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中國切削仿真技術發展展望

關鍵詞 切削 , 仿真技術 , 刀具|2020-02-27 16:51:19|技術信息|來源 機械工程學報
摘要 切削仿真技術無論是對于高校教學、科研還是企業生產、研發都有至關重要的作用,然而由于該項技術屬于交叉學科,學起來門檻高、效率低,再加上校企互通不夠,因此以前一直未受到業界的關注。近三...

切削仿真技術無論是對于高校教學、科研還是企業生產、研發都有至關重要的作用,然而由于該項技術屬于交叉學科,學起來門檻高、效率低,再加上校企互通不夠,因此以前一直未受到業界的關注。近三年來,隨著中國制造業的快速發展,同時隨著國內切削仿真創新團隊的興起以及切削仿真國際會議的召開,越來越多的專業人士開始意識到該項技術的重要性,尤其以刀具和航空企業為主。那么,切削仿真這項朝陽技術到底包括哪些具體的內容,校企資源如何配置才能加速其產業化進程,同時在未來三年內我國的切削仿真技術又能有怎樣的發展呢?下面我們來詳細的闡述。


1完善切削仿真基礎工藝案例


雖然我國高校很早就有關于切削仿真技術的相關文獻,但大都是基于研發需要而并非企業需求,同時由于高校研究生的新老交替導致該項技術也未能形成系統的仿真理論和技術積累。因此如果能夠打造一個校企共用的切削仿真基礎工藝案例庫將會對我國切削仿真技術的持續發展及產業應用起到一定的促進作用。

該案例庫具體內容如下:


1)壓痕仿真和劃痕仿真

壓痕和劃痕仿真是從事切削方向課題的研究人員常用的仿真方法,通過該方法可以揭示材料去除機理,分析劃痕表面形貌,同時優化劃痕工藝參數。


2)車削、銑削和鉆削仿真

切削加工常見的工藝方式有三種,分別是車削、銑削和鉆削,然而由于三維切削仿真難度大、效率低,因此目前國內外文獻中關于三維車削、銑削和鉆削仿真的研究尚未普及和應用。


3)超聲振動切削仿真

超聲振動加工是一種典型的輔助加工方式,因此開展該方向的仿真研究對于探索超聲去除機理、優化超聲工藝參數、研發超聲裝備等都有一定的指導意義。尤其是在研究超聲參數和切削工藝參數的耦合關系時,大量實驗必然會增加研發成本,同時如果通過開展實驗的方法對振幅和頻率等極限工況的切削質量進行研究,則會在一定程度上降低科研效率或者增加科研風險。


4)刀具織構優化仿真

通過在刀具表面增加織構的方法對其耐磨性能進行優化是一種行之有效的方法,然而織構類型、間距和尺寸等因素具有太多種組合和演化,如果全部通過實驗的方法開展研究則會極大的增加科研成本,因此刀具織構的優化仿真將會在一定程度上替代相關科研實驗。


5)分子動力學切削仿真

對于單晶硅和銅等材料進行納米級別的加工機理研究時,就有必要采用分子動力學方法和軟件。分析動力學切削仿真方法的核心是采用勢函數來計算刀工自身和刀工之間的原子作用力,進而對切削過程中的原子圖像、能量和切削力等要素進行分析。


2突破切削仿真核心技術瓶頸


就目前而言,無論是參考文獻還是網格資料都有很多關于切削仿真相關的文檔、視頻以及源文件,但是這些大多都是高校在讀研究生所寫,內容不全面、知識不系統,同時注重界面操作而忽視基礎理論。對于初學者雖然可以作為參考,但時間一長就會發現自己的技術始終停留在一個初級水平,很難有質的飛躍。因此,要想進行深度學習同時將仿真技術和科研、產業緊密結合就必須突破相關核心技術瓶頸。

那么就當前切削仿真技術而言,有哪些瓶頸需要突破,同時三年以內我們可以做到哪些呢?下面我們來為大家進行詳細的講解:

切削仿真核心技術瓶頸:


