周述軍，劉雨薇

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京） 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京）

一 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程簡(jiǎn)介

機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程是機(jī)械工程專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)核心必修課，主要學(xué)習(xí)機(jī)械制造相關(guān)的基本理論、基本知識(shí)和基本技能。依據(jù)教學(xué)大綱，機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容主要包括機(jī)械加工方法、金屬切削基本理論、機(jī)械加工系統(tǒng)（機(jī)床、刀具、夾具）、加工精度與表面質(zhì)量、工藝規(guī)程設(shè)計(jì)等內(nèi)容，通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生了解機(jī)械制造的內(nèi)涵和發(fā)展概況，掌握金屬切削原理和夾具原理，掌握常見機(jī)械加工方法及常見機(jī)床、刀具和夾具的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，掌握機(jī)械加工精度和表面質(zhì)量的基本概念并了解相應(yīng)的分析和控制方法，最后要求能進(jìn)行一般零部件的工藝分析和設(shè)計(jì)。

機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)是機(jī)械工程專業(yè)的課程中與工程實(shí)際聯(lián)系最緊密、實(shí)踐性最強(qiáng)的課程之一。機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程涉及面非常廣，涵蓋了過(guò)去的數(shù)門課程，包括機(jī)械制造工藝學(xué)、切削原理與刀具、機(jī)床概論、機(jī)床夾具原理等內(nèi)容[1]，知識(shí)點(diǎn)多且綜合性強(qiáng)，而有的內(nèi)容之間聯(lián)系不緊密，導(dǎo)致知識(shí)點(diǎn)碎片化，系統(tǒng)性不如機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)等課程。隨著制造技術(shù)的飛速發(fā)展，新理論、新方法、新裝備不斷涌現(xiàn)，機(jī)械制造課程不斷被注入新內(nèi)容，導(dǎo)致上述問(wèn)題進(jìn)一步加劇。

同時(shí)，由于教學(xué)學(xué)時(shí)的限制，課程教學(xué)進(jìn)度非?？?，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)學(xué)生接受的知識(shí)點(diǎn)多，造成理解上的不充分不透徹，導(dǎo)致部分學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣。怎么在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)將大量知識(shí)點(diǎn)準(zhǔn)確傳達(dá)，同時(shí)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程教師必須考慮的一個(gè)問(wèn)題。

二 有限元仿真技術(shù)在機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)中的輔助作用

有限元方法利用有限數(shù)量的未知量對(duì)無(wú)限自由度的真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行逼近是一種求解偏微分方程的近似方法。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元方法也得到了快速發(fā)展，并形成了一批比較成熟的商業(yè)軟件，例如ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC、COMSOL等可以對(duì)結(jié)構(gòu)、流體、電磁、傳熱等一系列物理問(wèn)題和工程問(wèn)題進(jìn)行仿真。這些商業(yè)軟件大多提供了強(qiáng)大的前處理（建模和網(wǎng)格劃分）、分析、后處理（結(jié)果輸出和顯示）模塊，能夠非常方便地進(jìn)行整個(gè)仿真過(guò)程。

為了加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程中存在著大量實(shí)際工程案例，而這些案例大多與熱學(xué)和力學(xué)相關(guān)，例如金屬切削過(guò)程及其物理現(xiàn)象、工藝系統(tǒng)受力變形、工藝系統(tǒng)受熱變形等。這些案例均可以采用有限元方法進(jìn)行仿真，將一些抽象理論轉(zhuǎn)變成直觀的有限元模型，并以圖像和視頻的方式顯示出來(lái)。同時(shí)還可以將一些重點(diǎn)案例制作成動(dòng)畫，在課堂給學(xué)生進(jìn)行演示，加深學(xué)生理解，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，從而改善教學(xué)效果。本文就通過(guò)機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)中的一些實(shí)例來(lái)說(shuō)明有限元仿真技術(shù)在機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)中的輔助作用。

