0 引言

      隨著計算機技術在製造業的應用（yòng）、信息技術應用到（dào）零件製造過（guò）程的進展，形成了（le）虛擬製造（zào）(Virtual Man⁃ufacturing, VM)技術，國際上尚未對VM技術作出統一的定義，但基本認同的觀點是[1]：VM技術的本質是以計（jì）算機支持的仿真技術為前提，對設計、製造、測試等生產過程進（jìn）行統一建模，在高性（xìng）能的計算機及高速網絡支持下（xià），在虛擬條（tiáo）件下模擬出產品製造全過程，通過計算機建模仿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可在計算機上模（mó）擬和預估零件的可加工性和加工過程中各種（zhǒng）因素對加工質量的（de）影響，再（zài）通過（guò）伺服係統來（lái）控製加工（gōng）過（guò）程，可實（shí）現優質、高效、低成本地完成零件加工過程。

      1 細長軸加工的工藝（yì）特點

      細長軸是指長（zhǎng）度L 與直徑d 之（zhī）比大於12的軸，由於其剛性差，是軸類零件加工的難點。細長（zhǎng）軸的加（jiā）工工藝特點如（rú）下：1）細長（zhǎng）軸的剛性很差，很（hěn）容易因切削力（lì）及重力作用產生彎曲變（biàn）形，並產生振動，從而影響加工精度和表麵質量。2）細（xì）長軸（zhóu）的熱擴散性能差，在切削熱的作用下，會產生相當大的線膨脹。若軸的兩端為固（gù）定支（zhī）承，會因擠壓而彎曲變形；高速回轉（zhuǎn）時因彎曲產生（shēng）的離心力會使彎（wān）曲變形進一步加劇。3）由於細長軸較長，加工時一次走刀時間長，砂輪的磨損會增加零件的幾何形狀誤差。

      根據（jù）細長軸的加工工藝特點，實現細長軸的虛（xū）擬磨削加工研究的主要內容是（shì）：磨削（xuē）工藝的製定、磨削加（jiā）工（gōng）中人機因素的分析、虛擬磨削的建模、虛擬磨削控製等。磨削加（jiā）工（gōng）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、砂輪形貌、砂（shā）輪磨損等因素[3]，其中磨削的受力變形和受熱變（biàn）形對加工質量影響最大。由於篇幅有限，本文僅對磨削受力變形加以分析和仿真，介紹細長軸的（de）虛擬磨削加工。

      2 細長軸磨削的（de）建模及仿真

      由於（yú）外圓表麵的磨削加工（gōng）一般使用平型砂輪，磨削力分為（wéi）切向力Ft 和法向力Fn 。在磨床（chuáng）上尾架彈（dàn）簧可克服或減小切向力對磨削變形的影響，故對磨削變形影響最大的是法向力Fn 。磨（mó）削細（xì）長軸時（shí），在法向力Fn 的作用下，使工件各部分的變形（xíng）量不一致，且隨著磨（mó）削條件而變化，見圖1。

      磨削時，砂輪與工件表麵（miàn）接觸（chù），在接觸（chù）麵法向方向會產生彈性變形。將法向力抽象為一集中載荷，再（zài）將工件沿軸（zhóu）向人為（wéi）地分為10段，每兩段相接處用{χi ，ｉ=1、2、⋯10}表示，運用材（cái）料力學，建立彎曲變形的撓度曲（qǔ）線方程，用撓度ｙ的二階導數y 〞表示撓（náo）度曲率，則曲率方程為：

      式中：a 為砂輪位置參數；F n為（wéi）法向磨削力；Ji 為第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，對上述計算編寫計算機模擬程序，得出工件形狀曲線。砂輪在工件的不同（tóng）軸向位置使工件的彎曲變形量不同，工件實際加工直徑取決於砂輪所在處的彎曲變形量，仿真的結果為（wéi）：當兩頂尖剛性很高時（shí）工件形狀為“腰鼓型”；頂尖剛性有限時，工件形狀“腰鼓型”或“馬鞍形”，因此（cǐ）磨床頭架和尾架變形對工件的形狀曲線（xiàn）和（hé）工件直徑影響較大；如工件高速旋轉，工件（jiàn）因（yīn）自重引起的彎曲變形對工（gōng）件形狀及（jí）圓柱度誤差（chà）的影響（xiǎng）也是不能忽視的；再者，工件的結構變化也會在工（gōng）件最後的形狀上反映出來。

      3 細長軸虛擬（nǐ）磨削的機床模型

      根據細長軸磨（mó）削（xuē）的（de）影響因素和基於計算機仿真的結果，設計虛擬磨床模型時，運用仿真（zhēn）結果（guǒ）建立工件形狀誤差的在線（xiàn）預測係統，設置誤（wù）差補償（cháng）係統，通過伺服控（kòng）製係統對影響結果精度的因素進行控製和修正，以滿足（zú）加工質量要求。伺服係統（tǒng）可采用數字伺服係統，采用計算機軟（ruǎn）件對加工過程（chéng）進行控製。數字伺服控（kòng）製係統有以下優點[4]：1）無溫（wēn）度（dù）漂移，穩（wěn）定性好；2）基於數值計（jì）算，精度高；3）通（tōng）過（guò）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（le）伺服滯後產生的（de）誤差。虛擬磨床模型，見圖2。

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

      4 ＶＭ的意義

      虛擬製造技術（shù）的應用為解決製造過程中的問題提供（gòng）了新的方法和手段，具有很好發（fā）展前景，並可預測產（chǎn）品性能、產品製造技術和（hé）可製造性，從（cóng）而更有效、更經濟地柔性靈活（huó）地（dì）組織生產，以達到產品的開發（fā）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（shì）基（jī）於虛擬製（zhì）造技術實現的製（zhì）造係統，是（shì）現實製造係（xì）統（tǒng）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（pǐn）是可視（shì）的虛擬產品，但（dàn）有真實（shí）產（chǎn）品的特征。

      通過對細長軸的實際製造過程進行仿真模擬，可以預（yù）估細長軸加工質量中存在的問題,從而（ér）對細長軸（zhóu）磨削加工的（de）工藝規程的製定、磨削加工（gōng）質量的控製、提高人們的預測和決策水平起到很重要的作用，還可增強風險控製和管理能力（lì）、縮短（duǎn）產品開發周（zhōu）期、增強企業（yè）的競爭能力。同時由於虛擬製造的產品為數字產品，對實現綠色製造，提（tí）高資源利用率、減少（shǎo）對環境的影響,甚至對未來製造業的發展都會產生深遠影響（xiǎng）。

      5 結（jié）束語

      細長軸的磨削加工是軸類零件（jiàn）磨削加工（gōng）的難點，采用虛擬製造技術對其磨削過程（chéng）進行仿真，為企業機械加工（gōng）提供了一條新的途徑，對企（qǐ）業改變現行的製（zhì）造（zào）模式有著重要的意義。但虛擬（nǐ）製造是個係統工程，影響仿真結果的因素很多，涉及的知識麵廣，需企業各部門（mén）通力合作（zuò），設計（jì）出與真實環（huán）境相（xiàng）似程度（dù）高的虛（xū）擬機床，才能更有效地對磨（mó）削過（guò）程進行控（kòng）製。