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切削仿真技術(shù)無論是對于高校教學(xué)、科研還是企業(yè)生產(chǎn)、研發(fā)都有至關(guān)重要的作用，然而由于該項(xiàng)技術(shù)屬于交叉學(xué)科，學(xué)起來門檻高、效率低，再加上校企互通不夠，因此以前一直未受到業(yè)界的關(guān)注。近三年來，隨著中國制造業(yè)的快速發(fā)展，同時(shí)隨著國內(nèi)切削仿真創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的興起以及切削仿真國際會(huì)議的召開，越來越多的專業(yè)人士開始意識到該項(xiàng)技術(shù)的重要性，尤其以刀具和航空企業(yè)為主。那么，切削仿真這項(xiàng)朝陽技術(shù)到底包括哪些具體的內(nèi)容，校企資源如何配置才能加速其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，同時(shí)在未來三年內(nèi)我國的切削仿真技術(shù)又能有怎樣的發(fā)展呢？下面我們來詳細(xì)的闡述。
1完善切削仿真基礎(chǔ)工藝案例
雖然我國高校很早就有關(guān)于切削仿真技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)，但大都是基于研發(fā)需要而并非企業(yè)需求，同時(shí)由于高校研究生的新老交替導(dǎo)致該項(xiàng)技術(shù)也未能形成系統(tǒng)的仿真理論和技術(shù)積累。因此如果能夠打造一個(gè)校企共用的切削仿真基礎(chǔ)工藝案例庫將會(huì)對我國切削仿真技術(shù)的持續(xù)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用起到一定的促進(jìn)作用。
該案例庫具體內(nèi)容如下：
1）壓痕仿真和劃痕仿真
壓痕和劃痕仿真是從事切削方向課題的研究人員常用的仿真方法，通過該方法可以揭示材料去除機(jī)理，分析劃痕表面形貌，同時(shí)優(yōu)化劃痕工藝參數(shù)。
2）車削、銑削和鉆削仿真
切削加工常見的工藝方式有三種，分別是車削、銑削和鉆削，然而由于三維切削仿真難度大、效率低，因此目前國內(nèi)外文獻(xiàn)中關(guān)于三維車削、銑削和鉆削仿真的研究尚未普及和應(yīng)用。
3）超聲振動(dòng)切削仿真
超聲振動(dòng)加工是一種典型的輔助加工方式，因此開展該方向的仿真研究對于探索超聲去除機(jī)理、優(yōu)化超聲工藝參數(shù)、研發(fā)超聲裝備等都有一定的指導(dǎo)意義。尤其是在研究超聲參數(shù)和切削工藝參數(shù)的耦合關(guān)系時(shí)，大量實(shí)驗(yàn)必然會(huì)增加研發(fā)成本，同時(shí)如果通過開展實(shí)驗(yàn)的方法對振幅和頻率等極限工況的切削質(zhì)量進(jìn)行研究，則會(huì)在一定程度上降低科研效率或者增加科研風(fēng)險(xiǎn)。
4）刀具織構(gòu)優(yōu)化仿真
通過在刀具表面增加織構(gòu)的方法對其耐磨性能進(jìn)行優(yōu)化是一種行之有效的方法，然而織構(gòu)類型、間距和尺寸等因素具有太多種組合和演化，如果全部通過實(shí)驗(yàn)的方法開展研究則會(huì)極大的增加科研成本，因此刀具織構(gòu)的優(yōu)化仿真將會(huì)在一定程度上替代相關(guān)科研實(shí)驗(yàn)。
5）分子動(dòng)力學(xué)切削仿真
對于單晶硅和銅等材料進(jìn)行納米級別的加工機(jī)理研究時(shí)，就有必要采用分子動(dòng)力學(xué)方法和軟件。分析動(dòng)力學(xué)切削仿真方法的核心是采用勢函數(shù)來計(jì)算刀工自身和刀工之間的原子作用力，進(jìn)而對切削過程中的原子圖像、能量和切削力等要素進(jìn)行分析。
2突破切削仿真核心技術(shù)瓶頸
