1 引言

      虛（xū）擬數控（kòng）加工(VNC)過程物理（lǐ）仿真是（shì）虛擬製（zhì）造（zào）(VM)單元和虛擬製造係統基礎核心技（jì）術，越來越受到各國（guó）學者的（de）重視。虛擬數控加工過（guò）程的仿真包括數控(NC)代碼仿真，幾何仿真和物理仿真。數控代碼仿真是（shì）虛擬數控加工過程的一（yī）個重要環節（jiē），通過它可以檢查數控程序的正確性及實現碰撞、幹涉檢驗，大大節省數控程序（xù）的調試時間，減少昂貴的試切費用，提高數控機床的安全性等。幾何（hé）仿真是數（shù）控加工過程仿真的前提，通過刀具掃略體（tǐ）和工件模（mó）型（xíng）連續的布爾運算可得切屑的去除加工過程仿真，它也提供了物理仿真評估（gū）切（qiē）削（xuē）力和（hé）加工誤差所需的（de）主要參數（shù）。物理仿真主要是（shì）力學仿真，它（tā）是虛（xū）擬數控加工過程仿真的（de）核心部分（fèn），其內涵就是綜合考慮實際切削中的各種因素，建立與實際切削擬合（hé）程度（dù）高的數學模型，從（cóng）真正意義上實現虛擬（nǐ）加工與實際加工（gōng）的“無縫（féng）連接”，滿足虛擬數控加工的（de）沉浸感和交互（hù）性。隻有對物理仿真的機理研（yán）究透徹，才能真（zhēn）正意義上的滿足（zú）虛擬製造的目的即實際加工過程在計算機上的真實映射。

  
      2 物（wù）理仿真（zhēn）的研究內容體係

  
      物理仿真的主要內容包括切削力仿真、加工誤差仿真、切屑的生成過程仿真、刀具（jù）的偏移、變形和磨損仿真、及數控切削機床的振動（dòng）與溫度仿真等。其仿真體（tǐ）係結構如圖1所示。

      3.1 切削力仿真模型（xíng）

  
      在切削力的仿真中，關於切削力的模（mó）型，有人認為（wéi），刀具受（shòu）的切削力可以看做是單位時間材料去除率的函數。首先在刀具上建立笛卡兒（ér）坐標係，刀刃上受到三個正交力，如圖2所示。

Ft=KtSt      Fr=KrSr      Fa=KaSa                     (1)

  
      式中：St、Sr、St——切屑在（zài）三個坐標平麵上的投影麵積。

  
      Kt、Kr、Ka——從金屬切削中得到的材料和切削速度參數。

  
      上述切削力仿真的方法經過S.Jayaram的研究對於三軸以上的數控機床切削力誤差較大，因此此仿真方法隻適應於三軸和三（sān）軸（zhóu）以下的數控機床（chuáng）的切削力仿真。

  
      Hirohisa基於刀具（jù）沿（yán）軸向的切削力均勻分布假設（shè）的基礎（chǔ）上（shàng）提出了一種將刀具分成許多（duō）部分的切（qiē）削力仿真模型。本文在此基礎上利用有限元法(FEM)建立切削力模型，將（jiāng）刀具切削刃劃分成若幹微元對其中一個（gè）微元做受力分（fèn）析，如圖3所示。那麽由第j個（gè）刀具微元的切向（xiàng）力dFtj(θ, z)，徑向力dFrj(θ, z)和軸向力dFaj(θ, z)可以得出基本的切削力。

dFtj(θ, z)=[Kte+Ktchj(θ, z)]dz=[Kte+KtcStsinθj]dz
dFrj(θ, z)=[Kre+Krchj(θ, z)]dz=[Kre+KrcStsinθj]dz
dFaj(θ, z)=[Kae+Kachj(θ, z)]dz=[Kae+KacStsinθj]dz (2)

  
      上（shàng）式中Kte、Kre、Kae，Ktc、Krc、Kac代表切削係數，可由切削測試中的各（gè）種進（jìn）給速度得出。hj(θ, z)=Stsinθj是未切削工件的厚度。dz是刀具的軸向長度微分（fèn）。St每一刀具微元的進給量（liàng）。上麵(2 )式通過求解微分方程可得出刀具在三個方向的瞬時切削力。刀具在三個方向的受力總和（hé）通過所有微元在x、y、z方向瞬時切削力的總和求出。

  
      3.2 加工誤（wù）差的模型

  
      工件加工誤差受（shòu）到許多因素的（de）影響，這給加工誤差仿真帶來了許多困難，因為要精確仿真出加工誤差，不（bú）但要考慮每一單項因素對加工誤（wù）差的影響而且（qiě）還得綜合考慮各因素的權重。C.Anderssson對定（dìng）位誤差和刀具磨損對工件精度的仿真模型分別作了較為詳細的研究，Huaizhong Li對機床（chuáng）熱變形和振動對工件加工誤差的模型作了深人的研究等。影響加工誤差的因素還包括機床運動精度誤差、刀具尺（chǐ）寸誤（wù）差以及主軸偏移、導軌變形、夾（jiá）緊力、刀具、零件熱變形和彈（dàn）性變形誤差及加工方法引起的誤差等（děng）。