虚拟数控车削物理仿真系统的研究与开发

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1、虚拟数控车削物理仿真系统的研究与开发黄雪梅赵明扬*王启义**东北大学机械学院中科院沈阳自动化研究所*大连铁道学院**摘要虚拟加工过程仿真是虚拟制造的底层关键技术。本文面向数控车削，开发了一套动态车削物理仿真系统，提出了仿真系统的总体框架，建立了动态物理仿真模型及相关子模型，分析了动态车削过程的影响因素，阐述了系统开发过程中有关模型构成及工件数据描述等技术性问题。关键词虚拟制造，虚拟加工过程仿真，物理仿真中图分类号：TH1661前言虚拟加工过程仿真是虚拟制造的底层关键技术，包括几何仿真和物理仿真两大部分。目前几何仿真方面的研究理论比较全面和

2、深入，出现UG、Pro/ENGINEER、MasterCAM等成熟的商业软件。而物理仿真由于其切削机理复杂、建模难度大等客观原因，研究还不够深入。但对切削过程物理方面因素的分析与预测在虚拟制造研究中具有重要意义，国内外已经对其加以重视并开展了研究工作。美国国家自然科学基金会[1]资助伊利诺依大学、西北大学、普渡大学联合进行机械加工过程模型的研究，研究内容包括车、铣、钻等加工型式，涉及到有关切削力、振动、切屑形成、工件表面质量等诸多方面。国内也有研究者[2][3]致力于面向加工质量分析与预测的加工过程物理仿真单元及系统的研究与开发。本文面向

3、数控车削加工过程，建立了车削加工过程物理仿真系统，就系统的体系结构、系统开发等技术问题加以研究。2车削物理仿真模型的体系结构2.1仿真系统的构成　　车削加工过程是由机床—工件—刀具构成、涉及到多种影响因素的综合系统，在加工过程中还会受到各种随机干扰，在建模时综合考虑了各种因素，围绕被切削材料的微观硬度变化，将其作为物理仿真系统的主干扰因素，建立了工件微观硬度—瞬时切削力—相对振动—工件表面粗糙度的虚拟数控车削加工物理仿真主干模型，总体结构如图1：物理仿真模型动态切削力随机振动切削负荷工件硬度变化工件表面粗糙度刀具模型图1车削加工物理仿真系

4、统的总体结构______________________________________________________________________________________国家自然科学基金项目（59775077）和国家863/CIMS主题项目（863-511-943-011）资助2.2切削力模型　　在正常的车削加工过程中，车刀一直未脱离工件，此时切削力与瞬间的切削面积成正比，因此能够引起瞬时切削面积变化的因素都将会造成切削力的改变，这些因素包括被切削材料的物理性能即工件的微观硬度变化、刀具与工件之间的相对位移及切削的再生机理等

5、方面。由此瞬时切削力模型由静态力和各种动态因素造成的切削力波动叠加而成，即由名义切削力Fnim、工件硬度不均匀形成的变切削力Fran、刀具与工件的相对振动使切削层参数变化时的变切削力Fvir及再生力Freg构成。动态切削力Fins可表示为：其中工件微观硬度不均形成的瞬时切削力模型Fran为：KSH为排除了工件硬度因素的切削力影响系数，μsj是样本实际硬度，μ是实验硬度，此处为工件的平均硬度，m是工件硬度变化对力影响指数，A是切削层体积。2.3工件粗糙度模型在车削加工过程中影响工件表面形貌的主要因素有：刀具几何形状、工件旋转运动与切削振动等

6、。对于静态切削过程，刀具进给量f与刀具圆弧半径rb是影响表面粗糙度的主要因素。而在实际的切削过程中，由于切削振动使刀具与工件发生了相对位移，工件在微观上形成凸凹不平的表面，从而影响到工件的表面形貌特征，这时工件的表面质量就要在理论粗糙度的基础上再进一步考虑动态切削的各项特征与相关因素。3工件的微观硬度工件微观硬度差异对动态切削过程有明显影响，先将工件被加工表面划分出适当的区域作为样本块，然后应用数理统计方法表达出各样本块实际硬度与平均硬度的差异，以此来研究对动态切削过程的影响。3.1划分工件为样本块将零件表面划分出独立的区域是研究工件微观

7、硬度的第一步。综合分析切削过程，切削用量对切削过程中的各物理量的变化有直接影响，因此将工件划分成体积相等的与切削用量相关的几何体。我们以外圆车削为例，在工件表面取长为进给量f的圆环，圆环的径向长度为切削深度ap，而圆环的进一步分割则依据切削速度v与系统的振动特性。这样工件被加工表面就被分割成与切削用量有关的体积相等的样本块。3.2样本硬度的确定我们采用理论分析与实验结合的方法来确定样本的硬度。理论上，切削材料的微观硬度差异取决于切削材料种类与热处理情况。根据固体混合物中的样本方差理论，将工件视为由两种或两种以上的硬度不同的微观组织构成。通

8、过分析这些微观组织的性质和它们在样本块中的比例，由数理统计知识确定各样本块的实际硬度。4仿真系统开发4.1开发环境与开发方法仿真系统在PetiumPro233/64MBRAM的微机上开发完成，