中國切削仿真技術(shù)發(fā)展展望

1、中國切削仿真技術(shù)發(fā)展展望切削仿真技術(shù)無論是對于高校教學(xué)、科研還是企業(yè)生產(chǎn)、研發(fā)都有至關(guān)重要的作用，然而由于該項技術(shù)屬于交叉學(xué)科，學(xué)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(yè)界的關(guān)注。近三年來，隨著中國制造業(yè)的快速發(fā)展，同時隨著國內(nèi)切削仿真創(chuàng)新團(tuán)隊的興起以及切削仿真國際會議的召開，越來越多的專業(yè)人士開始意識到該項技術(shù)的重要性，尤其以刀具和航空企業(yè)為主。那么，切削仿真這項朝陽技術(shù)到底包括哪些具體的內(nèi)容，校企資源如何配置才能加速其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，同時在未來三年內(nèi)我國的切削仿真技術(shù)又能有怎樣的發(fā)展呢？下面我們來詳細(xì)的闡述。1完善切削仿真基礎(chǔ)工藝案例雖然我國高校很早就有關(guān)于切削仿真技術(shù)的相

2、關(guān)文獻(xiàn)，但大都是基于研發(fā)需要而并非企業(yè)需求，同時由于高校研究生的新老交替導(dǎo)致該項技術(shù)也未能形成系統(tǒng)的仿真理論和技術(shù)積累。因此如果能夠打造一個校企共用的切削仿真基礎(chǔ)工藝案例庫將會對我國切削仿真技術(shù)的持續(xù)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用起到一定的促進(jìn)作用。該案例庫具體內(nèi)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(jī)理，分析劃痕表面形貌，同時優(yōu)化劃痕工藝參數(shù)。2）車削、銃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、銃削和鉆削，然而由于三維切削仿真難度大、效率低，因此目前國內(nèi)外文獻(xiàn)中關(guān)于三維車削、銃削和鉆削仿真的研究尚未普及和應(yīng)用。3）超聲

3、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(jī)理、優(yōu)化超聲工藝參數(shù)、研發(fā)超聲裝備等都有一定的指導(dǎo)意義。尤其是在研究超聲參數(shù)和切削工藝參數(shù)的耦合關(guān)系時，大量實(shí)驗(yàn)必然會增加研發(fā)成本，同時如果通過開展實(shí)驗(yàn)的方法對振幅和頻率等極限工況的切削質(zhì)量進(jìn)行研究，則會在一定程度上降低科研效率或者增加科研風(fēng)險。4）刀具織構(gòu)優(yōu)化仿真通過在刀具表面增加織構(gòu)的方法對其耐磨性能進(jìn)行優(yōu)化是一種行之有效的方法，然而織構(gòu)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(shí)驗(yàn)的方法開展研究則會極大的增加科研成本，因此刀具織構(gòu)的優(yōu)化仿真將會在一定程度上替代相關(guān)科研實(shí)驗(yàn)。5）分子動

4、力學(xué)切削仿真對于單晶硅和銅等材料進(jìn)行納米級別的加工機(jī)理研究時，就有必要采用分子動力學(xué)方法和軟件。分析動力學(xué)切削仿真方法的核心是采用勢函數(shù)來計算刀工自身和刀工之間的原子作用力，進(jìn)而對切削過程中的原子圖像、能量和切削力等要素進(jìn)行分析。2突破切削仿真核心技術(shù)瓶頸就目前而言，無論是參考文獻(xiàn)還是網(wǎng)格資料都有很多關(guān)于切削仿真相關(guān)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(nèi)容不全面、知識不系統(tǒng)，同時注重界面操作而忽視基礎(chǔ)理論。對于初學(xué)者雖然可以作為參考，但時間一長就會發(fā)現(xiàn)自己的技術(shù)始終停留在一個初級水平，很難有質(zhì)的飛躍。因此，要想進(jìn)行深度學(xué)習(xí)同時將仿真技術(shù)和科研、產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合就必須突破相關(guān)

