0 引言

      隨著計算機技術在製造業的應用、信息技術應用到零件製造過程的進展，形成了虛擬製造(Virtual Man⁃ufacturing, VM)技術，國際上尚（shàng）未（wèi）對VM技術作出統一的定義，但基（jī）本認同（tóng）的觀點是（shì）[1]：VM技術的本質是以計算機支持的仿真（zhēn）技術為前提（tí），對設計（jì）、製造、測試等生產過（guò）程進行統（tǒng）一建（jiàn）模，在（zài）高性能的計算機及高速網絡支持下，在虛擬條件下模擬出產品製（zhì）造全過程，通過計算機建模仿（fǎng）真與虛擬現實技術將實際製造過程在計算機上映射出來。由此可見，通過VM可在計（jì）算機上模擬和預估零件的可加工性和加（jiā）工過程中各種因素（sù）對加工質量的影響，再通過伺服係統來控製加工過程，可實現（xiàn）優質、高效（xiào）、低成本地完成零件加工過程。

      1 細長軸（zhóu）加工的工藝特（tè）點

      細長軸是指長度L 與直徑d 之比大（dà）於12的軸，由於（yú）其（qí）剛性差，是軸類零（líng）件加工（gōng）的難點。細（xì）長軸的加工工藝特點如下：1）細長軸的剛性很差，很容易因切削力及重力作用產（chǎn）生彎曲變形，並產生（shēng）振動，從而影響加（jiā）工精度和表麵質量。2）細（xì）長軸（zhóu）的熱擴散性能差，在切削熱的作用下，會產生相當大的線（xiàn）膨脹。若軸的兩（liǎng）端為固定支承，會因擠壓而彎曲變形；高速回轉時（shí）因彎曲產生（shēng）的離心力會使彎曲變（biàn）形進一步加劇。3）由於細（xì）長軸較長，加工時一次走刀時（shí）間（jiān）長，砂輪的磨損會增加零件的幾何形狀誤差。

      根據細長（zhǎng）軸的加工工藝特點，實現細長軸的虛（xū）擬磨削加（jiā）工研究的主要內容是：磨削工藝的製定、磨削加（jiā）工中（zhōng）人機因素的分析、虛擬磨削的（de）建模、虛擬磨削控製等。磨削加工質量的影響因素很多，包括磨削力、磨削熱、磨削用量、零件材料（liào）、砂輪形貌（mào）、砂輪磨損等因素[3]，其中磨削的受力變形和受熱變（biàn）形對加（jiā）工質量影響最大。由於篇幅有限，本文僅對磨削受力變形加以分析和仿真，介紹（shào）細長軸的虛擬磨削加工。

      2 細長軸磨（mó）削的建（jiàn）模及仿真

      由於外圓表麵的磨削加工（gōng）一般使用平型砂輪，磨削力分為切向力Ft 和法向力Fn 。在磨（mó）床上尾架彈簧（huáng）可克服或（huò）減小切向力對磨削變（biàn）形的影響，故對（duì）磨削變形（xíng）影響最大的是法向力Fn 。磨削細長（zhǎng）軸時，在法向力Fn 的作用下，使工件各部分的變形量（liàng）不一致（zhì），且隨著磨削條件（jiàn）而變化，見圖1。

      磨削時，砂輪與工件表麵（miàn）接觸，在接觸麵法向方向會（huì）產生彈性變形。將法向力抽（chōu）象為（wéi）一集中載荷（hé），再將工件沿軸向人為（wéi）地分為10段，每兩（liǎng）段相接處用{χi ，ｉ=1、2、⋯10}表示（shì），運用材料力（lì）學，建立彎曲變形（xíng）的撓（náo）度曲線方程（chéng），用（yòng）撓度ｙ的二階（jiē）導數y 〞表（biǎo）示撓度曲率，則曲率方程為：

