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國內虛擬切削加工仿真技術新動向

作者:AM8亚美来源:[AM8亚美公司]访问:090时间:2019-11-12

虛擬機械加工技術(virtual machining)已誕生很久了,隨著科學技術的進步,三維計算機輔助設計被廣泛利用於產品設計,在工程作業設計、加工工序設計及產品組裝程度等方麵,需要開發計算機輔助技術,特別是在計算機輔助工程(CAE)方麵,采用有限元法(FEM)來預先解析研究與產品性能相關聯的構造、熱傳導性和利用計算機輔助製造(CAM)確定刀具活動軌跡的編程技術,均已滲透到工程的各個領域而被有效利用 。 切削加工仿真技術的發展動向包括兩個方麵,其一是開發NC仿真軟件,借以顯示刀具活動軌跡,並判定刀具、刀夾與工件及其夾具是否產生幹涉。在進行立銑加工時 ,最基本的任務是切除刀具切削刃包絡麵通過部分的被加工材料,使保存下來的部分成為已加工麵。完成這類加工所用的軟件應包括如下內容:刀具、刀具夾頭、工件、夾具等的協調,機床主軸的構成及其可工作的範圍,能真實地仿真機床和刀具的動作等。特別是近幾年來,由於五坐標切削加工的不斷增加,在實際加工前應進行NC仿真的首要性日益突出 。這類NC仿真軟件中,有不少軟件具有極為優良的性能,如可從金屬切除體積計算出加工效率;根據金屬切除體積來判定切削加工是否產生過載;假如負荷固定,由於進給速度過高而產生過載,仿真軟件可調整進給速度,防止過載產生,並可縮短切削加工時間等。切削加工仿真技術的另一發展動向是研究解析切削加工過程中的物理現象,如被加工材料因塑性變形而產生熱量 ,被切除材料不斷擦過刀具前刀麵形成刀屑後被排出,和由刀具切削刃切除不需要的材料而在工件上形成已加工麵等,並將這一係列切削過程通過計算機模擬出來,目前能達到這類理想目標的產品還為數未幾。Third wave systems公司的“advantedge”是采用有限元法對切削加工進行特殊優化解析的軟件產品 ,與用於構造解析的有限元法程序包比較,其最大優點是用戶界麵良好,機械加工的技術職員能方便地進行解析。美國scientific forming technologies公司的“deform”是鑄造等塑性變形加工用有限元法解析程序包,比來已被轉用於切削加工。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 ,與衝壓、鑄造等塑性變形比較,變形速度(單位時間產生的變形量)非常大,由此產生的塑性變形能量和前刀麵上由摩擦產生的能量將引發發熱,從而使溫度大幅度升高,刀尖在連續而狹小的範圍使被加工材料破壞、分離成切屑和已加工麵等,這是切削過程的明顯特征。而這些現象彼此間存在複雜的相互影響。假如用有限元解析方式,需輸進下列內容:被加工材料特性及摩擦狀況等物理特性;切削條件及刀具外形等邊界條件。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天生狀況特征的量化參數,在此過程中,無需建立數學模型或提出假設。根占有限元解析的結果 ,還易於將切屑天生過程、應力、變形等物理量實現可視化。要獲得高精度解析結果,最為首要的輸進內容是反映被加工材料應力??變形關係的材料特性,而材料特性的獲取是極為費力的工作。今後,隨著計算機功率的增大,這類切削過程的物理仿真技術將會逐步普及。能否迅速普及的關鍵在於能否及時向用戶提供所需的被加工材料的材料特性。按需開發切削加工仿真技術軟件目前,很多科技職員正在進行生產工程中最基礎的切削加工技術的研究 ,其中多數研究的目的是在弄清楚加工現象的同時,對加工過程進行展看。假如這些研究內容實現了係統的計算機軟件化,就意味著能形成一個切削仿真技術軟件。如東京農工大學機械學院的實驗室就正在進行幾種展看性的有關切削加工仿真技術軟件的研究。工藝流程和實用仿真采用了橫向和縱向相匹配的研究體係,橫向與產品設計到加工工序相對應;在縱向上越往上,實用性越好,往下則不僅是實用性,還包括加工現象的解析和實現可視化。1.