1)仿真效率提升

切削仿真是典型的非線性分析過程,具體包括:材料非線性、幾何非線性和接觸非線性,同時由于三維刀工模型網格多達百萬,因此相對結構分析來說切削仿真的效率很低,如果要考慮帶溫度的切削仿真那就需要用工作站進行計算。


2)殘余應力仿真

殘余應力仿真需要同時考慮顯示計算和隱式回彈兩個分析過程,同時在兩個分析過程中還要保持一致的材料本構,其難點在于隱式回彈前對顯示計算過后的失效單元進行拾取和移除,以確保在回彈過程中無剛體位移的產生。


3)刀具磨損仿真

要想進行刀具磨損仿真,需要具備兩個條件:第一,刀具磨損本構的確定;第二,刀具磨損參數的獲取。就磨損本構來說,目前也只有兩個,一個是Archard本構,一個是Usui本構,二者都只能用于隱式分析,所不同給的是前者不能考慮溫度而后者可以考慮溫度。因此要想進行切削仿真刀具磨損分析還需要進行顯示和隱式的轉換同時進行大量而反復的切削仿真迭代以獲取磨損后新的刀具輪廓、角度以及刀工摩擦系數等參數,因此效率也是相對低的。


4)冷卻液仿真

冷卻液具有三種功能,降溫、潤滑和除銹。要想在切削仿真過程中同時模擬三種功能,是有一定困難的。就目前的仿真技術來說,可以做到的只有降溫和潤滑的效果。其中冷卻液的降溫效果可以通過對流換熱系數來實現,潤滑效果可以通過改變刀工摩擦系數來實現。


5)薄壁件變形預測

經過大量調研,航空、航天企業大都以薄壁件切削為主,對于薄壁件的切削仿真,工件的變形以及殘余應力是主要的應用場景,因此要通過仿真輸出單元位移、塑性應變以及殘余應力等做為評價標準。同時由于薄壁件的精度要求高、切削余量小,因此網格尺寸也會相對小,仿真效率也會相應的低。


6)復材切削仿真

目前來看,復材的切削仿真主要針對金屬基顆粒復合材料以及碳纖維復合材料兩種,對于前者來說主要以微觀的胞體仿真為主,對于纖維復材主要是材料本構以及參數化建模插件的開發,這些領航科工都已經完成了技術積累并已經形成相關的軟件著作權和發明專利等知識產權。


3建立切削仿真系統評價體系


無論高?;故瞧笠?、無論師生還是工程師都很關心一個核心的問題,那就是切削仿真到底好不好用。所以要想讓該技術得到專業人士的認可,同時在產業得到應用和推廣,就必須建立一個面向校企以及相關行業的宏觀評價體系,在此基礎上進行完善和擴充,進而形成切削仿真行業標準。該評價體系總體來說來主要包括以下三個部分:仿真質量評價、高??蒲釁蘭?、企業研發評價。

切削仿真評價體系基本構成:

1)評價指標的確定 

2)工藝標準的選擇 

3)控制標準的優化

4)仿真效率的提升

5)對標方法的完善

6)評價方案的建立


4中國校企切削仿真技術需求熱點分析


雖然高校和企業都會用到切削仿真技術,但是由于評價機制的不同使得高校的研究人員和企業的技術人員對該項技術的需求具有一定的差異性。對于高校而言,由于是科研機構并且大多是以科研論文為評價機制,從事傳統切削研究不能發表高水平的科研論文,雖然科技部剛剛印發了《關于破除科技評價中“唯論文”不良導向的若干措施(試行)》的通知,但并不意味著不能發表高水平科研論文,同時《關于規范高等學校SCI論文相關指標使用樹立正確評價導向的若干意見》中也明確指出對于技術研發類課題要注重評估在成果轉化、支撐產業發展等方面的績效。因此高??蒲腥嗽幣爰婀絲蒲新畚暮統曬Ч梢源猶刂智邢鞣掄嬡朧?,比如:激光輔助切削仿真、超聲振動輔助切削仿真以及電火花加工仿真等,同時也可以點擊以下鏈接深入了解《基于產業化理念的科技論文創新模式與評價標準》。企業是以生產為主要目標,其評價機制就是效率、質量和成本,目前能用到切削仿真的企業主要有兩類,一類是航空航天企業,一類是刀具企業。經調研和走訪,我們發現前者對車削和銑削過程中薄壁件變形和殘余應力仿真有著迫切的需要,而后者對各種非標刀具的結構和材料優化等傳統切削仿真也有著潛在的需求。

