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车削物理仿真工件表面质量模型研究 |
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作者：东北大学 黄雪梅 王启义 |
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摘要：分析了动态车削过程中工件表面粗糙度的影响因素，建立了由切削材料微观硬度差异为主要干扰因素的车削动态
物理仿真系统的工件表面质量分析与预测模型，并且就具体零件的物理仿真过程给出了工件表面质量仿真的输出结果。
关键词：车削物理仿真；工件表面质量；动态车削
工件的表面质量是衡量机械加工过程的重要目标，它包括表面几何学与表面层材质两方面的因素。目前在研究机械加工物理仿真的过程中，工件表面形貌的分析与预测已成为动态车削加工过程模型的重要组成部分。利用该模型对车削加工过程进行物理仿真，可以在实际加工过程之前预测与分析工件的加工表面质量，可达到分析加工过程与指导实际生产的目的。
1 动态车削表面质量模型的建立
1.1 影响表面质量的确定性因素与不确定因素
在切削加工过程中，影响工件表面形貌的主要因素有：刀具刀尖部分的几何形状、刀具与工件之间的相对运动即刀具的进给运动以及切削振动产生的刀具与工件之间的相对位移等运动。在理想稳态切削过程状态下，刀具刀尖由于进给运动在工件表面上形成重叠痕迹，形成工件的已加工表面，因此刀具进给量f与刀具圆弧半径rh是影响表面粗糙度的主要因素。因在切削过程中刀具进给量f与刀具圆弧半径rb为确定值，故属确定性影响因素。工件表面形貌如图1所示。
图1 静态切削工件表面形貌
这时工件表面的微观不平度也称为理论粗糙度R1为
在实际加工的切削过程中，特别是在动态切削状态下，由于切削振动的存在，使刀具与工件发生了相对运动，影响了工件的表面形貌特征。因此工件的表面形貌除要考虑理论粗糙度外，还要考虑动态切削的各项特征与相关因素的影响。此时由于工件微观硬度不均匀、刀具磨损及机床主轴旋转精度误差等因素的存在，使切削过程产生力的波动，刀具偏离理想切削位置而形成动态切削状态下的工件表面质量。这些干扰因素具有随机性和不确定性的特点，是影响工件表面质量的又一重要方面。其微观表面形状特征如图2所示。
图2 动态切削工件表面形貌
1.2 切削振动与工件表面质量之间的关系
对于外圆车削，刀刃以切削速度和进给量为参数的螺旋线轨迹进行切削运动，同时伴随以刀具与工件之间的相对位移。在刀具的进给方向上，相邻两个切削刀刃所在圆弧的交点的高度就可作为衡量工件表面粗糙度的微观不平度高度的参数，该参数由两相邻刀刃轨迹的交点纵坐标inty和刀刃圆弧深度disp决定。其中圆弧深度为刀具与工件相对振动量对参考线的纵坐标数值，而inty值则由计算两相邻圆弧所在圆的交点坐标确定。
1.3 表面质量模型
根据以上分析，在进给方向上的微观不平度的平均高度Ra为
2 车削工件表面质量仿真系统的实现过程
基于以上车削表面质量仿真模型，我们建立了车削工件表面质量仿真系统，图3为表面质量模型的实现过程图。这同时也是车削物理仿真系统的重要的有机组成部分，该系统的实现与整个车削物理仿真系统有密切关系。
图3 车削物理仿真系统表面质量模型的实现过程
在形成动态车削的多种干扰因素中，工件微观硬度的差异对切削过程有着重要影响，我们将其作为仿真系统发生动态变化的起因。由于切削材料的硬度直接影响瞬时切削力的大小，工件硬度变化引起切削力的变化进而产生工件与刀具之间的相对位移，再加上刀尖部分由于进给运动在工件表面重叠的结果，使工件在微观上形成凸凹不平的表面，形成被切削工件的加工表面。由于工件微观随机硬度符合正态分布，因此前者对表面质量的影响是一个随机的过程，属于不确定因素。由切削振动模型可以得到切削圆弧振动深度disp，然后求出相邻两个切削圆弧的交点坐标，最后由式（2）得出Ra的数值。
3 关于表面质量模型的说明
我们开发的动态车削加工表面质量仿真模型将工件的微观硬度差异作为车削过程的主要干扰因素，考虑到刀具进给运动对工件表面的重叠效果和工件材质这两方面的影响因素，而对另外两个影响表面质量的因素［6］，即刀具磨损和机床主轴旋转精度误差未加以考虑，作为一种开放式由VC++面向对象方法开发的仿真系统，本系统可以在充分考虑主干扰因素的基础上，将实际动态车削过程中存在的其他复杂干扰因素逐一的进行增加和补充，将其作为系统的辅助及补充模块，进一步完善系统，使仿真结果与实际情况更加一致。
4 结论
（1）为建立车削表面质量仿真模型，除应考虑进给量和刀刃圆弧形状外，工件与刀具之间的相对振动也是影响工件表面质量的重要因素。
（2）适当减小进给量，增加刀尖圆弧半径及降低车削过程中的相对振动都能达到提高表面质量的目的。
（3）综合考虑各种造成相对振动的干扰因素将会提高仿真模型的质量，增强模型与实际的拟合程度。(end)
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(4/8/2005) |
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