就目前而言，無論是參考文獻(xiàn)還是網(wǎng)格資料都有很多關(guān)于切削仿真相關(guān)的文檔、視頻以及源文件，但是這些大多都是高校在讀研究生所寫，內(nèi)容不全面、知識不系統(tǒng)，同時(shí)注重界面操作而忽視基礎(chǔ)理論。對于初學(xué)者雖然可以作為參考，但時(shí)間一長就會(huì)發(fā)現(xiàn)自己的技術(shù)始終停留在一個(gè)初級水平，很難有質(zhì)的飛躍。因此，要想進(jìn)行深度學(xué)習(xí)同時(shí)將仿真技術(shù)和科研、產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合就必須突破相關(guān)核心技術(shù)瓶頸。
那么就當(dāng)前切削仿真技術(shù)而言，有哪些瓶頸需要突破，同時(shí)三年以內(nèi)我們可以做到哪些呢？下面我們來為大家進(jìn)行詳細(xì)的講解：
切削仿真核心技術(shù)瓶頸：
1）仿真效率提升
切削仿真是典型的非線性分析過程，具體包括：材料非線性、幾何非線性和接觸非線性，同時(shí)由于三維刀工模型網(wǎng)格多達(dá)百萬，因此相對結(jié)構(gòu)分析來說切削仿真的效率很低，如果要考慮帶溫度的切削仿真那就需要用工作站進(jìn)行計(jì)算。
2）殘余應(yīng)力仿真
殘余應(yīng)力仿真需要同時(shí)考慮顯示計(jì)算和隱式回彈兩個(gè)分析過程，同時(shí)在兩個(gè)分析過程中還要保持一致的材料本構(gòu)，其難點(diǎn)在于隱式回彈前對顯示計(jì)算過后的失效單元進(jìn)行拾取和移除，以確保在回彈過程中無剛體位移的產(chǎn)生。
3）刀具磨損仿真
要想進(jìn)行刀具磨損仿真，需要具備兩個(gè)條件：第一，刀具磨損本構(gòu)的確定；第二，刀具磨損參數(shù)的獲取。就磨損本構(gòu)來說，目前也只有兩個(gè)，一個(gè)是Archard本構(gòu)，一個(gè)是Usui本構(gòu)，二者都只能用于隱式分析，所不同給的是前者不能考慮溫度而后者可以考慮溫度。因此要想進(jìn)行切削仿真刀具磨損分析還需要進(jìn)行顯示和隱式的轉(zhuǎn)換同時(shí)進(jìn)行大量而反復(fù)的切削仿真迭代以獲取磨損后新的刀具輪廓、角度以及刀工摩擦系數(shù)等參數(shù)，因此效率也是相對低的。
4）冷卻液仿真
冷卻液具有三種功能，降溫、潤滑和除銹。要想在切削仿真過程中同時(shí)模擬三種功能，是有一定困難的。就目前的仿真技術(shù)來說，可以做到的只有降溫和潤滑的效果。其中冷卻液的降溫效果可以通過對流換熱系數(shù)來實(shí)現(xiàn)，潤滑效果可以通過改變刀工摩擦系數(shù)來實(shí)現(xiàn)。
5）薄壁件變形預(yù)測
經(jīng)過大量調(diào)研，航空、航天企業(yè)大都以薄壁件切削為主，對于薄壁件的切削仿真，工件的變形以及殘余應(yīng)力是主要的應(yīng)用場景，因此要通過仿真輸出單元位移、塑性應(yīng)變以及殘余應(yīng)力等做為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)由于薄壁件的精度要求高、切削余量小，因此網(wǎng)格尺寸也會(huì)相對小，仿真效率也會(huì)相應(yīng)的低。
6）復(fù)材切削仿真
目前來看，復(fù)材的切削仿真主要針對金屬基顆粒復(fù)合材料以及碳纖維復(fù)合材料兩種，對于前者來說主要以微觀的胞體仿真為主，對于纖維復(fù)材主要是材料本構(gòu)以及參數(shù)化建模插件的開發(fā)，這些領(lǐng)航科工都已經(jīng)完成了技術(shù)積累并已經(jīng)形成相關(guān)的軟件著作權(quán)和發(fā)明專利等知識產(chǎn)權(quán)。
3建立切削仿真系統(tǒng)評價(jià)體系
無論高校還是企業(yè)、無論師生還是工程師都很關(guān)心一個(gè)核心的問題，那就是切削仿真到底好不好用。所以要想讓該技術(shù)得到專業(yè)人士的認(rèn)可，同時(shí)在產(chǎn)業(yè)得到應(yīng)用和推廣，就必須建立一個(gè)面向校企以及相關(guān)行業(yè)的宏觀評價(jià)體系，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行完善和擴(kuò)充，進(jìn)而形成切削仿真行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該評價(jià)體系總體來說來主要包括以下三個(gè)部分：仿真質(zhì)量評價(jià)、高?？蒲性u價(jià)、企業(yè)研發(fā)評價(jià)。