刀具信息數據庫和解析仿真技術並用的切削條件選擇係統在實際的切削過程中,不應照搬工具廠提供的推薦切削條件,而應根據機床、工具係統、工件裝卡等具體情況,反複進行試切削來修正切削條件。同時還應將過往加工中積累的行之有效的參考數據輸進數據庫,在有效利用這些數據的同時,借助解析方法使切削條件達到最好化;對於沒有參考數據的新的切削加工,則應開發與此相關的切削條件選擇係統。該係統中把振動、加工精度、刀具升溫、刀具壽命、殘餘應力等設定為解析內容,在解析的基礎上,就能選擇出最好的刀具和調整切削條件。本係統的數據大致分為三個部分:刀具信息數據、工具係統構成 、切削條件 。在切削條件中可積累有效的切削加工技術參數。 本文擬用圖例表示平頭立銑刀加工的最好銑削效率和最好化側麵的外形誤差。根據數據庫選擇所需刀具和刀夾,展看由立銑刀和刀夾的彎曲度及卡頭和主軸錐度結合部分的旋改變化所導致的加工誤差。切削力的展看采用刀尖處的切削力乘以比切削抗力的模式。這是一種最簡便的的方法 ,但卻得到了切削力波形與實測值一致的良好結果。計算出每一瞬間由切削力引發的刀具撓曲量 ,將其和形成已加工麵的切削刃位置的位移相連就能得到已加工麵的外形。與大規模有限元法的計算比較,計算時間是非常少的,輸進刀具信息和切削條件信息,就能輕易地仿真加工誤差。盡管數據庫裏已具有確實適應的切削加工條件,人們仍希看進一步減少加工誤差,進步加工效率。實例表明 ,用這類仿真和實現最好化方式來修正切削條件是完全可能的。2.立銑刀加工時的刀具溫度近年來,高速銑削已很普遍,由經驗得知,它適用於小切深、大進給的銑削條件,而把握最好條件卻相當困難。銑削加工與車削加工不同,前者屬於斷續切削,在加工過程中,刀具升溫順冷卻高速地反複進行 。由於熱傳導給刀具??切屑接觸部分是斷續進行的,必須根據這一特征來解析刀具溫度的變化。熱傳導量對展看精度影響很大 ,但不需要對切屑天生狀況的變形和熱解析相聯係進行大規模計算 ,是以可快速獲得解析結果 。切削速度、切深、進給的組合將影響最高溫度,當加工效率一定時 ,進步進給速度,刀具溫度就會降低,溫度降低往往會使進給速度的進步達到極限,而進步進給速度,加工表麵就會變得粗糙。是以,假如能很好地平衡粗糙度和溫度的關係,就能夠選擇到兩者相互平衡的切削條件。3.用有限元法進行切削過程的物理仿真在用有限元法進行切削過程的物理仿真中,作為切削條件輸進的內容包括:切削速度、切削厚度 、刀具前角 、刀具後角、工件材料特性等。對這些參數進行解析後,就能獲得切削力、切屑外形、刀具和切屑上的溫度分布、應力分布、形變分布、殘餘應力分布等物理特性輸出結果 。這類仿真對特殊切削狀況(如動態切削)也是適用的 。切削成波形表麵的波形切除過程(wave removal)和刀具邊振動邊切削的波形天生過程都顯示出在切屑厚度變薄的過程中,剪切角變小、變形集中而產生大的變形。在如許的動態切削過程中,剪切角發生變化,與此相對應的是切屑天生的變形範圍大小也發生變化,是以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相對應的剪切角度變化圖可知,即使刀尖切削厚度相同,振幅增大時比振幅減小時的剪切角還大,利薩如(lissajou)圖形下方呈凸半月形。根據如許的解析結果,才能使現象的可視化及理解成為可能,從而開發出更為實用的高精度近似解析法。另外,對於材料特性不同的複合金屬材料的切削加工,和象超聲波振動切削那樣的刀具在切削方向邊振動邊斷續切削等加工 ,均可采用物理仿真技術進行解析。由鐵素體和珠光體以層狀分布時的解析實例可知,由於各層分布的位置不同,切屑卷曲的狀況有很大的差異。假如在材料設計中能夠有效利用物理仿真的解析結果,就有可能實現不依托斷屑槽來進行切屑處理。在超聲波振動切削中切削力減小 ,是由於振動切削的振動頻率大大高於刀具-被加工材料係統固有振動頻率。這類解析所獲得的切削力是斷續感化在刀具和切屑間的力,假設沒有摩擦減小等其它身分的影響,這類切削力和通常的切削是一樣的。1頁

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