薄壁件數(shù)控加工物理仿真研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

沈琦萍

（南通職業(yè)大學(xué)，江蘇南通 226000）

關(guān)鍵字：薄璧件；數(shù)控加工；物理仿真

針對(duì)薄壁件的數(shù)控加工技術(shù)一直以來(lái)是數(shù)控加工技術(shù)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，薄壁零件在加工中特別容易受到物理因素的干擾導(dǎo)致加工失敗，用物理仿真技術(shù)來(lái)模擬加工過(guò)程，可以防患于未然。因此在薄璧件數(shù)控加工領(lǐng)域里，運(yùn)用了最新的物理仿真技術(shù)來(lái)更好的調(diào)控產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程。通過(guò)物理仿真技術(shù)可以有效的模擬產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中可能產(chǎn)生的一系列問(wèn)題，幫助工程師們進(jìn)行合理的產(chǎn)品優(yōu)化，有效的提升產(chǎn)品的合格率，從而不斷提升產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 薄璧件數(shù)控加工中存在的問(wèn)題

工業(yè)品的加工是造就一個(gè)高質(zhì)量工業(yè)品的重要環(huán)節(jié)之一。尤其是薄壁件零件的加工制造，由于薄壁件的特殊結(jié)構(gòu)，一般具有物質(zhì)的強(qiáng)度較高、質(zhì)量較輕盈、支撐承壓能力很強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。在很多建筑領(lǐng)域或者鐵路交通領(lǐng)域，一個(gè)高質(zhì)量的薄壁件往往發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。因此薄壁件的數(shù)控加工好壞便成了能否造就一個(gè)高質(zhì)量薄壁件的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。但是針對(duì)于薄壁件的數(shù)控加工過(guò)程，存在著很多問(wèn)題。因?yàn)楸”诩p盈的特性，在加工的過(guò)程中常常出現(xiàn)數(shù)控機(jī)床抓取零件容易偏離操作位置的問(wèn)題，這種零件位置的誤差或者零件輕微的震動(dòng)都可能導(dǎo)致加工結(jié)果的失敗。此外零件的薄壁有可能因?yàn)閿?shù)控機(jī)床的抓取發(fā)生輕微形變。

因此為了提前預(yù)知在加工中薄壁零件可能發(fā)生的各種問(wèn)題，物理仿真技術(shù)被應(yīng)用進(jìn)來(lái)。物理仿真技術(shù)通過(guò)提前模擬薄壁零件的加工過(guò)程來(lái)提前預(yù)知加工的問(wèn)題，這種技術(shù)能夠讓人們?cè)谧畲蟪潭壬瞎?jié)省零件制作的成本，提高產(chǎn)品的合格率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。在薄壁件加工中應(yīng)用的物理仿真技術(shù)可以說(shuō)就是虛擬的數(shù)控技術(shù)，通過(guò)這種技術(shù)可以精準(zhǔn)模擬數(shù)字化控制下零件實(shí)際加工的過(guò)程，這樣可以分析出多重因素對(duì)于加工過(guò)程的影響，比如切削的摩擦系數(shù)、切削的力度、切削的熱度等對(duì)加工過(guò)程產(chǎn)生影響的因素。通過(guò)提前虛擬來(lái)預(yù)判這些因素在實(shí)際的加工過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品影響的大小和最終的效果，通過(guò)最后的程序化處理，來(lái)合理的判斷當(dāng)前的數(shù)控加工過(guò)程存在的不足之處。

2 物理仿真技術(shù)主要的關(guān)鍵點(diǎn)以及在薄璧數(shù)控加工過(guò)程中的應(yīng)用

下面將詳細(xì)的解釋物理仿真技術(shù)在數(shù)控加工過(guò)程中的一些關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn)以及薄壁件在數(shù)控加工中的實(shí)踐應(yīng)用。

2.1 加工過(guò)程的刀具變化傳感技術(shù)

在現(xiàn)實(shí)的薄壁件加工過(guò)程中，由于薄壁件的自身物理特性比較敏感，因此在整個(gè)過(guò)程中，作用于薄壁件的刀具尖銳程度和磨損程度就顯得尤為重要。早期對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程中刀具的變化主要通過(guò)頻譜分析為主，但是伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，傳感技術(shù)變的越來(lái)越成熟，刀具狀態(tài)的變化可以通過(guò)光譜、聲音等物理因素精確的反饋。特別是伴隨著現(xiàn)代人工智能技術(shù)的發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和頻譜分析技術(shù)的結(jié)合也進(jìn)入了工程師研究的范圍之內(nèi)。目前比較先進(jìn)的技術(shù)是通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)構(gòu)建信號(hào)與刀具狀態(tài)之間的聯(lián)系，這樣可以最大化的利用信號(hào)來(lái)精確反饋在生產(chǎn)加工過(guò)程中刀具各個(gè)性能參數(shù)的變化。并且伴隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有知識(shí)學(xué)習(xí)的特殊屬性，在生產(chǎn)過(guò)程中，局部產(chǎn)生的問(wèn)題會(huì)反過(guò)來(lái)被這種特殊的檢測(cè)設(shè)備所感應(yīng)到并且存儲(chǔ)，然后通過(guò)多重信號(hào)處理的形式進(jìn)行不斷的監(jiān)測(cè)調(diào)整。未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)順沿著現(xiàn)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)相結(jié)合的方式轉(zhuǎn)變到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)組合式的處理技術(shù)體系。這樣可以全方位、多功能、智能化的監(jiān)控并且精準(zhǔn)模擬刀具的使用效果，以及薄壁件的加工效果。