（一）金屬切削過(guò)程仿真

金屬切削過(guò)程指的是在刀具和切削力的共同作用下從工件上切下切屑的過(guò)程，該過(guò)程中涉及到大量的物理現(xiàn)象，如切削力、切削功率、切削熱、切削溫度、積屑瘤、殘余應(yīng)力和加工硬化等[1]。由于金屬切削過(guò)程的復(fù)雜性，課堂上進(jìn)行講解的時(shí)候，較難把這一過(guò)程直觀展示。金屬切削過(guò)程是一個(gè)典型的非線性熱固耦合過(guò)程，可以比較方便地采用有限元技術(shù)進(jìn)行仿真。例如劉昊[2]等通過(guò)ABAQUS 有限元軟件進(jìn)行切削仿真實(shí)驗(yàn)，得出了切削力、切削溫度、切屑形態(tài)和工件表面殘余應(yīng)力情況。謝黎明[3]等利用 Third Wave AdvantEdge有限元分析軟件，研究了切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律。Macginley[4]等研究了采用不同材料刀具切削Inconel 718合金時(shí)的切削力和切削熱情況。Sreeramulu[5]等利用Deform-3D軟件對(duì)7075鋁合金的加工過(guò)程進(jìn)行了仿真，研究了切削用量三要素對(duì)于切削力和切削熱的影響。仿真完成以后，可以采用有限元軟件的后處理模塊進(jìn)行動(dòng)畫展示，從而向?qū)W生動(dòng)態(tài)地展示整個(gè)切削過(guò)程及切削力、切削熱等物理現(xiàn)象，達(dá)到增進(jìn)理解和提高興趣的目的。

（二）機(jī)床熱變形與結(jié)構(gòu)熱對(duì)稱設(shè)計(jì)

工藝系統(tǒng)的熱變形是引起加工精度下降的重要因素之一，機(jī)床的熱變形是工藝系統(tǒng)熱變形的重要組成部分[1]。減少機(jī)床熱變形的一項(xiàng)重要結(jié)構(gòu)措施就是熱對(duì)稱設(shè)計(jì)[6]。在熱的影響下，單立柱（非對(duì)稱）結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的扭曲變形，而雙立柱結(jié)構(gòu)僅產(chǎn)生垂直方向位移，容易采用坐標(biāo)移動(dòng)的方式來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。教材上雖然提供了相應(yīng)簡(jiǎn)圖進(jìn)行說(shuō)明，然而并不直觀，學(xué)生雖然大都接受相應(yīng)說(shuō)法，卻并未留下深刻印象。機(jī)床熱變形為典型的熱固耦合問(wèn)題，本文采用Ansys Workbench有限元軟件對(duì)簡(jiǎn)化的臥式鏜床熱變形進(jìn)行仿真。

臥式鏜床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，左邊是單柱式結(jié)構(gòu)，右邊是雙柱式結(jié)構(gòu)，均包括底座、立柱、主軸和主軸箱等組成部分[6]。仿真中立柱采用空心箱式結(jié)構(gòu)，底座、主軸箱及主軸采用實(shí)心結(jié)構(gòu)，材料選擇為結(jié)構(gòu)鋼（軟件默認(rèn)材料），彈性模量為2×1011Pa，泊松比為0.3，熱膨脹系數(shù)為1.2×10-5/℃，環(huán)境溫度設(shè)置為22℃，底座底面設(shè)置為22℃。臥式鏜床工作時(shí)熱量來(lái)源主要為主軸箱的電氣熱和摩擦熱，將主軸箱的整體溫度設(shè)置為50℃，除主軸箱和底面之外的其他表面均設(shè)置為對(duì)流換熱面，對(duì)流換熱系數(shù)為10W/m2·℃。

仿真結(jié)果如圖2所示，從變形云圖可以清晰地看到，對(duì)于單柱式結(jié)構(gòu)，主軸軸線除了有垂直方向的位移，還有水平方向的位移（約0.2mm），而對(duì)于雙柱式結(jié)構(gòu)，由于對(duì)稱，使得主軸只存在豎直方向的位移而無(wú)水平方向位移（黑色線框?yàn)樽冃吻霸紶顟B(tài)）。有限元計(jì)算結(jié)果為根據(jù)實(shí)際物理參數(shù)和物理模型計(jì)算出來(lái)的結(jié)果，比一般示意圖可信度和展示度更高，相應(yīng)變形過(guò)程可以制成動(dòng)畫在課堂上演示，讓學(xué)生有更直觀的感受，增進(jìn)理解并增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣。

圖1 臥式鏜床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 不同立柱結(jié)構(gòu)臥式鏜床熱變形云圖

（三）不同裝夾方式導(dǎo)致的工件變形

當(dāng)工件剛性較差的時(shí)候，若是夾緊力施加不當(dāng)，容易使工件發(fā)生變形，導(dǎo)致加工后的形狀誤差。如圖3所示，采用三爪自定心卡盤夾持薄壁套筒進(jìn)行鏜孔，（a）為直接裝夾，（b）為采用開口過(guò)渡環(huán)裝夾，套筒和開口過(guò)渡環(huán)尺寸如圖3所示。對(duì)該例的講解，如果簡(jiǎn)單敘述，學(xué)生雖能接受，卻無(wú)直觀感受。