5、核心技術(shù)瓶頸。那么就當(dāng)前切削仿真技術(shù)而言，有哪些瓶頸需要突破，同時三年以內(nèi)我們可以做到哪些呢？下面我們來為大家進(jìn)行詳細(xì)的講解：切削仿真核心技術(shù)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(wǎng)格多達(dá)百萬，因此相對結(jié)構(gòu)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(jìn)行計2）殘余應(yīng)力仿真殘余應(yīng)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(gòu)，其難點(diǎn)在于隱式回彈前對顯示計算過后的失效單元進(jìn)行拾取和移除，以確保在回彈過程中無剛體位移的產(chǎn)生。3）刀具磨損仿真要想進(jìn)行

6、刀具磨損仿真，需要具備兩個條件：第一，刀具磨損本構(gòu)的確定；第二，刀具磨損參數(shù)的獲取。就磨損本構(gòu)來說，目前也只有兩個，一個是Archard本構(gòu)，一個是Usui本構(gòu)，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(jìn)行切削仿真刀具磨損分析還需要進(jìn)行顯示和隱式的轉(zhuǎn)換同時進(jìn)行大量而反復(fù)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(shù)等參數(shù)，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(shù)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(shù)

7、來實(shí)現(xiàn)，潤滑效果可以通過改變刀工摩擦系數(shù)來實(shí)現(xiàn)。5）薄壁件變形預(yù)測經(jīng)過大量調(diào)研，航空、航天企業(yè)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(yīng)力是主要的應(yīng)用場景，因此要通過仿真輸出單元位移、塑性應(yīng)變以及殘余應(yīng)力等做為評價標(biāo)準(zhǔn)。同時由于薄壁件的精度要求高、切削余量小，因此網(wǎng)格尺寸也會相對小，仿真效率也會相應(yīng)的低。6）復(fù)材切削仿真目前來看，復(fù)材的切削仿真主要針對金屬基顆粒復(fù)合材料以及碳纖維復(fù)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(fù)材主要是材料本構(gòu)以及參數(shù)化建模插件的開發(fā)，這些領(lǐng)航科工都已經(jīng)完成了技術(shù)積累并已經(jīng)形成相關(guān)的軟件著作權(quán)和發(fā)明專利等知識產(chǎn)權(quán)。3建立切削仿

8、真系統(tǒng)評價體系無論高校還是企業(yè)、無論師生還是工程師都很關(guān)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(shù)得到專業(yè)人士的認(rèn)可，同時在產(chǎn)業(yè)得到應(yīng)用和推廣，就必須建立一個面向校企以及相關(guān)行業(yè)的宏觀評價體系，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行完善和擴(kuò)充，進(jìn)而形成切削仿真行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該評價體系總體來說來主要包括以下三個部分：仿真質(zhì)量評價、高校科研評價、企業(yè)研發(fā)評價。切削仿真評價體系基本構(gòu)成：1）評價指標(biāo)的確定2）工藝標(biāo)準(zhǔn)的選擇3）控制標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化4）仿真效率的提升5）對標(biāo)方法的完善6）評價方案的建立4中國校企切削仿真技術(shù)需求熱點(diǎn)分析雖然高校和企業(yè)都會用到切削仿真技術(shù)，但是由于評價機(jī)制的不同使得高校的研究人員和企業(yè)

9、的技術(shù)人員對該項技術(shù)的需求具有一定的差異性。對于高校而言，由于是科研機(jī)構(gòu)并且大多是以科研論文為評價機(jī)制，從事傳統(tǒng)切削研究不能發(fā)表高水平的科研論文，雖然科技部剛剛印發(fā)了關(guān)于破除科技評價中唯論文”不良導(dǎo)向的若干措施（試行）的通知，但并不意味著不能發(fā)表高水平科研論文，同時關(guān)于規(guī)范高等學(xué)校SCI論文相關(guān)指標(biāo)使用樹立正確評價導(dǎo)向的若干意見中也明確指出對于技術(shù)研發(fā)類課題要注重評估在成果轉(zhuǎn)化、支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面的績效。因此高?？蒲腥藛T要想兼顧科研論文和成果轉(zhuǎn)化效果可以從特種切削仿真入手，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(diǎn)擊以下鏈接深入了解基于產(chǎn)業(yè)化理念的科技論文創(chuàng)