2.2 加工設(shè)備產(chǎn)生的熱變化對(duì)加工效果的影響

早期人們沒(méi)有意識(shí)到機(jī)床的受熱微變形也會(huì)對(duì)零件的加工過(guò)程產(chǎn)生影響。發(fā)展到了一定程度時(shí)才開(kāi)始正式利用熱形變理論探討形變和溫度之間的聯(lián)系。在薄壁件的加工過(guò)程中，由于零件的內(nèi)部比較薄，任何微小的形變都會(huì)導(dǎo)致零件精度的不斷變化。同時(shí)因?yàn)闇囟仁怯绊懝ぞ咝巫兊闹饕蛩兀瑱z測(cè)零件生產(chǎn)中的熱量變化，以及形變程度的不斷變化，對(duì)于穩(wěn)定零件質(zhì)量具有十分重要的作用。在生產(chǎn)過(guò)程中記錄切削面的熱量變化以及熱分布情況，可以推斷發(fā)生形變的位置以及大小?？梢酝ㄟ^(guò)有限差分法來(lái)模擬刀具的切削溫度、應(yīng)力以及形變來(lái)進(jìn)行研究，對(duì)于比較簡(jiǎn)單的刀具切削過(guò)程具備良好的模擬效果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有限差分法模擬技術(shù)的操作精度也在不斷提高，其被更加廣泛的應(yīng)用到了金屬的切削領(lǐng)域[1]。

3 物理仿真技術(shù)在薄璧數(shù)控加工過(guò)程中存在的問(wèn)題以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 物理仿真技術(shù)的精準(zhǔn)度問(wèn)題以及解決方式

由于薄壁件的特殊性質(zhì)，在生產(chǎn)加工的過(guò)程中因?yàn)榉蔷€(xiàn)性的性能變化，以及在生產(chǎn)加工各種因素相互影響的條件下，現(xiàn)有的物理仿真技術(shù)的精準(zhǔn)度達(dá)不到要求。物理仿真技術(shù)為了提高適應(yīng)性，會(huì)降低數(shù)學(xué)建模的復(fù)雜性，往往是關(guān)聯(lián)單一的變化因素，當(dāng)面對(duì)實(shí)際的復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境，不能夠精準(zhǔn)的綜合所有的變量信息，造成模擬的誤差。因此如何在建模的時(shí)候綜合多重因素的影響，如何排除干擾的因素，如何提高模擬的真實(shí)性是需要解決的問(wèn)題。為此可以利用目前比較流行的綜合真實(shí)物理因素的數(shù)控加工反饋系統(tǒng)，這款系統(tǒng)可以將平時(shí)常見(jiàn)的干擾因素并入到模擬的場(chǎng)景當(dāng)中，模擬出來(lái)的效果是綜合了很多物理因素以及大量的干擾情況得出來(lái)的，因此增加了模擬的真實(shí)性能。

3.2 物理仿真技術(shù)的通用型差以及解決方式

物理仿真模擬的通用型比較差是個(gè)急需解決的問(wèn)題，因?yàn)楦鱾€(gè)零件生產(chǎn)加工的環(huán)節(jié)都有著不同的變化，現(xiàn)有的物理仿真模型為了降低建立的難度，往往只針對(duì)某一個(gè)特殊的工藝流程進(jìn)行模擬，因此模擬的局限性導(dǎo)致模型的通用性能比較差，導(dǎo)致模型的推廣遇到了很大的阻礙，因此如何在保證物理仿真技術(shù)精準(zhǔn)性的同時(shí)提高通用性能，是研究的方向之一。目前工程師可以通過(guò)仿真方法的多樣性來(lái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)通用性的提升。比如將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、頻譜技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)發(fā)揮不同技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真技術(shù)的可適應(yīng)性，這將大大的解放物理仿真技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，加速技術(shù)的實(shí)踐推廣[2]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了在薄壁件的數(shù)控加工過(guò)程中的問(wèn)題，給出了具體的技術(shù)方案，其中物理仿真技術(shù)的應(yīng)用極大的還原了零部件在數(shù)控加工過(guò)程中的實(shí)際加工情況，人們可以通過(guò)仿真技術(shù)預(yù)知生產(chǎn)加工過(guò)程中可能會(huì)存在的問(wèn)題，并且找出優(yōu)化點(diǎn)。同時(shí)也說(shuō)明了目前物理仿真技術(shù)存在的種種問(wèn)題，主要是精準(zhǔn)度比較差以及通用型不好，并給出了具體的解決方案。未來(lái)物理仿真技術(shù)將會(huì)朝著多種技術(shù)并用的方式發(fā)展。