切削加工仿真技術(shù)是研究解析切削加工過(guò)程中的物理現(xiàn)象，通過(guò)數(shù)值仿真得到切削過(guò)程中的切削力、應(yīng)變、應(yīng)變率、切屑、刀具溫度等數(shù)值，對(duì)切削參數(shù)及刀具進(jìn)行DOE研究和刀具磨損研究，以及基于切削力、溫度等仿真數(shù)值對(duì)NC程序進(jìn)行優(yōu)化。

成立于1993年的Third Wave Systems公司，主要業(yè)務(wù)是開(kāi)發(fā)和銷售有限元切削加工仿真軟件，響應(yīng)了加工市場(chǎng)的這一需求。其產(chǎn)品AdvantEdgetm FEM采用有限元方法對(duì)切削加工過(guò)程進(jìn)行模擬；另一產(chǎn)品Production Moduletm擅長(zhǎng)于工藝分析，并基于切削力、溫度等仿真數(shù)值對(duì)NC程序進(jìn)行優(yōu)化。

AdvantEdgetm FEM軟件

原理和特點(diǎn)

AdvantEdgetm FEM采用有限元法進(jìn)行切削過(guò)程的物理仿真，作為切削條件輸入的內(nèi)容包括：工件材料特性、刀具幾何、刀具材料特性、切削速度、冷卻液參數(shù)、刀具振動(dòng)參數(shù)、切削參數(shù)等。軟件通過(guò)有限元分析后，獲得切削加工過(guò)程中的切削力、切屑打卷、切屑形成、切屑斷裂、熱流、刀具工件和切屑上的溫度分布、應(yīng)力分布、應(yīng)變分布、殘余應(yīng)力分布等物理特性輸出結(jié)果。圖1所示為3種刀具的切削仿真及切削力比較；圖2所示為不同切削參數(shù)的切屑形成及溫度分布情況。

圖1a 3種刀具切削仿真

圖1b 3種刀具切削力比較

AdvantEdgetm FEM擁有豐富的材料庫(kù)，包括120種從鑄鐵到鈦合金的工件材料，100種從Carbide、金剛石到高速鋼的刀具材料，TiN、TiC、Al2O3、TiAlN涂層材料；可進(jìn)行豐富的工藝分析，如車削、銑削(含插銑)、鉆孔、鏜削、拉削等，冷卻液侵入、噴射等方式。其刀具磨損仿真主要采用日本的Usui算法；同時(shí)具有切削速度、進(jìn)給量、前角、切削刃圓弧半徑參數(shù)DOE研究；切削速度、進(jìn)給量、變換刀具DOE研究；具有豐富的后處理功能。

效益分析

在刀具的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，使用AdvantEdgetm FEM軟件可以研究刀具的涂層、形狀、材料，并為刀具推薦切削參數(shù)。在實(shí)際切削加工中，不照搬刀具廠提供的推薦切削條件，在軟件分析的基礎(chǔ)上，就能選擇出最佳的刀具和切削參數(shù)。通過(guò)仿真分析提高材料的去除率，優(yōu)化切削力及溫度、切屑形成，減少金屬切削中工件的扭曲變形、降低殘余應(yīng)力，提高零件質(zhì)量和刀具性能，減少現(xiàn)場(chǎng)試切的試驗(yàn)次數(shù)和成本。

仿真技術(shù)幫助企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長(zhǎng)刀具壽命、完善加工工藝，顯著降低產(chǎn)品制造成本。

Production Moduletm軟件

原理和特點(diǎn)

Production Moduletm軟件是一個(gè)工藝分析軟件。通過(guò)對(duì)工件、刀具、材料數(shù)據(jù)及NC程序的綜合分析，可以得到整個(gè)加工過(guò)程中的切削力、溫度等數(shù)據(jù)。然后，通過(guò)優(yōu)化NC程序中的進(jìn)給及切削速度來(lái)優(yōu)化加工過(guò)程中的切削力、溫度等參數(shù)。如圖3所示。

圖2 不同切削參數(shù)切屑形成及溫度分布

通過(guò)Production Moduletm優(yōu)化分析后，可以改進(jìn)加工過(guò)程中切削力、溫度，實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡，降低振動(dòng)，縮減加工周期。優(yōu)化后的NC程序可以直接進(jìn)行加工。

效益分析

Production Moduletm軟件中的數(shù)據(jù)庫(kù)都是通過(guò)試驗(yàn)或AdvantEdgetm分析獲得的。輸入工件、工件材料特性、刀具參數(shù)、G代碼/APT代碼、機(jī)床控制文件，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行解析后，能夠得到整個(gè)加工過(guò)程中的切削力、溫度、功率等結(jié)果。然后，通過(guò)自動(dòng)優(yōu)化CNC程序功能或優(yōu)化進(jìn)給及切削速度參數(shù)，優(yōu)化切削力、溫度及加工周期，從而提高生產(chǎn)效率。NC程序優(yōu)化前后切削力及加工周期的比較，如圖4所示。

圖3 通過(guò)對(duì)工件、加工路徑、NC程序的綜合分析得到整個(gè)加工過(guò)程中的切削力

圖4 NC程序優(yōu)化前后切削力及加工周期比較(紅色為優(yōu)化前，綠色為優(yōu)化后)

結(jié)束語(yǔ)

隨著數(shù)值計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值仿真已經(jīng)向多學(xué)科方向發(fā)展，數(shù)字化仿真技術(shù)在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用也不斷向縱深發(fā)展，產(chǎn)品切削加工仿真技術(shù)在刀具設(shè)計(jì)、航空航天、汽車行業(yè)的應(yīng)用也逐漸深入。

為滿足國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)金屬切削加工有限元仿真技術(shù)應(yīng)用的需求及引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，通力有限公司從2006年開(kāi)始代理美國(guó)Third Wave Systems公司金屬切削仿真軟件，致力于為國(guó)內(nèi)制造業(yè)行業(yè)提供金屬切削仿真有限元解決方案。