切削仿真評價(jià)體系基本構(gòu)成：
1）評價(jià)指標(biāo)的確定
2）工藝標(biāo)準(zhǔn)的選擇
3）控制標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化
4）仿真效率的提升
5）對標(biāo)方法的完善
6）評價(jià)方案的建立
4中國校企切削仿真技術(shù)需求熱點(diǎn)分析
雖然高校和企業(yè)都會(huì)用到切削仿真技術(shù)，但是由于評價(jià)機(jī)制的不同使得高校的研究人員和企業(yè)的技術(shù)人員對該項(xiàng)技術(shù)的需求具有一定的差異性。對于高校而言，由于是科研機(jī)構(gòu)并且大多是以科研論文為評價(jià)機(jī)制，從事傳統(tǒng)切削研究不能發(fā)表高水平的科研論文，雖然科技部剛剛印發(fā)了《關(guān)于破除科技評價(jià)中“唯論文”不良導(dǎo)向的若干措施（試行）》的通知，但并不意味著不能發(fā)表高水平科研論文，同時(shí)《關(guān)于規(guī)范高等學(xué)校SCI論文相關(guān)指標(biāo)使用樹立正確評價(jià)導(dǎo)向的若干意見》中也明確指出對于技術(shù)研發(fā)類課題要注重評估在成果轉(zhuǎn)化、支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面的績效。因此高?？蒲腥藛T要想兼顧科研論文和成果轉(zhuǎn)化效果可以從特種切削仿真入手，比如：激光輔助切削仿真、超聲振動(dòng)輔助切削仿真以及電火花加工仿真等，同時(shí)也可以點(diǎn)擊以下鏈接深入了解《基于產(chǎn)業(yè)化理念的科技論文創(chuàng)新模式與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》。企業(yè)是以生產(chǎn)為主要目標(biāo)，其評價(jià)機(jī)制就是效率、質(zhì)量和成本，目前能用到切削仿真的企業(yè)主要有兩類，一類是航空航天企業(yè)，一類是刀具企業(yè)。經(jīng)調(diào)研和走訪，我們發(fā)現(xiàn)前者對車削和銑削過程中薄壁件變形和殘余應(yīng)力仿真有著迫切的需要，而后者對各種非標(biāo)刀具的結(jié)構(gòu)和材料優(yōu)化等傳統(tǒng)切削仿真也有著潛在的需求。
校企切削仿真需求點(diǎn)分析：
1）高校需求：激光輔助切削仿真、焊接切削仿真、金相切削仿真
2）企業(yè)需求：熱處理切削仿真、刀具磁化切削仿真、刀具深冷切削仿真
3）共性需求：傳統(tǒng)切削仿真中的刀具磨損、殘余應(yīng)力和冷卻液等
5切削仿真技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的有力保障
可持續(xù)發(fā)展是智能制造中關(guān)于綠色發(fā)展的具體內(nèi)涵，就切削仿真技術(shù)而言，其可持續(xù)發(fā)展的核心是要在數(shù)據(jù)庫、高端人才、校企資源等切削仿真必備要素之間形成良性循環(huán)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)完善、人才培養(yǎng)、產(chǎn)教信息的深度融合。因此要想真正發(fā)揮切削仿真技術(shù)在高校科研和企業(yè)研發(fā)中的作用，同時(shí)持續(xù)不斷的在我國航空和刀具企業(yè)的虛擬制造環(huán)節(jié)產(chǎn)生效益，就必須著手建立材料參數(shù)庫、刀工模型庫、高端人才庫以及產(chǎn)業(yè)需求庫等切削仿真信息系統(tǒng)平臺(tái)，以此引領(lǐng)航材切削仿真技術(shù)、助力中國制造數(shù)字化發(fā)展。其中，切削仿真技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的保障要素主要包括：
1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫
2）高端人才庫