10、新模式與評價標(biāo)準(zhǔn)。企業(yè)是以生產(chǎn)為主要目標(biāo)，其評價機(jī)制就是效率、質(zhì)量和成本，目前能用到切削仿真的企業(yè)主要有兩類，一類是航空航天企業(yè)，一類是刀具企業(yè)。經(jīng)調(diào)研和走訪，我們發(fā)現(xiàn)前者對車削和銃削過程中薄壁件變形和殘余應(yīng)力仿真有著迫切的需要，而后者對各種非標(biāo)刀具的結(jié)構(gòu)和材料優(yōu)化等傳統(tǒng)切削仿真也有著潛在的需求。校企切削仿真需求點(diǎn)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(yè)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(tǒng)切削仿真中的刀具磨損、殘余應(yīng)力和冷卻液等5切削仿真技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的有力保障可持續(xù)發(fā)展是智能制造中關(guān)于綠色發(fā)展的具體內(nèi)涵，就切削仿真技術(shù)而言

11、，其可持續(xù)發(fā)展的核心是要在數(shù)據(jù)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(huán)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)完善、人才培養(yǎng)、產(chǎn)教信息的深度融合。因此要想真正發(fā)揮切削仿真技術(shù)在高?？蒲泻推髽I(yè)研發(fā)中的作用，同時持續(xù)不斷的在我國航空和刀具企業(yè)的虛擬制造環(huán)節(jié)產(chǎn)生效益，就必須著手建立材料參數(shù)庫、刀工模型庫、高端人才庫以及產(chǎn)業(yè)需求庫等切削仿真信息系統(tǒng)平臺，以此引領(lǐng)航材切削仿真技術(shù)、助力中國制造數(shù)字化發(fā)展。其中，切削仿真技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的保障要素主要包括：1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫2）高端人才庫3）教學(xué)資源庫4）產(chǎn)教融合體系5）國家產(chǎn)教融合政策的支持6關(guān)于建設(shè)切削仿真系統(tǒng)平臺的構(gòu)思高校和企業(yè)都對切削仿真技術(shù)有著各自的需求，然而目前我

12、國并沒有自主研發(fā)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(fā)，整合刀工模型以及材料參數(shù)等資源庫，以傳統(tǒng)加工和特種加工工藝為載體，建設(shè)切削仿真系統(tǒng)平臺必將對我國的切削仿真技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。中國切削仿真系統(tǒng)平臺的主要內(nèi)容包括：1）參數(shù)化建模系統(tǒng)2）材料參數(shù)庫3）刀具模型庫4）仿真資源庫5）仿真超算系統(tǒng)7關(guān)于開發(fā)國產(chǎn)切削仿真軟件的構(gòu)思切削仿真系統(tǒng)平臺在一定程度上能夠滿足高校和企業(yè)的研發(fā)需求，但是由于該平臺是以現(xiàn)有的通用商業(yè)軟件為求解器進(jìn)行仿真計算的，因此要想具備完全獨(dú)立的知識產(chǎn)權(quán)，就必須自主開發(fā)適合切削仿真工況的顯示動力求解器，為下一步開發(fā)國產(chǎn)切削仿真軟件奠定基礎(chǔ)。通過和校企研究人員的多次溝通，以企業(yè)問題為載體，以高?？蒲袨槟繕?biāo)，初步確定未來的國產(chǎn)切削仿真軟件由以下三個模塊構(gòu)成：1）去除機(jī)理仿真模塊該模塊包括壓痕、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(jìn)行參數(shù)化建模，在此基礎(chǔ)上還可以輸出切削力、切削溫度以及切屑形態(tài)等物理量，通過這些揭示各類難加工材料的去除機(jī)理，為切削加工過程中的工藝優(yōu)化提供理論支持。2）傳統(tǒng)切削仿真模塊該模塊包括車削、銃削以及鉆削等傳