校企切削仿真需求點分析:

1)高校需求:激光輔助切削仿真、焊接切削仿真、金相切削仿真

2)企業需求:熱處理切削仿真、刀具磁化切削仿真、刀具深冷切削仿真

3)共性需求:傳統切削仿真中的刀具磨損、殘余應力和冷卻液等


5切削仿真技術可持續發展的有力保障


可持續發展是智能制造中關于綠色發展的具體內涵,就切削仿真技術而言,其可持續發展的核心是要在數據庫、高端人次、校企資源等切削仿真必備要素之間形成良性循環,實現數據完善、人才培養、產教信息的深度融合。因此要想真正發揮切削仿真技術在高??蒲瀉推笠笛蟹⒅械淖饔?,同時持續不斷的在我國航空和刀具企業的虛擬制造環節產生效益,就必須著手建立材料參數庫、刀工模型庫、高端人才庫以及產業需求庫等切削仿真信息系統平臺,以此引領航材切削仿真技術、助力中國制造數字化發展。其中,切削仿真技術可持續發展的保障要素主要包括:

1)基礎數據庫

2)高端人才庫

3)教學資源庫

4)產教融合體系

5)國家產教融合政策的支持


6關于建設切削仿真系統平臺的構思


高校和企業都對切削仿真技術有著各自的需求,然而目前我國并沒有自主研發的切削仿真軟件,而國外軟件價格昂貴且對華封鎖,同時大家的切削仿真水平也有待提高。因此如果能從校企需求出發,整合刀工模型以及材料參數等資源庫,以傳統加工和特種加工工藝為載體,建設切削仿真系統平臺必將對我國的切削仿真技術研發和應用具有一定的指導意義。

中國切削仿真系統平臺的主要內容包括:

1)參數化建模系統

2)材料參數庫

3)刀具模型庫

4)仿真資源庫

5)仿真超算系統


7關于開發國產切削仿真軟件的構思


切削仿真系統平臺在一定程度上能夠滿足高校和企業的研發需求,但是由于該平臺是以現有的通用商業軟件為求解器進行仿真計算的,因此要想具備完全獨立的知識產權,就必須自主開發適合切削仿真工況的顯示動力求解器,為下一步開發國產切削仿真軟件奠定基礎。通過和校企研究人員的多次溝通,以企業問題為載體,以高??蒲形勘?,初步確定未來的國產切削仿真軟件由以下三個??楣鉤桑?/p>


1)去除機理仿真???/p>

該??榘ㄑ購?、劃痕以及二維切削仿真功能,同時可以對圓錐壓頭和棱錐壓頭等刀具進行參數化建模,在此基礎上還可以輸出切削力、切削溫度以及切屑形態等物理量,通過這些揭示各類難加工材料的去除機理,為切削加工過程中的工藝優化提供理論支持。


2)傳統切削仿真???/p>

該??榘ǔ迪?、銑削以及鉆削等傳統切削仿真過程,同時包括大量的車刀、銑刀以及鉆頭等刀具模型,通過這些可以對傳統切削過程中的刀具材料、結構優化以及工件殘余應力和變形預測提供仿真支持。


3)特種加工仿真???/p>

該??槭竊詼怨諭馕南捉諧浞值餮型庇滯諍嬌掌笠檔難蟹⑷嗽苯卸啻喂低ǖ幕∩轄鋅⒌?,以電能、熱能和機械能為手段實現去除或增加材料的加工仿真方法,具體包括激光輔助切削仿真、熱處理后材料的切削仿真以及焊接材料的切削仿真等功能。


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