数控加工中物理仿真技术示波器
2022-07-13 15:46:10 三一机械网
几何仿真只是对加工过程中的几何因素和运动过程进行了仿真，而对加工过程中力、热、振动、变形等并未进行仿真计算。物理仿真能揭示加工过程的物理本质，对了解加工过程中的切削力、切屑、振动以及刀具与工件的交互作用等具有重要作用。由于产品的可制造性与切削过程中的物理条件密切相关，通过切削过程的物理仿真可以模拟切削过程的动态力学特性、优化切削参数，确保获得好的加工表面质量。物理仿真技术中涉及到的关键技术包括：切屑预测、切削力热仿真、零件加工变形预测、刀具磨损预测等。物理仿真主要采用有限元技术，目前较为专业的切削加工过程物理仿真软件包括ThirdWaveAdvantEdge、Deform3D等。切屑预测切屑预测包括瞬时未变形切屑厚度的预测和切屑形状的预测两类。瞬时未变形切屑厚度是指刀齿在切削工件时，刀齿所切削位置尚未发生变形的切屑厚度。瞬时未变形切屑厚度主要通过刀齿与被切削面的相对位置关系进行计算，通常采用解析方法。瞬时未变形切屑厚度的计算是物理仿真过程中切削力计算的重要组成部分之一，其计算精度在理论上对切削力预测的准确性有重要影响。切屑形状预测主要是预测切屑从刀具前刀面脱离后的形状，目前主要采用数值计算的方式进行模拟。在最新发展的技术中，通过基于分层的工件形状跟踪，可以精确计算多轴加工中的未变形切屑形状。切削力热耦合作用模拟数控加工过程中的金属切削过程具有高温、高速、大应变的成形特点，剧烈的摩擦和材料流动及变形使得局部的温度可以在很短的时间内上升几百摄氏度。因此，剧烈的温度变化与快速的材料流动对工件表面的成形质量以及刀具的磨损会产生重要影响。温度的变化会对材料的属性产生重要影响，从而反过来影响切削过程中的切削力。因此，切削过程中的力与热是相互耦合的。目前加工过程中的热力耦合作用主要通过有限元技术进行模拟，该方法主要建立在与温度耦合的塑性变形理论基础之上。切削过程中的切削热主要来源于工件的塑性变形以及切屑-刀具界面的摩擦。工件内部的温度场分布则主要由工件和刀具的初始温度、工件的塑性变形和切屑-刀具界面的摩擦等因素决定。目前切削过程中的力热耦合模拟已可以实现典型过程的2D与3D模拟，但是计算周期普遍长。最新的发展中，通过预先建立加工参数与力热耦合之间的映射关系及相关数据库，可以实现沿加工轨迹的力热耦合趋势的快速仿真。零件加工变形预测对薄壁工件加工后变形的仿真一直是薄壁零件加工中研究的热点与难点。薄壁零件加工后的变形主要由残余应力引起，而残余应力主要来源于工件毛坯制造过程中产生的残余应力和加工中产生的残余应力。因此，预测加工过程中产生的残余应力，进而预测薄壁工件的变形是加工仿真中的一个重要研究任务和研究热点。目前的研究主要还集中在加工中产生的残余应力的定量预测方面。由于残余应力重复测量的困难性，定量预测的准确性也依赖于测试结果的准确性。然而，考虑工件内部初始残余应力和加工过程所致残余应力共同作用下的工件变形则很少研究。针对这一问题，美国ThirdWaveSystems公司提出了面向薄壁件加工变形预测的实现流程。该方案结合数据库，通过加载工件初始残余应力和加工引起的残余应力，利用FEM分析最终实现对薄壁件加工变形的预测。刀具磨损预测切削加工过程中，刀具与切屑之间以及刀具和工件之间存在很高的应力和温度梯度。同时，新切出的工件表面通常没有氧化物或氮化物保护层，化学特性较为活跃。因此，刀具的磨损会直接影响刀具的寿命和工件表面的质量。切削加工中刀具的磨损机制有多种，主要的几种磨损形式包括磨粒磨损、粘附磨损和扩散磨损等。由于切削参数以及刀具-工件材料组合的不同，不同的磨损机制对刀具的磨损都有一定的影响。目前针对刀具磨损的仿真中，通常采用较为熟知的Usui磨损模型等进行仿真，并且在FEM仿真中进行了很好的应用。然而，目前的刀具磨损仿真多是简单几何形状的非涂层刀具的仿真。实际加工中使用的刀具通常是复杂几何形状且带有涂层，因此现有的仿真方法与真实加工过程有较大差距。针对这些问题，德国亚琛工业大学通过试验校准改进Usui刀具磨损模型，对刀具的磨损进行仿真。该方法可以有效地对不同阶段的刀具磨损进行预测。