1 引言

      虛擬數（shù）控加工(VNC)過程物理仿真是虛擬製造（zào）(VM)單元和虛擬製（zhì）造係統基礎核心技術，越來（lái）越受到各國學者的重視。虛擬數控加工過程的仿真包（bāo）括數控(NC)代碼仿真，幾何仿（fǎng）真和物理仿真。數控代碼仿真是虛擬數（shù）控（kòng）加工過程的一個（gè）重要環節，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（shěng）數控程（chéng）序的調試時（shí）間，減（jiǎn）少昂貴的試（shì）切費用，提高數控機床的安全性（xìng）等。幾何仿真是數控加工過（guò）程仿真的前（qián）提（tí），通過刀具掃略（luè）體和工件模型連續的布爾運算可（kě）得切（qiē）屑的去除加（jiā）工過程仿真，它也提供了物理仿真評估切削力和加工誤差所需的（de）主（zhǔ）要參數。物理仿真主要是力學仿真（zhēn），它是虛擬數控加工過程仿真的核（hé）心部（bù）分，其內涵就是綜合考（kǎo）慮實際切（qiē）削中的各（gè）種（zhǒng）因素，建（jiàn）立與實（shí）際切（qiē）削擬合程度（dù）高的（de）數學模型，從真（zhēn）正意義上實現虛擬加工與實際加工的“無縫連接（jiē）”，滿（mǎn）足虛（xū）擬（nǐ）數（shù）控加工的沉浸感和交互性。隻有對物（wù）理仿真的機理研究透徹，才（cái）能真正意義上（shàng）的滿足虛擬製造的目的即實際加工過程（chéng）在計算機上的真實映射。

  
      2 物理（lǐ）仿真的研究（jiū）內容（róng）體係

  
      物理（lǐ）仿真的主要內容包括切削力仿真、加工誤（wù）差仿（fǎng）真（zhēn）、切屑的生成過（guò）程仿真、刀具的偏移、變形和磨損仿真、及數控切削機床的（de）振動與（yǔ）溫度仿真等。其仿真體係（xì）結構如圖（tú）1所示。

      3.1 切削力仿真模型

  
      在切削力的仿真中，關（guān）於切削（xuē）力的模型，有人認為，刀具受的切削力可以看做是單位（wèi）時間（jiān）材料去除率的函數。首先在刀具上建立笛卡兒（ér）坐標係，刀（dāo）刃（rèn）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（xiè）在三個坐標平麵上的投影（yǐng）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（shù）切削力仿真的方法經過S.Jayaram的研究對於三軸以（yǐ）上的數控機床切削（xuē）力誤（wù）差較大，因此此仿（fǎng）真方法隻適應於三軸和三軸以下的數控機床的切削力仿真。

  
      Hirohisa基於刀具沿軸向的切削力（lì）均勻分布假設的基礎上提（tí）出了一種（zhǒng）將刀具分成許多部分的切削力（lì）仿（fǎng）真模型。本（běn）文在此基礎（chǔ）上利用有限元法(FEM)建立切削力模型，將刀具切削刃劃（huá）分（fèn）成若幹微元對其中一個微元做受力分析，如圖3所示。那麽（me）由第j個刀具（jù）微元的切向力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)

  
      上式中Kte、Kre、Kae，Ktc、Krc、Kac代（dài）表切削係數，可由切削測試中的各種進給速度得出。hj(θ, z)=Stsinθj是未切削工件（jiàn）的厚度。dz是刀具的軸向長度微分。St每一刀具微元的進給量。上麵(2 )式通過求解微分（fèn）方程可得出刀具在三個方向的瞬時切削（xuē）力（lì）。刀具在三個方（fāng）向的（de）受力總和通過（guò）所（suǒ）有微元在x、y、z方向瞬時切削力的總和求出。

  
      3.2 加工誤差的模型

  
      工件加工誤差（chà）受到（dào）許多因素的影響，這（zhè）給加工誤差仿真（zhēn）帶來了許多困難，因為要精確仿真出加工誤差（chà），不但要考慮每一單項因素（sù）對加工（gōng）誤差的影響而（ér）且還得綜合（hé）考慮各因素的權重。C.Anderssson對定位誤差和刀具磨損對工件精度的仿真模（mó）型分（fèn）別作了較為詳細的研究，Huaizhong Li對機（jī）床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、刀具尺寸誤差以及主軸偏移、導軌變形、夾緊力、刀具、零件熱變（biàn）形和彈性變（biàn）形誤（wù）差及加工方法引起的誤差等。