圖3 三爪自定心卡盤夾持薄壁套筒鏜孔

本文采用Ansys Workbench對(duì)該例進(jìn)行仿真。材料均選擇結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為2x1011Pa，泊松比為0.3，所施加的夾緊力為每個(gè)卡爪3000N，夾緊之后薄壁套筒的變形情況如圖4所示。為了直觀展示，圖4（a），（b）所展示的變形情況均比真實(shí)情況放大了30倍。由圖4（a）可以清晰地看到在夾緊力的作用下，薄壁套筒變成了三角棱圓狀，薄壁套筒變形量達(dá)到0.142mm。而添加了開口過(guò)渡環(huán)以后雖然也存在變形，圖4（b），但是比前一種情況小得多，薄壁套筒的變形量?jī)H為0.044mm。因此，采用開口過(guò)渡環(huán)對(duì)薄壁套筒進(jìn)行夾持，能夠大大減小因夾緊變形導(dǎo)致的加工誤差。采用有限元仿真軟件的后處理模塊，既能定性采用云圖展示結(jié)果，又能給出定量結(jié)果，可以使學(xué)生印象加深，學(xué)習(xí)興趣增強(qiáng)。

（四）冷校直帶來(lái)的內(nèi)應(yīng)力

棒料在軋制后內(nèi)部存在著內(nèi)應(yīng)力，經(jīng)車削后，由于內(nèi)應(yīng)力的重新分布，會(huì)使車削后的軸產(chǎn)生彎曲（圖5（a）），尤其是當(dāng)軸的長(zhǎng)度與直徑比值較大的時(shí)候，彎曲比較嚴(yán)重，就需要進(jìn)行冷校直。即在軸的彎曲的反方向加上一個(gè)合適大小的力，使工件往相反方向彎曲并產(chǎn)生塑性變形，撤去外力之后，工件部分變形恢復(fù)，最終形狀變直。在此過(guò)程中，學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)是理解冷校直過(guò)程中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生過(guò)程。

本文采用Ansys Workbench對(duì)軸的冷校直過(guò)程進(jìn)行仿真，軸長(zhǎng)600mm，直徑為30mm，校直前最大撓度為5mm，如圖5所示。仿真中，軸的材料選用結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為2×1011Pa，泊松比為0.3，選擇雙線性各向同性硬化模型，屈服強(qiáng)度選擇為400MPa，簡(jiǎn)單起見，切線模量設(shè)置為0。所施加載荷為19500N，為防止應(yīng)力奇異，所施加載荷為軸上方一定面積上的均布載荷。圖5（b）為加載后軸的變形情況，由數(shù)據(jù)可知，此時(shí)軸的中點(diǎn)向下?lián)锨?.88mm（與初始情況差值）。圖5（c）為卸載后軸的變形情況，由數(shù)據(jù)可知，此時(shí)軸中點(diǎn)的撓曲量?jī)H為0.06mm（與初始情況差值），達(dá)到了校直的目的。圖5（d）為卸載后的應(yīng)力情況，從圖可知卸載后軸上應(yīng)力不等于0。圖6（a）展示了加載后軸的中間截面（A面）的應(yīng)力情況，圖6（b）展示了卸載后軸的中間截面的應(yīng)力情況。通過(guò)采用有限元仿真定量地展示結(jié)果，整個(gè)冷校直過(guò)程一目了然。還可以將整個(gè)冷校直過(guò)程做成動(dòng)畫來(lái)展示變形和應(yīng)力變化過(guò)程，提高直觀性，增進(jìn)理解，激發(fā)興趣。

圖4 三爪自定心卡盤夾持薄壁套筒變形情況云圖

圖5 細(xì)長(zhǎng)軸冷校直（變形單位：mm，應(yīng)力單位：MPa）

三 結(jié)語(yǔ)

本文研究將有限元仿真技術(shù)引入機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)過(guò)程中。借助有限元仿真軟件，可以對(duì)機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)中的大量工程實(shí)例進(jìn)行定量分析，并采用云圖和動(dòng)畫等形式對(duì)結(jié)果進(jìn)行展示。采用有限元仿真軟件對(duì)機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)進(jìn)行輔助，可使學(xué)生擺脫枯燥的文字描述，從而更加直觀的用圖像和動(dòng)畫去理解抽象的理論知識(shí)，從而加深對(duì)知識(shí)的理解并增進(jìn)學(xué)習(xí)興趣。

圖6 冷校直過(guò)程應(yīng)力變化情況（單位：MPa）