3）教學(xué)資源庫4）產(chǎn)教融合體系5）國家產(chǎn)教融合政策的支持
6關(guān)于建設(shè)切削仿真系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)思
高校和企業(yè)都對切削仿真技術(shù)有著各自的需求，然而目前我國并沒有自主研發(fā)的切削仿真軟件，而國外軟件價(jià)格昂貴且對華封鎖，同時(shí)大家的切削仿真水平也有待提高。因此如果能從校企需求出發(fā)，整合刀工模型以及材料參數(shù)等資源庫，以傳統(tǒng)加工和特種加工工藝為載體，建設(shè)切削仿真系統(tǒng)平臺(tái)必將對我國的切削仿真技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。
中國切削仿真系統(tǒng)平臺(tái)的主要內(nèi)容包括：
1）參數(shù)化建模系統(tǒng)
2）材料參數(shù)庫
3）刀具模型庫
4）仿真資源庫
5）仿真超算系統(tǒng)
7關(guān)于開發(fā)國產(chǎn)切削仿真軟件的構(gòu)思
切削仿真系統(tǒng)平臺(tái)在一定程度上能夠滿足高校和企業(yè)的研發(fā)需求，但是由于該平臺(tái)是以現(xiàn)有的通用商業(yè)軟件為求解器進(jìn)行仿真計(jì)算的，因此要想具備完全獨(dú)立的知識產(chǎn)權(quán)，就必須自主開發(fā)適合切削仿真工況的顯示動(dòng)力求解器，為下一步開發(fā)國產(chǎn)切削仿真軟件奠定基礎(chǔ)。通過和校企研究人員的多次溝通，以企業(yè)問題為載體，以高?？蒲袨槟繕?biāo)，初步確定未來的國產(chǎn)切削仿真軟件由以下三個(gè)模塊構(gòu)成：
1）去除機(jī)理仿真模塊
該模塊包括壓痕、劃痕以及二維切削仿真功能，同時(shí)可以對圓錐壓頭和棱錐壓頭等刀具進(jìn)行參數(shù)化建模，在此基礎(chǔ)上還可以輸出切削力、切削溫度以及切屑形態(tài)等物理量，通過這些揭示各類難加工材料的去除機(jī)理，為切削加工過程中的工藝優(yōu)化提供理論支持。
2）傳統(tǒng)切削仿真模塊
該模塊包括車削、銑削以及鉆削等傳統(tǒng)切削仿真過程，同時(shí)包括大量的車刀、銑刀以及鉆頭等刀具模型，通過這些可以對傳統(tǒng)切削過程中的刀具材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及工件殘余應(yīng)力和變形預(yù)測提供仿真支持。
3）特種加工仿真模塊
該模塊是在對國內(nèi)外文獻(xiàn)進(jìn)行充分調(diào)研同時(shí)又同國內(nèi)航空企業(yè)的研發(fā)人員進(jìn)行多次溝通的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)的，以電能、熱能和機(jī)械能為手段實(shí)現(xiàn)去除或增加材料的加工仿真方法，具體包括激光輔助切削仿真、熱處理后材料的切削仿真以及焊接材料的切削仿真等功能。
切削仿真技術(shù)在刀具企業(yè)、航空企業(yè)、航天企業(yè)都有巨大的潛在應(yīng)用空間，但是就目前來說我國的切削仿真系統(tǒng)平臺(tái)還不完善，比如材料參數(shù)庫、刀工模型庫以及高校人才庫等都急需建設(shè)，因此要想充分發(fā)揮切削仿真技術(shù)在中國高端制造業(yè)以及國防科工產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，我們還有很長的路要走。一方面國家要增加科研經(jīng)費(fèi)投入用來開發(fā)切削仿真系統(tǒng)平臺(tái)以及國產(chǎn)切削仿真軟件，另一方面要充分調(diào)動(dòng)高校的人才資源以便于整合切削仿真技術(shù)，同時(shí)還要做好企業(yè)應(yīng)用場景的深度挖掘，只有這樣才能真正發(fā)揮高校和企業(yè)在產(chǎn)學(xué)研用中的作用、突破切削仿真技術(shù)的國際封鎖、全面加速中國切削仿真產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
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