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（zào）過程的進展，形成（chéng）了虛擬製造(Virtual Man⁃ufacturing, VM)技術，國際上尚未對VM技術作（zuò）出統一的定義，但基本認同（tóng）的觀點是[1]：VM技術的本質是以計算機支持的仿真技術為前提，對設計、製造、測試等生產過程進行統一建模，在高性能的計算機及高速（sù）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（jī）建（jiàn）模仿真與虛（xū）擬現實技術將實際製造過程（chéng）在計算機上映射出來。由（yóu）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（hé）加工過程中各種因素對加工質量的影響，再通過伺服係統來控製加（jiā）工過程，可實（shí）現優質、高效、低成本地完成零件加工過程。

      1 細長軸加工的工藝特點

      細（xì）長軸是指（zhǐ）長度（dù）L 與直徑d 之比大於12的軸，由於其剛性差，是軸類零件加工的難點。細（xì）長軸的（de）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生（shēng）彎曲變形，並產生振動，從而影（yǐng）響加工精度和表麵質量。2）細（xì）長（zhǎng）軸（zhóu）的（de）熱（rè）擴散性能差，在（zài）切削熱的作用下（xià），會產生相當大的線膨脹。若軸的兩端（duān）為固定支承，會因擠壓而彎曲變形；高速回（huí）轉時因彎（wān）曲產生（shēng）的離心力會使彎曲變（biàn）形進（jìn）一步加劇。3）由於（yú）細長軸較長，加工時一次走刀時間長（zhǎng），砂輪的磨損（sǔn）會增加零件（jiàn）的幾何形狀誤差（chà）。

      根據細長軸的加工工藝特點，實（shí）現細長軸的虛擬磨削加工研（yán）究的主要內容是：磨削工藝的製定、磨削加工中（zhōng）人機因素的分析、虛擬磨削的建模、虛擬磨削控製等。磨削加工質（zhì）量的影響因素很（hěn）多，包（bāo）括磨削力、磨削熱、磨削用量、零件材料、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形對加工質量影（yǐng）響最（zuì）大（dà）。由於篇（piān）幅有限，本文僅對磨削（xuē）受力變形加以分析和仿（fǎng）真，介紹細長軸的虛（xū）擬磨削加（jiā）工。

      2 細長軸磨削的建模及仿真

      由（yóu）於外圓表麵的磨（mó）削加工一般（bān）使用平型砂輪，磨削力分為切向力Ft 和（hé）法向力Fn 。在磨（mó）床上尾架彈簧可克服或減小切向力對磨削變形的影響，故對磨削變形（xíng）影響（xiǎng）最大的是（shì）法向力Fn 。磨削細長軸時（shí），在法向力（lì）Fn 的作用下，使工件各部分的變形量不一致，且隨著磨削條件而變化，見圖1。

      磨削時，砂輪與工件表麵接觸，在接觸麵法（fǎ）向方向會產生彈性變形。將法向力抽象為一集中載荷，再將工件沿軸（zhóu）向（xiàng）人為地分為（wéi）10段（duàn），每兩段相接處用{χi ，ｉ=1、2、⋯10}表示，運用材料力學，建立彎曲變形的撓度曲線方（fāng）程（chéng），用撓度ｙ的二階導（dǎo）數y 〞表示撓度曲（qǔ）率，則曲率方程為（wéi）：

      式中：a 為砂（shā）輪位置參數；F n為法向磨削力；Ji 為第i 段轉動慣量矩；E 為工件材料彈性模量。

      將前兩（liǎng）式積分兩次得：

      其中：{C 1i ,i =1、2⋯10}，{C 2i ,i =1、2⋯10}為積分常（cháng）數。

      可用Visual C+ +語言，對上述計算編寫計算（suàn）機模擬程序，得出工件（jiàn）形狀曲線。砂輪在工件的不同軸向位置使工件的彎曲變形量不同，工件實（shí）際加工直徑取決於砂輪（lún）所在處的彎曲變形量，仿真的結果為：當兩頂尖剛性很高時工件形狀為“腰鼓型”；頂尖剛性有（yǒu）限時，工件形狀“腰鼓型”或“馬鞍形”，因（yīn）此磨床頭架和尾架變形對工件的形狀曲線和工件直徑影（yǐng）響較大；如工件高速（sù）旋轉，工件因（yīn）自重引起的彎曲變形對工件形狀及圓柱度（dù）誤差的影響（xiǎng）也是（shì）不能忽視的；再者，工件的結構變化也會在工件（jiàn）最後的（de）形狀上反映（yìng）出來。

      3 細長軸虛擬磨削的機床模型

      根據細長軸磨削的（de）影（yǐng）響因素和基於計算機仿真的（de）結果，設計虛擬磨床模型（xíng）時，運用仿真結果建立工件形狀（zhuàng）誤差的在線預測係統，設置誤差補償係統，通過伺服控製係統對影響結果（guǒ）精度的因（yīn）素（sù）進行控製和修正，以滿足加工質量要求。伺服係統可采用數（shù）字（zì）伺服係統，采用（yòng）計算機軟件對加工過（guò）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，穩定性好；2）基於數值計算，精度高；3）通過（guò）對係統參數設定，可減少調整（zhěng）；4）采用軟件控製，柔性好；5）減少了伺服滯後（hòu）產生（shēng）的（de）誤差。虛擬磨床模型，見圖2。

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

      4 ＶＭ的意（yì）義

      虛擬製造技術的應用為解（jiě）決製造過程中的問題提供了新的方法和手段，具有很好（hǎo）發展前景，並可預測（cè）產品（pǐn）性能、產品製造技（jì）術和可製造性，從而更有效、更經濟地柔性靈活（huó）地組織生產，以達到產品的開發周期和成本的最（zuì）小化、產品質（zhì）量的最優化、生產效率（lǜ）的最高化。虛擬製造是基於虛擬（nǐ）製造（zào）技術實現的製造係統，是現實製（zhì）造係統在虛擬（nǐ）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擬產品，但有真實產品（pǐn）的特征。

      通過（guò）對細長軸的實（shí）際製造過程進行（háng）仿真模擬，可以預估細（xì）長軸加工質量中存在的問題,從而對細長（zhǎng）軸（zhóu）磨削加工的工藝規程的製定、磨削加工質量的控製（zhì）、提高人們的（de）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（guǎn）理能力、縮短產（chǎn）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、減少對（duì）環境的影響,甚至對未來製造業的發展都會產（chǎn）生深遠影響。

      5 結束語

      細長軸的磨削（xuē）加工（gōng）是軸類零件磨削加工的難點，采用虛擬製造技（jì）術對其磨削過程進行仿真，為企業機械加工提供了一條新的途徑，對企（qǐ）業改變現行的製（zhì）造（zào）模式（shì）有著重要的意義。但虛（xū）擬製造是個（gè）係統工程，影響仿真結果的因（yīn）素很多，涉及的（de）知識麵廣，需企業各部門通力合作，設計出與真實環境相似程度高的虛擬機床，才能更有效地對磨削過程進行控製。