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关于虚拟机械切削机械刀片加工的物理仿真技术
来源:网络  加入时间:2010-02-09 点击:

切削加工仿真技术的发展动向包括两个方面,其一是开发nc仿真软件,借以显示刀具运动轨迹,并判断刀具、刀夹与工件及其夹具是否产生干涉。

  在进行立铣加工时,最基本的任务是切除刀具切削刃包络面通过部分的被加工材料,使保留下来的部分成为已加工面。完成这类加工所用的软件应包括如下内容:刀具、刀具夹头、工件、夹具等的协调,机床主轴的构成及其可工作的范围,能真实地仿真机床和刀具的动作等。特别是近几年来,由于五坐标切削加工的不断增加,在实际加工前应进行nc仿真的重要性日益突出。这类nc仿真软件中,有不少软件具有极为优异的性能,如可从金属切除体积计算出加工效率;根据金属切除体积来判断切削加工是否产生过载;如果负荷固定,由于进给速度过高而产生过载,仿真软件可调整进给速度,防止过载产生,并可缩短切削加工时间等。

  切削加工仿真技术的另一发展动向是研究解析切削加工过程中的物理现象,如被加工材料因塑性变形而产生热量,被切除材料不断擦过刀具前刀面形成刀屑后被排出,以及由刀具切削刃切除不需要的材料而在工件上形成已加工面等,并将这一系列切削过程通过计算机模拟出来,目前能达到这种理想目标的产品还为数不多。third wave systems公司的“advantedge”是采用有限元法对切削加工进行特殊优化解析的软件产品,与用于构造解析的有限元法程序包比较,其最大优点是用户界面优良,机械加工的技术人员能方便地进行解析。美国scientific forming technologies公司的“deform”是锻造等塑性变形加工用有限元法解析程序包,最近已被转用于切削加工。

  切削过程是切屑、被加工材料的弹性变形和塑性变形的变形过程,与冲压、锻造等塑性变形比较,变形速度(单位时间产生的变形量)非常大,由此产生的塑性变形能量和前刀面上由摩擦产生的能量将引起发热,从而使温度大幅度升高,刀尖在连续而狭小的范围使被加工材料破坏、分离成切屑和已加工面等,这是切削过程的显著特征。而这些现象彼此间存在复杂的相互影响。

  如果用有限元解析方式,需输入下列内容:被加工材料特性及摩擦状态等物理特性;切削条件及刀具形状等边界条件。通过有限元解析刚性方程,可输出切削力、剪切角、切削温度等带有切屑生成状态特征的量化参数,在此过程中,无需建立数学模型或提出假设。根据有限元解析的结果,还易于将切屑生成过程、应力、变形等物理量实现可视化。

  要获得高精度解析结果,最为重要的输入内容是反映被加工材料应力——变形关系的材料特性,而材料特性的获取是极为费力的工作。今后,随着计算机功率的增大,这种切削过程的物理仿真技术将会逐渐普及。能否迅速普及的关键在于能否及时向用户提供所需的被加工材料的材料特性。

  按需开发切削加工仿真技术软件

  目前,许多科技人员正在进行生产工程中最基础的切削加工技术的研究,其中多数研究的目的是在弄清楚加工现象的同时,对加工过程进行预测。如果这些研究内容实现了系统的计算机软件化,就意味着能形成一个切削仿真技术软件。如东京农工大学机械学院的实验室就正在进行几种预测性的有关切削加工仿真技术软件的研究。工艺流程和实用仿真采用了横向和纵向相匹配的研究体系,横向与产品设计到加工工序相对应;在纵向上越往上,实用性越好,往下则不仅是实用性,还包括加工现象的解析和实现可视化。

  1.刀具信息数据库和解析仿真技术并用的切削条件选择系统

  在实际的切削过程中,不应照搬工具厂提供的推荐切削条件,而应根据机床、工具系统、工件装卡等具体情况,反复进行试切削来修正切削条件。同时还应将过去加工中积累的行之有效的参考数据输入数据库,在有效利用这些数据的同时,借助解析方法使切削条件达到最佳化;对于没有参考数据的新的切削加工,则应开发与此相关的切削条件选择系统。该系统中把振动、加工精度、刀具升温、刀具寿命、残余应力等设定为解析内容,在解析的基础上,就能选择出最佳的刀具和调整切削条件。

  本系统的数据大致分为三个部分:刀具信息数据、工具系统组成、切削条件。在切削条件中可积累有效的切削加工技术参数。

  本文拟用图例表示平头立铣刀加工的最佳铣削效率和最佳化侧面的形状误差。根据数据库选择所需刀具和刀夹,预测由立铣刀和刀夹的弯曲度及卡头和主轴锥度结合部分的旋转变化所导致的加工误差。切削力的预测采用刀尖处的切削力乘以比切削抗力的模式。这是一种最简便的的方法,但却得到了切削力波形与实测值一致的良好结果。计算出每一瞬间由切削力引起的刀具挠曲量,将其和形成已加工面的切削刃位置的位移相连就能得到已加工面的形状。与大规模有限元法的计算比较,计算时间是非常少的,输入刀具信息和切削条件信息,就能容易地仿真加工误差

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