加工過程仿真技術在本科教學中的思考與實踐

劉宇　別海楠

摘 要 隨著計算機技術的發(fā)展和應用，加工過程仿真技術越來越受到業(yè)界的重視。本文研究了加工過程仿真技術在演示金屬切削加工過程中的應用，旨在通過這種方式加強學生對于金屬切削加工過程的理解，同時讓學生了解加工過程仿真技術在實際過程中的應用，激發(fā)學生的學習熱情，在學習好理論的基礎上學會應用加工過程仿真技術進行分析，營造一種積極向上的課堂氛圍，達到理想的授課效果。

關鍵詞 金屬切削加工 有限元 Deform 教學改革

中圖分類號：G642?文獻標識碼：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

金屬切削加工技術仍然是機械制造行業(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、加工精度和表面質量的工件。因此，金屬切削加工技術在本科生的教學工作中占有重要的地位，機械類本科生都開設有關于數控機床、機械加工制造技術等相關課程。隨著技術的發(fā)展，越來越多的數控仿真軟件的出現使本科生在數控機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。現在許多專家學者都對金屬切削過程進行了研究，但是由于切削過程的復雜性，還沒有統一的理論來解釋加工過程中的各種物理現象，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的出現為這一問題帶來了轉機，本文主要研究加工過程仿真技術在演示切削加工過程方面對于本科生教學工作的幫助。

1 有限元仿真技術

有限單元法（Finite Element Method， ?FEM）是一種以計算機為手段，通過離散化將研究對象變換成一個與原結構近似的數學模型，再經過一系列規(guī)范化的步驟以求解應力，應變和位移等參數的數值計算方法。它是一種通用的近似計算方法，也是解決工程實際問題的強有力的數值計算工具。目前，有限元法在航空，航天，機械，汽車，鐵路，船舶，交通，建筑，電子，地質礦產，水利水電，石油化工，生物醫(yī)學以及科學研究領域得到了非常廣泛的應用，并越來越受到業(yè)界的高度重視。

現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、材料模型和自適應網格能力等方面具有各自的特點和優(yōu)勢。因此為了有效地模擬切削過程中所關心的方面和問題，需要綜合考慮分析問題的難易程度和仿真結果表現形式等多方面的因素，合理地選擇有限元分析軟件。

2 加工仿真實驗平臺建設

2.1 系統組成

該實驗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據（如刀具尺寸，切深、背吃刀量等）的來源，仿真結果實際上相當于對實際物理過程的一個“慢放”，讓學生能夠仔細觀察刀具去除多余材料的過程，明白其作用機理。

Deform軟件是SFTC公司生產的一款商業(yè)有限元軟件，它專注于金屬成型和加工工藝過程的仿真，可以實現車、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、淬火等工藝流程進行仿真分析。它的優(yōu)點如下：

（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，設置參數的位置清楚明了。

（2）操作性好。Deform軟件包含了大量的材料庫，材料數據不必再自己去尋找，而且設定網格數量后可以自動劃分網格，在運行過程中出現大的變形量（如切屑去除過程）時可自動的進行網格的重劃分，不需要人工干預。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，需要設定的參數量很少。

（3）后處理功能豐富。具有點跡示蹤、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，然后導入Deform進行分析。（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 試驗臺在教學中的作用

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，學生看到這些內容并不能與真正的加工過程聯系起來，因此對這一部分的知識總是抱著死記硬背的態(tài)度，并沒有認真對待。而有的學校有條件帶學生參觀真正的加工過程，但是由于機床轉速過高，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生一定的危險，而且耗費加工材料和刀具，針對上述情況，有限元仿真是一個較好解決該問題的方法。

有限元仿真是對實際過程的近似，只要輸入正確的模擬參數，其結果與實際過程極為接近。該實驗平臺將仿真過程與實際加工過程相結合，由老師選定加工工況，通過有限元仿真的結果演示，讓學生明白加工過程是如何運作的，然后再用實際加工過程作對比，達到驗證的目的。

2.3 實驗平臺建設實踐

2.3.1 實驗手冊的編寫

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時間過長，授課老師并不能在短短的課堂上一一呈現，因此將仿真的過程建立成為實驗手冊，分別對不同的影響因素進行仿真，由老師演示一部分，另外的部分由學生自行根據手冊進行仿真學習，在熟悉有限元軟件的過程中了解有限元解決實際問題的過程。

2.3.2 助教的設立

由于有限元仿真軟件需要一定時間的學習，授課老師可能沒有時間，或者與該研究方向不相符，因此需要設立助教進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立專人來擔任。助教首先要熟悉有限元軟件的操作過程，然后與授課老師進行溝通，針對本科教學的授課目的，選擇具有代表性的工況進行有限元仿真，并將結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，同時做好與同學的交流工作，能夠積極回答學生的疑問。

3 加工仿真技術本科生教學實踐的思考

加工過程仿真技術是對本科生在金屬切削加工教學方面的一個說明和補充，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理，改變以往公式加配圖的教學方式，使整個課本“動”起來，更能激發(fā)出學生的好奇心和學習興趣，同時提升學生對加工過程仿真技術的應用，確立學生以加工過程仿真技術輔助學習的方法。由于實驗平臺建設時間較短，在整個實踐過程中仍有許多值得我們思考的地方。

3.1 應用擴展

（1）有限元仿真技術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行研究的一個必不可少的手段。但是研究生有需求時常獨立進行摸索學習，效率低而且耗費時間，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，也可以組織起來進行有限元仿真軟件的操作教學，幫助他們快速熟悉掌握該軟件，盡快進入研究工作。

（2）通過blackboard平臺建立與學生交流的通道，可以在平臺上放置一些仿真過程的演示視頻，幫助學生進行實驗的學習，同時在平臺上建立與學生交流的通道，學生在使用仿真軟件過程中遇到的問題或者在學習上遇到的問題都可以與助教進行溝通，對于學生的要求，助教進行匯總后與授課老師合作，改進課程教學計劃，使教學過程更進一步。

3.2 下一步的工作

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

Deform是一款功能強大的軟件，觀察仿真結果時還伴隨著很多的數據，這些數據并沒有在教學工作中得到很好地利用，比如切削溫度分布圖、應力應變分布圖、速度分布圖等，這些都應該加以合理的應用，融入到教學工作中來。

4 結束語

加工仿真技術是以有限元仿真技術為核心，以提升學生對金屬切削加工過程的理解為目的而建立起來的，并與本科的教學工作相互補充，使學生在學習理論的基礎上對加工過程有一個清晰的認識，并提升學生對于有限元分析方法的認識，增強學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，可以根據課程需要和教學目的的不同進行調整，在本科生教學工作中必將發(fā)揮更大的作用。

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