1 引言

      虛擬數控加工（gōng）(VNC)過程（chéng）物理仿真是虛（xū）擬製造(VM)單元和虛擬製造係統基礎核心技術（shù），越來越受到各國學者的重視。虛擬數控（kòng）加工過程的仿真包括數控(NC)代碼仿真，幾何仿真和物理仿真。數控（kòng）代碼仿真是虛擬（nǐ）數控（kòng）加工過程（chéng）的一（yī）個重要環節，通過它可以檢查數控程序的正確性及實現（xiàn）碰撞、幹涉檢驗，大大節省數控程序的調試時間，減少昂貴的試切費用，提高數控機床的安全性（xìng）等。幾何仿真是數控（kòng）加工過程仿真的（de）前（qián）提，通過刀具掃略體（tǐ）和工件模型連續的布爾運算可得切屑的去除加（jiā）工過程（chéng）仿真（zhēn），它也提供了物理（lǐ）仿真評估切削力和加工誤（wù）差所需的主要參數（shù）。物理仿真主要是力學仿真，它是虛擬數控加工過程（chéng）仿真的核心部分（fèn），其內涵就是綜合考慮實際（jì）切削中的各種因素，建立（lì）與實際切削擬合程度（dù）高（gāo）的數學模型，從真正意義上實現虛擬加工與實際加工的“無（wú）縫連接”，滿足虛擬數控加工的沉浸感（gǎn）和交互性。隻有對物理仿（fǎng）真（zhēn）的機理研究透徹，才（cái）能真正意義上的滿（mǎn）足虛擬製造的目的（de）即實（shí）際加工過程在計算機上（shàng）的真實（shí）映射（shè）。

  
      2 物（wù）理仿（fǎng）真的研究（jiū）內容體係

  
      物理仿真的（de）主要內（nèi）容包括切（qiē）削（xuē）力仿真、加工誤差仿真、切屑的生成過程仿真、刀（dāo）具的偏移、變形和磨損仿真、及數控切削機床的振動與溫度仿真等。其（qí）仿真體係結（jié）構如圖1所示。

      3.1 切削力仿真模型

  
      在切削力的仿真（zhēn）中，關於切削力的模型，有人認為，刀具受的切削力可以看做是單位時間材料去（qù）除率的函數。首先在刀具上建（jiàn）立（lì）笛卡兒坐標係（xì），刀（dāo）刃上受到三個正交力，如圖2所示。

Ft=KtSt      Fr=KrSr      Fa=KaSa                     (1)

  
      式中：St、Sr、St——切屑在（zài）三個坐標平（píng）麵上的（de）投影麵積（jī）。

  
      Kt、Kr、Ka——從金屬切削中得到的材料和切削速度參數。

  
      上述切（qiē）削力仿真（zhēn）的方法經過S.Jayaram的研究對於（yú）三軸以上的數控機床切（qiē）削力誤差較大，因此此仿真方法隻適應於三軸和三軸以下（xià）的（de）數控機床的切削力仿真。

  
      Hirohisa基（jī）於刀具沿軸向的切削力均勻分布假設的基礎上提（tí）出了一種將刀（dāo）具分成許多部分的切削（xuē）力仿真模型。本文在此基礎上（shàng）利用有（yǒu）限元法(FEM)建立切削力模型，將刀具（jù）切削刃劃分成若幹微元對其中一個微元做受力分析，如（rú）圖3所示。那（nà）麽由第j個刀具微（wēi）元的切向力dFtj(θ, z)，徑向（xiàng）力dFrj(θ, z)和軸向（xiàng）力（lì）dFaj(θ, z)可以（yǐ）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是未切削工件的厚度。dz是刀具的軸向長（zhǎng）度微分。St每一刀具微元的進給量。上麵(2 )式通過求解微分方程可得出刀具在三個方向的瞬時切削力。刀具在三個方向的受力總和通過所有（yǒu）微元（yuán）在x、y、z方（fāng）向瞬時切削力的總（zǒng）和（hé）求（qiú）出。

  
      3.2 加工誤差的模型

  
      工件加工誤差受到許多因素的影響，這給加工誤差仿真帶（dài）來（lái）了許多困難（nán），因為要精確仿真出加工誤差，不但要考慮每一（yī）單項因素對（duì）加工誤差的影響而（ér）且還得綜合考慮各因素的權重。C.Anderssson對定（dìng）位誤差和刀具磨損對工件精度的仿真模型分別作了較為詳細（xì）的（de）研究，Huaizhong Li對機床熱變形和振（zhèn）動對工件加工誤差的（de）模型作了深人的研究等。影響加工誤差的（de）因素還包括機床（chuáng）運動精度（dù）誤差、刀（dāo）具尺寸誤差以及主軸偏移、導軌變形、夾緊力、刀（dāo）具、零件熱變形和彈性變形誤差及加工（gōng）方法引起的誤差等。