劉宇　別海楠

摘 要 隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，加工過程仿真技術(shù)越來越受到業(yè)界的重視。本文研究了加工過程仿真技術(shù)在演示金屬切削加工過程中的應(yīng)用，旨在通過這種方式加強(qiáng)學(xué)生對于金屬切削加工過程的理解，同時讓學(xué)生了解加工過程仿真技術(shù)在實(shí)際過程中的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，在學(xué)習(xí)好理論的基礎(chǔ)上學(xué)會應(yīng)用加工過程仿真技術(shù)進(jìn)行分析，營造一種積極向上的課堂氛圍，達(dá)到理想的授課效果。

關(guān)鍵詞 金屬切削加工 有限元 Deform 教學(xué)改革

中圖分類號：G642?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.01.028

Thinking and Practice of Process Simulation

Technology in Undergraduate Teaching

LIU Yu， BIE Hainan

Abstract With the development and application of computer technology， process simulation technology more and more industry attention. This paper studies the machining process simulation technology in the demonstration of metal cutting process aimed at strengthening students for metal cutting machining process understanding in this way， while allowing students to understand the machining process simulation technology in the actual process， inspire students enthusiasm for learning， learning on the basis of a good theory to learn the application process simulation technology to analyze and create a positive atmosphere in the classroom teaching to achieve the desired effect.

Key words metal cutting; FEM; Deform; teaching reform

0 引言

金屬切削加工技術(shù)仍然是機(jī)械制造行業(yè)的主要加工方法。它通過刀具和工件的相互作用去除工件表面的多余材料，以獲得理想的加工形狀、加工精度和表面質(zhì)量的工件。因此，金屬切削加工技術(shù)在本科生的教學(xué)工作中占有重要的地位，機(jī)械類本科生都開設(shè)有關(guān)于數(shù)控機(jī)床、機(jī)械加工制造技術(shù)等相關(guān)課程。隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的數(shù)控仿真軟件的出現(xiàn)使本科生在數(shù)控機(jī)床操作水平上有了很大的提升，但是對金屬切削過程中涉及的理論并沒有很大改觀?，F(xiàn)在許多專家學(xué)者都對金屬切削過程進(jìn)行了研究，但是由于切削過程的復(fù)雜性，還沒有統(tǒng)一的理論來解釋加工過程中的各種物理現(xiàn)象，這對本科生對加工過程的理解造成了一定的困難。而加工過程仿真技術(shù)的出現(xiàn)為這一問題帶來了轉(zhuǎn)機(jī)，本文主要研究加工過程仿真技術(shù)在演示切削加工過程方面對于本科生教學(xué)工作的幫助。

1 有限元仿真技術(shù)

有限單元法（Finite Element Method， ?FEM）是一種以計算機(jī)為手段，通過離散化將研究對象變換成一個與原結(jié)構(gòu)近似的數(shù)學(xué)模型，再經(jīng)過一系列規(guī)范化的步驟以求解應(yīng)力，應(yīng)變和位移等參數(shù)的數(shù)值計算方法。它是一種通用的近似計算方法，也是解決工程實(shí)際問題的強(qiáng)有力的數(shù)值計算工具。目前，有限元法在航空，航天，機(jī)械，汽車，鐵路，船舶，交通，建筑，電子，地質(zhì)礦產(chǎn)，水利水電，石油化工，生物醫(yī)學(xué)以及科學(xué)研究領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，并越來越受到業(yè)界的高度重視。

現(xiàn)在較為流行的有限元分析軟件有ANSYS、ABAQUS、Deform和AdvantEdge等，這些軟件對研究金屬切削過程中的溫度、切屑形狀、刀具應(yīng)力等提供了良好的前后處理和求解環(huán)境。各個有限元軟在單元、建模、材料模型和自適應(yīng)網(wǎng)格能力等方面具有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢。因此為了有效地模擬切削過程中所關(guān)心的方面和問題，需要綜合考慮分析問題的難易程度和仿真結(jié)果表現(xiàn)形式等多方面的因素，合理地選擇有限元分析軟件。

2 加工仿真實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)

2.1 系統(tǒng)組成

該實(shí)驗(yàn)平臺由一臺小型車床和自組的小型銑床以及裝有Deform軟件的微機(jī)組成。車床和銑床的作用在于演示車刀和銑刀與工件作用的物理過程，觀察特定加工條件下的切屑和工件表面狀態(tài)，同時也是有限元的仿真數(shù)據(jù)（如刀具尺寸，切深、背吃刀量等）的來源，仿真結(jié)果實(shí)際上相當(dāng)于對實(shí)際物理過程的一個“慢放”，讓學(xué)生能夠仔細(xì)觀察刀具去除多余材料的過程，明白其作用機(jī)理。

