用于切削加工参数选择的方法研究

    1.制造业对仿真的需求
    美国每年用于机械加工上的费用超过2千亿美元，占其国内生产总值的2%，花在所有机械加工（包括成型和压力加工）上总费用很高。由于加工过程的复杂性，很多因素均采用经验的方法确定。加工参数的选择（如切削速度、进给量和刀具选择）总是通过大量的实验确定，实验费用昂贵，且得到的结果经常不是最优的。美国肯纳公司的调查证明了这一点。他们发现：美国制造业正确选择刀具的概率小于50%，所选的切削速度只是其能达到切削速度的58%，刀具只发挥了38%的功效。这些次优的选择结果估计每年浪费一百亿美元。国际竞争的压力迫使制造业通过加工过程建模和仿真来寻求更复杂、更有效的选择加工参数的方法。

    2.需要解决的建模问题
    加工过程建模和仿真的关键技术问题可以分成三类：模型的扩充和完善、模型的集成和模型的应用。为了更好地仿真切削加工过程，必须很好地解决以下问题。
    （1）切削力模型的校验。几十年来，各国学者建立了大量的各种切削加工切削力模型。但由于考虑的影响因素和采用的研究方法不同，结果相差很大，要对加工过程准确仿真，必须对切削力模型进行校验。（2）建立模型数据库。除了校验切削力模型，加工数据库的建立和维护也是一个需要密切关注的实际问题。成功地建立切削力学模型需要依靠相关数据库的准确度，研究人员和用户都可建立数据库并存储切削力、切削条件、工件、刀具材料、刀具几何参数和其他像加工表面光洁度这样的数据。确定数据库结构，使其具有填加、删除、检索和检查复制信息等功能。测量到的力的数据转换成切削系数不是一个标准的过程，切削条件和切削系数之间的函数关系对不同的模型是变化的。研究人员可把他们的修正系数加到数据库中，大致地修正切削系数，在实际预测切削力时，采用修正的切削力学模型。 
    （3）切屑流出模型。采用切屑流出模型预测切屑流出角，切屑流出角的校验需要进行斜角切削实验。对双刃切削，切屑流出角的校验要分别进行。另一方面，切屑流出的解析模型在很广的范围内是有效的，但还需研究这些模型对曲线切削刃的应用及刀片槽型对切屑流出角的影响。
    （4）刀具磨损对切削力的影响。大多数已有的加工模型都没有考虑刀具磨损对切削力的影响。因为实际加工中所用的刀具多数已有所磨损，因此需要预测刀具磨损（特别是后刀面磨损）对切削力的影响。（5）动态切削力模型。虽然目前开发的各种加工过程模型已比较成熟，能够精确地预测刚性加工系统的切削力（静态切削力），但更需要建立动态切削力模型，更好地预测各种因素的影响。 
    （6）切屑控制。在连续切削加工过程中，切屑折断是一个很大的问题，为了控制切屑的形成，使切屑易于折断，已经开发了大量刀片槽型。但大多数切削力模型是基于平前刀面刀片的，没有考虑这些切屑折断器的几何形状。目前，企业大量使用的是具有三维槽型的刀具。所以在切削加工建模中考虑三维槽型的影响很重要。
    （7）动态模型集成。动态模型的两个主要组成部分是机床动力学和工件—夹具动力学。应该把它们集成在一起，建立一个动态模型。为此，所用的方法必须一致，关键是动力学转换函数、质量—刚度矩阵、动力学实验特性或几何形状的数字定义和反馈模型，还应考虑过程阻尼及结构阻尼的影响。
    （8）开发与CAD/CAM软件的接口。为了预测复杂零件加工的切削条件，工件的几何和刚度信息应输入到仿真程序。所以，需要在CAD/CAM软件和加工过程模型之间有接口。一些CAD/CAM软件在这方面做得很好。它使用户能用由CAD/CAM软件生成的NC代码仿真加工过程并检验设计规程。但很多商业CAD/CAM软件缺乏这个特点，为达到这个目的，一个理想的方法是采用PDES/STEP产品模型标准，它使得加工过程模型便于在不同CAD/CAM系统之间转换。
    （9）用户界面的开发。对加工过程仿真软件的一个重要要求是有一个友好的用户界面。为使企业接受，这方面特别重要。为响应用户输入各种输入参数、运行仿真程序、显示运算结果（力、振动、表面光洁度、形状误差、平面度等），应设计一图形交互环境。
    本文在已建立的铣削力模型基础上，开发与CAD/CAM软件I-Deas的接口，在建立的网络制造环境中，通过仿真切削过程的动态力学特性来优选切削参数。

    3.基于网络的仿真环境
    随着计算机网络及其相关技术的不断发展与完善，Internet己成为一个大的分布式计算平台。Web浏览器由于具有良好的跨平台和多媒体功能，越来越受到人们的青睐。浏览器/服务器（Browser/Server，简称B/S）体系结构是一种基于Web的三层计算模型。它由浏览器、Web服务器和数据服务器组成。
    浏览器/服务器体系结构利用超文本传输协议HTTP（Hypertext Transfer Protocol）的消息传递机制，客户端通过浏览器访问服务器并发出服务请求，服务器进行相应的处理后将响应结果返回给客户端。与传统的Client/Server（简称C/S）结构相比，B/S结构具有以下特点：
    C/S结构必须根据客户端所使用的操作系统及访问的后台应用的不同，安装不同的软件；而B/S结构简化了客户端软件，只需安装Web浏览器作为客户端应用的运行平台，而将所有的开发、维护和升级工作集中在服务器端；
    C/S结构需要混合多种传输协议；而在B/S结构中，所有的系统都使用TCP/IP协议进行通信；
    C/S结构需要不断地使用新的版本，以更新用户系统；而在B/S结构中，系统版本的升级及维护是在Web服务器端进行的，用户需要访问时才进行动态下载。这样就保证了用户每次使用的都是最新的版本。从以上介绍和比较可以看出，B/S体系结构具有灵活方便、构建费用较低和强大的交互功能等优点，因而B/S体系结构在如今CAM/CAM软件的开发中处于非常重要的地位，本文采用B/S体系结构实现了切削力模型的网络化仿真。

    4.铣削力的仿真
    本文在已有的铣削力模型基础上，开发与CAD/CAM软件I-Deas的接口，实现了铣削力仿真。制造工程师通过网络运行加工过程仿真系统，在自己的计算机上可以看到加工过程中的切削参数、作用在刀具上的力和其他相关的参数。通过调整最初的加工策略并重新运行仿真系统，可以确定优化的加工过程。
    通过仿真加工过程，制造工程师不再需要采用实际试切的方法，就可直接选用最佳参数进行实际生产，使生产率高、原材料和能源浪费少并减少对机床的损害等。完善的加工过程模型还可预测零件的加工质量等。这大大缩短了产品开发周期，提高了生产效率，降低了生产成本，并实现了资源共享。
    本文分析了加工过程仿真需要解决的各种建模问题，提出一种基于网络的加工过程仿真的实现方法，为构建完整的基于网络的加工过程仿真系统，还有很多工作要做，特别是加工过程建模问题。建立完整、准确、实用的模型，是实现加工过程仿真的根本保证。