      式中：a 為砂輪位置參數（shù）；F n為法向磨削（xuē）力；Ji 為（wéi）第i 段轉動慣量矩；E 為工件材料彈性模量。

      將前兩式積分兩次得：

      其中：{C 1i ,i =1、2⋯10}，{C 2i ,i =1、2⋯10}為積分常數。

      可用Visual C+ +語言，對上述計算編寫計（jì）算機模擬程序，得出工件形狀曲線。砂輪在工件的（de）不同軸向位置使工件的彎曲變形量不同，工件實際（jì）加工直徑取決於砂輪所在處的彎（wān）曲變形量（liàng），仿真的結（jié）果為：當兩頂尖剛性很高時工件形狀為“腰鼓型”；頂尖（jiān）剛性有限時，工件形狀“腰鼓型”或“馬鞍形”，因此磨床頭架和尾架變形對工（gōng）件的形狀曲線和工件直徑影響較大；如工件高速旋轉，工件（jiàn）因自重引起的彎曲變形對工件形狀及圓柱度（dù）誤差的影響也是不能忽視的；再者，工件的（de）結構變化也會在工件最後的形狀上（shàng）反映出來。

      3 細長軸虛（xū）擬磨削的機床（chuáng）模型（xíng）

      根據細長軸磨（mó）削的影響因素和基於計算機仿真的結果，設計虛擬磨（mó）床模（mó）型時，運用仿真結果建立工件形狀（zhuàng）誤差的在（zài）線預測係統，設置誤差補（bǔ）償係（xì）統，通過伺（sì）服控製係統對影響結果精度的因素進行控製（zhì）和修正（zhèng），以滿足加工質量要求。伺服係統可采用數字伺服係統，采用計算機軟件對加工過程進行控製。數字伺服控製係統有以下優點[4]：1）無溫度漂移（yí），穩定性好；2）基於數（shù）值計算，精度（dù）高；3）通過對係統參數設定，可減少調整；4）采用軟件控製，柔性好；5）減少了伺服滯（zhì）後產生的誤（wù）差。虛擬磨床（chuáng）模型，見圖2。

      虛擬機床模型是與實際磨（mó）床功能（néng）相似、且有可視性的數字仿真模型，可用它對真實加工環境進行模擬，具有（yǒu）很高的相似性，但它與在物理磨床磨削加工的真實環（huán）境並不完全相同，隻是在一定程度上反映真實係統的主要（yào）特征[5]。

      4 ＶＭ的意義

      虛擬（nǐ）製造技術的應用為（wéi）解決製（zhì）造過程中（zhōng）的問題提供了新的方法和手段，具有很好發展前景，並可（kě）預測產品性能、產品製（zhì）造技術和可製造（zào）性，從而更（gèng）有效、更（gèng）經濟地柔性靈活地組織（zhī）生產，以達（dá）到產品的開發周期和成本的最小化、產品質量的最優化、生產效率的（de）最高化。虛擬製造是基於虛擬製造技術實現的製造係統，是現實製造係統在虛擬環境下的映射，它不消耗現實資源和能量，所生產的產品是可視的虛（xū）擬產品，但（dàn）有真實產品（pǐn）的特征。

      通過對細長軸的實際製造（zào）過程（chéng）進行仿真模擬，可以預估細長軸（zhóu）加（jiā）工質量中存在（zài）的問題,從而對細長軸磨削加工的工藝規程的製定、磨削加工質（zhì）量的（de）控製、提高（gāo）人們的預測和決策水平起到（dào）很重要的作用，還可增強風險（xiǎn）控製和管理能力、縮短產品開發周期、增強企業的競爭能力。同時由於虛擬製造的產品為數字產品，對實現綠色（sè）製造，提（tí）高資源利用率、減少（shǎo）對環境的影響,甚（shèn）至對未（wèi）來（lái）製造業的發展都會產生深遠影響。

      5 結束語

      細長軸的磨削加工是（shì）軸類零件磨削（xuē）加工的難點，采用虛擬製造技術對其（qí）磨削過程進行仿真，為企業機械加工提（tí）供了一條新的途徑（jìng），對企業改（gǎi）變（biàn）現行的製造模式有著重（chóng）要的意義。但（dàn）虛擬製造是個係統工程（chéng），影響仿真結果的因素很（hěn）多，涉及的（de）知識麵廣，需企業（yè）各（gè）部門通力合作，設計出與真實環境相似程度高的虛（xū）擬（nǐ）機床，才能更有（yǒu）效地對磨削過程進行（háng）控製。