Deform軟件是SFTC公司生產(chǎn)的一款商業(yè)有限元軟件，它專注于金屬成型和加工工藝過程的仿真，可以實(shí)現(xiàn)車、銑、鉆、鍛壓等多種加工形式的仿真，同時也可以對材料的正火、退火、淬火等工藝流程進(jìn)行仿真分析。它的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）界面交互性好，與其他有限元軟件相比，Deform軟件為用戶考慮，在一個界面就可以定義好所有需要參數(shù)，設(shè)置參數(shù)的位置清楚明了。

（2）操作性好。Deform軟件包含了大量的材料庫，材料數(shù)據(jù)不必再自己去尋找，而且設(shè)定網(wǎng)格數(shù)量后可以自動劃分網(wǎng)格，在運(yùn)行過程中出現(xiàn)大的變形量（如切屑去除過程）時可自動的進(jìn)行網(wǎng)格的重劃分，不需要人工干預(yù)。相比于其他的有限元軟件，Deform在前處理過程中可以自動定義物體的邊界條件，需要設(shè)定的參數(shù)量很少。

（3）后處理功能豐富。具有點(diǎn)跡示蹤、變形、云圖、矢量圖、力—行程曲線等多種功能，而且具有2D的切片功能，可以顯示工件或者刀具的剖面結(jié)果。

因此選擇Deform作為有限元分析軟件，但是必須提前用CAD軟件繪制好刀具和工件的三維模型，然后導(dǎo)入Deform進(jìn)行分析。（如圖1所示）

（a） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （b）

圖1 Deform仿真示意圖（a為銑削，b為車削）

2.2 試驗(yàn)臺在教學(xué)中的作用

本科生課程中的金屬加工常常以車削為例，講解前刀面、后刀面以及各個傾角對加工過程的影響，這些知識理論性太強(qiáng)，學(xué)生看到這些內(nèi)容并不能與真正的加工過程聯(lián)系起來，因此對這一部分的知識總是抱著死記硬背的態(tài)度，并沒有認(rèn)真對待。而有的學(xué)校有條件帶學(xué)生參觀真正的加工過程，但是由于機(jī)床轉(zhuǎn)速過高，加工過程很快就完成了，人肉眼無法觀察清楚整個過程，人靠近觀察還有可能產(chǎn)生一定的危險，而且耗費(fèi)加工材料和刀具，針對上述情況，有限元仿真是一個較好解決該問題的方法。

有限元仿真是對實(shí)際過程的近似，只要輸入正確的模擬參數(shù)，其結(jié)果與實(shí)際過程極為接近。該實(shí)驗(yàn)平臺將仿真過程與實(shí)際加工過程相結(jié)合，由老師選定加工工況，通過有限元仿真的結(jié)果演示，讓學(xué)生明白加工過程是如何運(yùn)作的，然后再用實(shí)際加工過程作對比，達(dá)到驗(yàn)證的目的。

2.3 實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)實(shí)踐

2.3.1 實(shí)驗(yàn)手冊的編寫

由于金屬加工過程涉及到很多的影響因素，而且仿真計算過程花費(fèi)時間過長，授課老師并不能在短短的課堂上一一呈現(xiàn)，因此將仿真的過程建立成為實(shí)驗(yàn)手冊，分別對不同的影響因素進(jìn)行仿真，由老師演示一部分，另外的部分由學(xué)生自行根據(jù)手冊進(jìn)行仿真學(xué)習(xí)，在熟悉有限元軟件的過程中了解有限元解決實(shí)際問題的過程。

2.3.2 助教的設(shè)立

由于有限元仿真軟件需要一定時間的學(xué)習(xí)，授課老師可能沒有時間，或者與該研究方向不相符，因此需要設(shè)立助教進(jìn)行有限元軟件的操作及課堂演示視頻的制作。助教可以由研究金屬加工有限元仿真方向的研究生或者由授課老師設(shè)立專人來擔(dān)任。助教首先要熟悉有限元軟件的操作過程，然后與授課老師進(jìn)行溝通，針對本科教學(xué)的授課目的，選擇具有代表性的工況進(jìn)行有限元仿真，并將結(jié)果做成演示視頻等易于在課堂展示的方式。對于操作過程中遇到的問題要做到心中有數(shù)，同時做好與同學(xué)的交流工作，能夠積極回答學(xué)生的疑問。

