薄壁件數控加工物理仿真研究現狀與發展趨勢

沈琦萍

（南通職業大學，江蘇南通 226000）

關鍵字：薄璧件；數控加工；物理仿真

針對薄壁件的數控加工技術一直以來是數控加工技術的難點和重點，薄壁零件在加工中特別容易受到物理因素的干擾導致加工失敗，用物理仿真技術來模擬加工過程，可以防患于未然。因此在薄璧件數控加工領域里，運用了最新的物理仿真技術來更好的調控產品的生產過程。通過物理仿真技術可以有效的模擬產品生產過程中可能產生的一系列問題，幫助工程師們進行合理的產品優化，有效的提升產品的合格率，從而不斷提升產品的質量。

1 薄璧件數控加工中存在的問題

工業品的加工是造就一個高質量工業品的重要環節之一。尤其是薄壁件零件的加工制造，由于薄壁件的特殊結構，一般具有物質的強度較高、質量較輕盈、支撐承壓能力很強的優點。在很多建筑領域或者鐵路交通領域，一個高質量的薄壁件往往發揮著至關重要的作用。因此薄壁件的數控加工好壞便成了能否造就一個高質量薄壁件的關鍵環節之一。但是針對于薄壁件的數控加工過程，存在著很多問題。因為薄壁件輕盈的特性，在加工的過程中常常出現數控機床抓取零件容易偏離操作位置的問題，這種零件位置的誤差或者零件輕微的震動都可能導致加工結果的失敗。此外零件的薄壁有可能因為數控機床的抓取發生輕微形變。

因此為了提前預知在加工中薄壁零件可能發生的各種問題，物理仿真技術被應用進來。物理仿真技術通過提前模擬薄壁零件的加工過程來提前預知加工的問題，這種技術能夠讓人們在最大程度上節省零件制作的成本，提高產品的合格率，實現經濟效益的最大化。在薄壁件加工中應用的物理仿真技術可以說就是虛擬的數控技術，通過這種技術可以精準模擬數字化控制下零件實際加工的過程，這樣可以分析出多重因素對于加工過程的影響，比如切削的摩擦系數、切削的力度、切削的熱度等對加工過程產生影響的因素。通過提前虛擬來預判這些因素在實際的加工過程中對產品影響的大小和最終的效果，通過最后的程序化處理，來合理的判斷當前的數控加工過程存在的不足之處。

2 物理仿真技術主要的關鍵點以及在薄璧數控加工過程中的應用

下面將詳細的解釋物理仿真技術在數控加工過程中的一些關鍵的技術點以及薄壁件在數控加工中的實踐應用。

2.1 加工過程的刀具變化傳感技術

在現實的薄壁件加工過程中，由于薄壁件的自身物理特性比較敏感，因此在整個過程中，作用于薄壁件的刀具尖銳程度和磨損程度就顯得尤為重要。早期對于生產過程中刀具的變化主要通過頻譜分析為主，但是伴隨著社會經濟的發展，傳感技術變的越來越成熟，刀具狀態的變化可以通過光譜、聲音等物理因素精確的反饋。特別是伴隨著現代人工智能技術的發展，神經網絡技術和頻譜分析技術的結合也進入了工程師研究的范圍之內。目前比較先進的技術是通過神經網絡技術來構建信號與刀具狀態之間的聯系，這樣可以最大化的利用信號來精確反饋在生產加工過程中刀具各個性能參數的變化。并且伴隨著神經網絡技術具有知識學習的特殊屬性，在生產過程中，局部產生的問題會反過來被這種特殊的檢測設備所感應到并且存儲，然后通過多重信號處理的形式進行不斷的監測調整。未來的發展趨勢將會順沿著現在神經網絡技術、傳感技術相結合的方式轉變到神經網絡技術、傳感技術、信號處理技術、計算機技術組合式的處理技術體系。這樣可以全方位、多功能、智能化的監控并且精準模擬刀具的使用效果，以及薄壁件的加工效果。

2.2 加工設備產生的熱變化對加工效果的影響

早期人們沒有意識到機床的受熱微變形也會對零件的加工過程產生影響。發展到了一定程度時才開始正式利用熱形變理論探討形變和溫度之間的聯系。在薄壁件的加工過程中，由于零件的內部比較薄，任何微小的形變都會導致零件精度的不斷變化。同時因為溫度是影響工具形變的主要因素，檢測零件生產中的熱量變化，以及形變程度的不斷變化，對于穩定零件質量具有十分重要的作用。在生產過程中記錄切削面的熱量變化以及熱分布情況，可以推斷發生形變的位置以及大小。可以通過有限差分法來模擬刀具的切削溫度、應力以及形變來進行研究，對于比較簡單的刀具切削過程具備良好的模擬效果。隨著計算機技術的飛速發展，有限差分法模擬技術的操作精度也在不斷提高，其被更加廣泛的應用到了金屬的切削領域[1]。

3 物理仿真技術在薄璧數控加工過程中存在的問題以及未來的發展趨勢

3.1 物理仿真技術的精準度問題以及解決方式

由于薄壁件的特殊性質，在生產加工的過程中因為非線性的性能變化，以及在生產加工各種因素相互影響的條件下，現有的物理仿真技術的精準度達不到要求。物理仿真技術為了提高適應性，會降低數學建模的復雜性，往往是關聯單一的變化因素，當面對實際的復雜的生產環境，不能夠精準的綜合所有的變量信息，造成模擬的誤差。因此如何在建模的時候綜合多重因素的影響，如何排除干擾的因素，如何提高模擬的真實性是需要解決的問題。為此可以利用目前比較流行的綜合真實物理因素的數控加工反饋系統，這款系統可以將平時常見的干擾因素并入到模擬的場景當中，模擬出來的效果是綜合了很多物理因素以及大量的干擾情況得出來的，因此增加了模擬的真實性能。

3.2 物理仿真技術的通用型差以及解決方式

物理仿真模擬的通用型比較差是個急需解決的問題，因為各個零件生產加工的環節都有著不同的變化，現有的物理仿真模型為了降低建立的難度，往往只針對某一個特殊的工藝流程進行模擬，因此模擬的局限性導致模型的通用性能比較差，導致模型的推廣遇到了很大的阻礙，因此如何在保證物理仿真技術精準性的同時提高通用性能，是研究的方向之一。目前工程師可以通過仿真方法的多樣性來實現技術通用性的提升。比如將神經網絡技術、計算機技術、信號處理技術、頻譜技術相結合，通過發揮不同技術的側重點和優點來實現仿真技術的可適應性，這將大大的解放物理仿真技術的應用場景，加速技術的實踐推廣[2]。

4 結束語

本文闡述了在薄壁件的數控加工過程中的問題，給出了具體的技術方案，其中物理仿真技術的應用極大的還原了零部件在數控加工過程中的實際加工情況，人們可以通過仿真技術預知生產加工過程中可能會存在的問題，并且找出優化點。同時也說明了目前物理仿真技術存在的種種問題，主要是精準度比較差以及通用型不好，并給出了具體的解決方案。未來物理仿真技術將會朝著多種技術并用的方式發展。