(zhì)量奠定理論基礎(chǔ)。

4 加工裝備及其動態(tài)特性

微小型機(jī)床是實現(xiàn)微細(xì)銑削加工的重要裝備。在采用微小型機(jī)床進(jìn)行微細(xì)銑削加工過程中，機(jī)床裝備的顫振引起研究人員的重點關(guān)注[61]。Bao等[62]曾提出了微銑刀顫振條件下的切削力分析模型。顫振行為受到加工系統(tǒng)的動態(tài)剛度影響顯著，顫振的尺寸效應(yīng)對微小型機(jī)床的加工性能產(chǎn)生負(fù)面的影響。因此，需要充分考慮微細(xì)銑削顫振效應(yīng)對加工的影響，開展基于數(shù)字建模的微細(xì)加工裝備性能研究工作。

目前，以刀具和工件為對象的微細(xì)銑削仿真已經(jīng)取得了一定的成果。但作為加工全流程的建模仿真，則遇到了結(jié)合界面特性描述的難題，涉及對象也包含機(jī)床、刀具、工件以及工藝路線全流程的環(huán)節(jié)。Uriarte等[63]研究了微細(xì)銑削加工中的誤差及剛度問題，分析了影響機(jī)床剛度的主要因素。國防科技大學(xué)的粟時平等[64]曾對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行建模，探索了精度建模的統(tǒng)一性、規(guī)范性和通用性問題。總體上，對微細(xì)銑削加工裝備的研究需要綜合運用數(shù)字孿生技術(shù)，分析裝備的幾何誤差與動態(tài)特性，提高機(jī)床裝備的綜合性能。

傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)建模和制造的過程中，子系統(tǒng)的設(shè)計、分析和改進(jìn)階段往往獨立進(jìn)行。大多數(shù)仿真停留在機(jī)床設(shè)計和切削模擬的局部階段，而非機(jī)床實際運行和加工全周期的情況，這也造成仿真結(jié)果與實際加工狀況缺乏有效的交互。數(shù)字孿生可以將物理空間和數(shù)字空間緊密聯(lián)系起來，是結(jié)合數(shù)學(xué)模型和實物模型的半實物仿真技術(shù)，被看作“工業(yè)4.0”的重要組成部分[65]。Christiand等[66]研究了數(shù)字孿生模型用于刀具磨損監(jiān)控的方法，采用機(jī)床主軸電機(jī)的實時電信號對刀具磨損狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

微細(xì)銑削加工裝備的數(shù)字孿生模型在實時數(shù)據(jù)的傳輸下，需要精確重現(xiàn)與預(yù)測微細(xì)銑削加工過程的動態(tài)性能，通過模型與實體之間的互動，進(jìn)行迭代優(yōu)化。這就需要對其微細(xì)銑削加工全工藝要素進(jìn)行建模與分析。如圖4所示，通過分析與測試機(jī)床各運動軸的剛度、精度、質(zhì)量、阻尼等性能參數(shù)，按照機(jī)床的運動關(guān)系建立機(jī)床的剛度鏈與精度鏈，研究機(jī)床的熱特性，分析熱場對機(jī)床精度的影響關(guān)系，建立刀具–工件協(xié)同運動的運動學(xué)與動力學(xué)模型，辨識出影響刀具–工件間相對位置的關(guān)鍵因素，提出控制策略。建立包含機(jī)床運動學(xué)、動力學(xué)、控制性能、機(jī)床特性的全工藝要素集成的數(shù)字孿生系統(tǒng)，實現(xiàn)與物理真實加工系統(tǒng)的數(shù)字鏡像，通過仿真揭示微細(xì)銑削加工材料去除、缺陷產(chǎn)生、刀具磨損、高質(zhì)量表面形成的機(jī)理；建立工藝參數(shù)、刀具參數(shù)、工件材料與加工精度、加工質(zhì)量之間的定量關(guān)系。

圖4 微細(xì)銑削加工機(jī)床數(shù)字孿生模型Fig.4 Digital twin model of micro-milling machine tool

將建立的微細(xì)銑削加工機(jī)床數(shù)字孿生模型與實體機(jī)床進(jìn)行數(shù)字化集成，構(gòu)建微細(xì)銑削加工全工藝要素集成的數(shù)字孿生系統(tǒng)，通過機(jī)床性能參數(shù)與加工過程數(shù)據(jù)實時交互的方法，實現(xiàn)包含機(jī)床–刀具–工件的全工藝要素的微細(xì)銑削加工過程數(shù)字化仿真，形成與物理真實加工系統(tǒng)相對應(yīng)的微細(xì)銑削加工的數(shù)字孿生系統(tǒng)。

數(shù)字孿生技術(shù)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)建模仿真方法的不足，即子系統(tǒng)的性能耦合沒有獲得充分考慮以及加工全生命周期的性能實時分析預(yù)測等問題。基于數(shù)字孿生的數(shù)控機(jī)床可以通過建模技術(shù)來感知和評估當(dāng)前加工狀態(tài)。研究微細(xì)銑削加工機(jī)床的數(shù)字孿生建模技術(shù)對制造產(chǎn)業(yè)升級以及實現(xiàn)智能制造具有重要意義。

5 數(shù)字孿生建模需解決的關(guān)鍵問題

目前，在微細(xì)銑削數(shù)字孿生建模研究還需要解決以下關(guān)鍵問題。

（1）微細(xì)銑削的建模仿真主要集中在刀具和工件相互作用的局部位置，未能采用有效的仿真方法和數(shù)據(jù)傳感手段，實現(xiàn)數(shù)字模型和物理實體間的實時交互以及微細(xì)銑削加工過程全周期的迭代優(yōu)化，通過微細(xì)銑削的數(shù)字孿生模型以及先進(jìn)的傳感技術(shù)，增強(qiáng)微細(xì)銑削加工過程全周期與理論模型之間的交互，在實時交互和不斷迭代優(yōu)化中賦予理論模型更加精準(zhǔn)的復(fù)現(xiàn)能力和預(yù)測能力，為實際加工過程提供指導(dǎo)。

（2）針對微細(xì)銑削加工工藝和材料的特點，提出基于跨尺度仿真的數(shù)字孿生建模方法，建立結(jié)合機(jī)床–刀具–工件共融的理論建模機(jī)制，進(jìn)一步揭示刀具–工件之間界面行為和特性。

（3）由于微細(xì)銑削問題的復(fù)雜性，針對微細(xì)銑削加工系統(tǒng)的振動以及弱剛性特征的多尺度數(shù)字孿生建模策略需要開展深入的研究。

結(jié)論

綜上所述，為解決微細(xì)銑削加工過程中機(jī)床動態(tài)特性要求高、實時數(shù)據(jù)監(jiān)測難、刀具顫振、易黏結(jié)、磨損失效快、工件易變形、加工質(zhì)量難以保證等關(guān)鍵性難題，需借助數(shù)字孿生技術(shù)，建立包含有機(jī)床–刀具–工件共融的數(shù)字孿生仿真模型，開展鈦合金微細(xì)銑削的智能制造基礎(chǔ)研究，為解決微細(xì)銑削加工技術(shù)難題提供理論依據(jù)和技術(shù)保障。