3 加工仿真技術(shù)本科生教學(xué)實(shí)踐的思考

加工過程仿真技術(shù)是對本科生在金屬切削加工教學(xué)方面的一個說明和補(bǔ)充，可以生動形象地說明金屬切削過程中刀具和工件相互作用的過程和機(jī)理，改變以往公式加配圖的教學(xué)方式，使整個課本“動”起來，更能激發(fā)出學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)興趣，同時提升學(xué)生對加工過程仿真技術(shù)的應(yīng)用，確立學(xué)生以加工過程仿真技術(shù)輔助學(xué)習(xí)的方法。由于實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)時間較短，在整個實(shí)踐過程中仍有許多值得我們思考的地方。

3.1 應(yīng)用擴(kuò)展

（1）有限元仿真技術(shù)對于本科生來說是一個演示說明的過程，但是對于研究生來說是進(jìn)行研究的一個必不可少的手段。但是研究生有需求時常獨(dú)立進(jìn)行摸索學(xué)習(xí)，效率低而且耗費(fèi)時間，許多疑問也得不到解答。因此對于研究金屬加工過程的研究生來說，也可以組織起來進(jìn)行有限元仿真軟件的操作教學(xué)，幫助他們快速熟悉掌握該軟件，盡快進(jìn)入研究工作。

（2）通過blackboard平臺建立與學(xué)生交流的通道，可以在平臺上放置一些仿真過程的演示視頻，幫助學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，同時在平臺上建立與學(xué)生交流的通道，學(xué)生在使用仿真軟件過程中遇到的問題或者在學(xué)習(xí)上遇到的問題都可以與助教進(jìn)行溝通，對于學(xué)生的要求，助教進(jìn)行匯總后與授課老師合作，改進(jìn)課程教學(xué)計劃，使教學(xué)過程更進(jìn)一步。

3.2 下一步的工作

有限元方法的優(yōu)點(diǎn)是對過程的離散化，可將每一步清晰的表現(xiàn)出來，但是這也注定了有限元的求解過程比較緩慢，并不適合當(dāng)場演示操作過程，只能對仿真的結(jié)果進(jìn)行加工制作，制作成視頻等這些易于演示的方式，導(dǎo)致效率低下，不能對金屬切削加工的所有情況進(jìn)行演示。針對這種情況可以發(fā)動本科學(xué)生中對有限元仿真比較感興趣的學(xué)生，或者實(shí)驗(yàn)做得比較好的學(xué)生做一些特定條件下的加工仿真操作，吸收到教學(xué)演示過程中，可安排這些學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)章節(jié)的講解等教學(xué)工作。

Deform是一款功能強(qiáng)大的軟件，觀察仿真結(jié)果時還伴隨著很多的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)并沒有在教學(xué)工作中得到很好地利用，比如切削溫度分布圖、應(yīng)力應(yīng)變分布圖、速度分布圖等，這些都應(yīng)該加以合理的應(yīng)用，融入到教學(xué)工作中來。

4 結(jié)束語

加工仿真技術(shù)是以有限元仿真技術(shù)為核心，以提升學(xué)生對金屬切削加工過程的理解為目的而建立起來的，并與本科的教學(xué)工作相互補(bǔ)充，使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論的基礎(chǔ)上對加工過程有一個清晰的認(rèn)識，并提升學(xué)生對于有限元分析方法的認(rèn)識，增強(qiáng)學(xué)生用有限元方法解決問題的能力。該課程改革仍處在探索研究階段，可以根據(jù)課程需要和教學(xué)目的的不同進(jìn)行調(diào)整，在本科生教學(xué)工作中必將發(fā)揮更大的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 王曉軍.航空航天結(jié)構(gòu)中有限元方法理論與實(shí)踐的教學(xué)銜接.科教導(dǎo)刊，2012.

[2] 李偉民.deform5.03金屬成形有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程.機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3] 徐看.金屬切削過程有限元仿真技術(shù)研究.工具技術(shù)，2013.

[4] 魏保立.數(shù)控加工仿真軟件在教學(xué)中的合理應(yīng)用.科技信息，2008.

[5] 李忠新.機(jī)電基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)的實(shí)踐與思考.科教導(dǎo)刊，2014.