加工過(guò)程仿真技術(shù)在本科教學(xué)中的思考與實(shí)踐

劉宇　別海楠

摘 要 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，加工過(guò)程仿真技術(shù)越來(lái)越受到業(yè)界的重視。本文研究了加工過(guò)程仿真技術(shù)在演示金屬切削加工過(guò)程中的應(yīng)用，旨在通過(guò)這種方式加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于金屬切削加工過(guò)程的理解，同時(shí)讓學(xué)生了解加工過(guò)程仿真技術(shù)在實(shí)際過(guò)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(huì)應(yīng)用加工過(guò)程仿真技術(shù)進(jìn)行分析，營(yíng)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(hào)：G642?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guò)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(kāi)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(lái)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(duì)金屬切削過(guò)程中涉及的理論并沒(méi)有很大改觀。現(xiàn)在許多專家學(xué)者都對(duì)金屬切削過(guò)程進(jìn)行了研究，但是由于切削過(guò)程的復(fù)雜性，還沒(méi)有統(tǒng)一的理論來(lái)解釋加工過(guò)程中的各種物理現(xiàn)象，這對(duì)本科生對(duì)加工過(guò)程的理解造成了一定的困難。而加工過(guò)程仿真技術(shù)的出現(xiàn)為這一問(wèn)題帶來(lái)了轉(zhuǎn)機(jī)，本文主要研究加工過(guò)程仿真技術(shù)在演示切削加工過(guò)程方面對(duì)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(jì)算機(jī)為手段，通過(guò)離散化將研究對(duì)象變換成一個(gè)與原結(jié)構(gòu)近似的數(shù)學(xué)模型，再經(jīng)過(guò)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(jì)算方法。它是一種通用的近似計(jì)算方法，也是解決工程實(shí)際問(wèn)題的強(qiáng)有力的數(shù)值計(jì)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(lái)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(duì)研究金屬切削過(guò)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(gè)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(shì)。因此為了有效地模擬切削過(guò)程中所關(guān)心的方面和問(wèn)題，需要綜合考慮分析問(wèn)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(tái)建設(shè)

2.1 系統(tǒng)組成

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由一臺(tái)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(guò)程，觀察特定加工條件下的切屑和工件表面狀態(tài)，同時(shí)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(lái)源，仿真結(jié)果實(shí)際上相當(dāng)于對(duì)實(shí)際物理過(guò)程的一個(gè)“慢放”，讓學(xué)生能夠仔細(xì)觀察刀具去除多余材料的過(guò)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(guò)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(shí)也可以對(duì)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(gè)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(kù)，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(dòng)劃分網(wǎng)格，在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)大的變形量（如切屑去除過(guò)程）時(shí)可自動(dòng)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(guò)程中可以自動(dòng)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(tái)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(gè)傾角對(duì)加工過(guò)程的影響，這些知識(shí)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(guò)程聯(lián)系起來(lái)，因此對(duì)這一部分的知識(shí)總是抱著死記硬背的態(tài)度，并沒(méi)有認(rèn)真對(duì)待。而有的學(xué)校有條件帶學(xué)生參觀真正的加工過(guò)程，但是由于機(jī)床轉(zhuǎn)速過(guò)高，加工過(guò)程很快就完成了，人肉眼無(wú)法觀察清楚整個(gè)過(guò)程，人靠近觀察還有可能產(chǎn)生一定的危險(xiǎn)，而且耗費(fèi)加工材料和刀具，針對(duì)上述情況，有限元仿真是一個(gè)較好解決該問(wèn)題的方法。

有限元仿真是對(duì)實(shí)際過(guò)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(guò)程極為接近。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將仿真過(guò)程與實(shí)際加工過(guò)程相結(jié)合，由老師選定加工工況，通過(guò)有限元仿真的結(jié)果演示，讓學(xué)生明白加工過(guò)程是如何運(yùn)作的，然后再用實(shí)際加工過(guò)程作對(duì)比，達(dá)到驗(yàn)證的目的。

2.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)實(shí)踐

2.3.1 實(shí)驗(yàn)手冊(cè)的編寫

由于金屬加工過(guò)程涉及到很多的影響因素，而且仿真計(jì)算過(guò)程花費(fèi)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，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(guò)程建立成為實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，分別對(duì)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(cè)進(jìn)行仿真學(xué)習(xí)，在熟悉有限元軟件的過(guò)程中了解有限元解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程。

2.3.2 助教的設(shè)立

由于有限元仿真軟件需要一定時(shí)間的學(xué)習(xí)，授課老師可能沒(méi)有時(shí)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(lái)?yè)?dān)任。助教首先要熟悉有限元軟件的操作過(guò)程，然后與授課老師進(jìn)行溝通，針對(duì)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(duì)于操作過(guò)程中遇到的問(wèn)題要做到心中有數(shù)，同時(shí)做好與同學(xué)的交流工作，能夠積極回答學(xué)生的疑問(wèn)。

3 加工仿真技術(shù)本科生教學(xué)實(shí)踐的思考

加工過(guò)程仿真技術(shù)是對(duì)本科生在金屬切削加工教學(xué)方面的一個(gè)說(shuō)明和補(bǔ)充，可以生動(dòng)形象地說(shuō)明金屬切削過(guò)程中刀具和工件相互作用的過(guò)程和機(jī)理，改變以往公式加配圖的教學(xué)方式，使整個(gè)課本“動(dòng)”起來(lái)，更能激發(fā)出學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)提升學(xué)生對(duì)加工過(guò)程仿真技術(shù)的應(yīng)用，確立學(xué)生以加工過(guò)程仿真技術(shù)輔助學(xué)習(xí)的方法。由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)時(shí)間較短，在整個(gè)實(shí)踐過(guò)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(duì)于本科生來(lái)說(shuō)是一個(gè)演示說(shuō)明的過(guò)程，但是對(duì)于研究生來(lái)說(shuō)是進(jìn)行研究的一個(gè)必不可少的手段。但是研究生有需求時(shí)常獨(dú)立進(jìn)行摸索學(xué)習(xí)，效率低而且耗費(fèi)時(shí)間，許多疑問(wèn)也得不到解答。因此對(duì)于研究金屬加工過(guò)程的研究生來(lái)說(shuō)，也可以組織起來(lái)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(guò)blackboard平臺(tái)建立與學(xué)生交流的通道，可以在平臺(tái)上放置一些仿真過(guò)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(shí)在平臺(tái)上建立與學(xué)生交流的通道，學(xué)生在使用仿真軟件過(guò)程中遇到的問(wèn)題或者在學(xué)習(xí)上遇到的問(wèn)題都可以與助教進(jìn)行溝通，對(duì)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(jì)劃，使教學(xué)過(guò)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(duì)過(guò)程的離散化，可將每一步清晰的表現(xiàn)出來(lái)，但是這也注定了有限元的求解過(guò)程比較緩慢，并不適合當(dāng)場(chǎng)演示操作過(guò)程，只能對(duì)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(duì)金屬切削加工的所有情況進(jìn)行演示。針對(duì)這種情況可以發(fā)動(dòng)本科學(xué)生中對(duì)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(guò)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(shí)還伴隨著很多的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)并沒(méi)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(lái)。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(duì)金屬切削加工過(guò)程的理解為目的而建立起來(lái)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(duì)加工過(guò)程有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，并提升學(xué)生對(duì)于有限元分析方法的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生用有限元方法解決問(wèn)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。

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