振动切削仿真技术及产业化应用解决方案

振动加工可以在一定程度上减小切削力、改善加工质量，但是在工艺优化和装备研发过程中，大量的实验会增加研发成本，同时特殊工况下的研发需求很难通过实验来完成，即使能完成但是成本很高或者风险很大。比如振幅和频率的耦合关系对加工质量的影响、极限频率和振幅下加工效果的测试以及振动钻孔的排屑观测等。

而通过振动切削仿真技术来优化振动工艺、研发超声装备可以最大限度的减少试切次数，解决深孔振动钻削切屑形态观测难等问题，同时在一定程度上避免由于实验测试过程中频率过高或振幅过大而烧坏振动装备中线圈的问题。

本文以切削仿真为切入点，结合振动加工的应用场景，从评价标准、技术实现、模型设计等不同角度出发，对振动切削仿真的核心技术进行了经典的总结，同时对仿真模型的效率评估以及算力预测进行了深入的剖析，总共分六个方面，详情如下。

一、应用场景

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主要包括：机理分析、装备研发、材料试切、参数调试

通过和清华大学师生以及深圳市青鼎装备有限公司等国内知名高校和超声精密加工企业的研发人员交流得知，切削仿真技术在振动加工领域主要有以下应用场景，机理分析、装备研发、材料试切、参数调试。关注“切削仿真产学研平台”公众号了解更多干货。

其中机理分析主要包括：断屑机理、超声去除机理、振幅频率耦合机理、振动参数和工艺参数耦合机理等；装备研发主要是在设计超声大功率电源以及变幅杆的过程中，可以通过振动切削仿真技术对振幅、频率以及功率等极限参数进行试错，以避免试验带来的风险和损失；利用超声加工机床可以对钛合金以及碳化硅等不同力学特性的材料进行切削或磨削加工，但是由于这些材料的硬度、韧性不同，因此在加工过程中工件对于振动装备所起到的反馈效果也不同，同时在振动参数、工艺参数、机床特性以及材料特性的综合影响下，也会得到不同的加工效果，如果都通过试切的方式进行验证和优化，无疑会增加时间和材料成本，而通过仿真技术可以在一定程度上减少试验及参数调试次数，同时从切削载荷、刀工应力、输出能量等各个方面对切削效果进行评价。

二、评价标准

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主要包括：切屑形态、切削温度、刀工应力、切削载荷。

众所周知，振动加工可以在一定条件下减小切削力、改善工件表面质量，然而如果只采用这两个标准对切削效果进行评价则不足以对振动切削加工过程中诸多因素耦合作用下的加工效果进行全面表征。

同时由于通用软件具有强大的后处理功能，因此我们可以从切削形态、切削温度、刀工应力、切削载荷以及切削能量等方面对加工过程进行合理评价，从而从各个角度来揭示超声加工机理、优化超声装备。关注“切削仿真产学研平台”公众号了解更多干货。

比如深孔振动钻削过程，如果采用试验的方式进行试切，我们就无法看到孔内切屑形态的变化同时也无法精准捕捉断屑时刻的切屑形态，更难以对振幅和频率耦合作用下的切屑形态进行对比分析；再比如要考虑切削功率以及温度对振动加工效果的影响，在试验过程中我们就要添加热电偶以及热像仪以及测力仪等设备，这些设备一方面费用很高，另一方面在安装和调试过程中的精度也会受实验人员的经验影响，而采用仿真的方法就可以在一定程度上避免这些因素的影响，当然对仿真软件的使用者的学历、知识层次以及工程经验等也会提出很高的要求。

三、技术实现

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主要包括：输入参数、确定时间、振动耦合、工艺耦合。

在根据振动加工的应用场景确定好评价标准后，下一步就要结合通用软件的基本功能，考虑各项参数、耦合关系以及评价标准在技术上如何实现才能确保切削仿真模型的效率和质量。

下面我们从输入参数、仿真时间、振动耦合、工艺耦合等四个方面分别阐述。先来看输入参数，主要包括材料参数、切削工艺参数以及振动工艺参数等，其中材料参数主要是失效参数要和网格尺寸相匹配，而在确定工件网格尺寸时要重点考虑切削工艺参数以及振动工艺参数的耦合关系。

比如：如果进给量很小，那网格尺寸也应该很小，而如果再考虑振动切削，那振幅就应该是微米级的，所以网格尺寸也应该是几微米或者几百纳米，这样总体网格规模就会很大，所以一定要简化模型、控制网格规模以确保仿真效率。关注“切削仿真产学研平台”公众号了解更多干货。同时切削参数和振动参数也要经过相应的转化才能输入通用仿真软件，比如位移、速度、角速度等，振动参数就需要采用幅值曲线的方式来输入，尤其是振幅和频率的换算，这一点尤为重要。

就切削仿真效率来说，影响因素主要有两个，一个是网格规模，另一个就是切削时间。超声振动切削，频率基本是几万赫兹，因此要想通过仿真观测到有规律的振动特性就一定要控制好切削时间，否则效率会很低，一般几个周期即可。比如2万赫兹，如果我们仿真十个周期，那切削时间就是0.0005秒，在这段时间内刀具旋转几圈、进给了多少距离则需要通过工艺参数来换算。

四、模型设计

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主要包括：分析场景、确定标准、划分网格、输出状况。

在对应用场景和评价标准中的仿真技术进行系统分析后，下一步就要根据这两点开展振动切削仿真的模型设计。除去材料参数赋予、刀工模型装配以及接触和边界条件设置等环节以外，其核心内容主要包括网格划分和变量输出两个方面。

其中网格划分又包括网格规模确定以及单元类型选择两个方面，其中网格规模以100-200万为宜，太大则仿真效率很低、太小则切屑形态不好，另外切屑区域单元类型最好以正六面体为主，其它区域一定要做好过渡。

输出状况主要包括输出帧数选择和输出变量确定两个方面，其中输出帧数要根据振动周期来确定，一般来说一个周期50-100帧效果较好，而输出变量要根据评价标准来确定，比如切削力、切削温度、刀工应力、切削功率等。

五、效率评估

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主要包括：模型尺寸、去除体积、网格状况、输出状况。

切削仿真是高度非线性过程，具体包括材料非线性、几何非线性和接触非线性，同时伴随着工件材料的损伤，因此工况复杂、效率低下。而有些制造类企业（比如3C刀具企业）的产品周期又很短，因此我们有必要对模型的效率进行综合评估，从而尽快确定项目周期，为产品研发以及招投标做好前期准备。本文将从以下四个方面对切削仿真模型的效率进行评估，具体包括模型尺寸、去除体积、网格状况、输出状况。

首先来看模型尺寸，切削仿真模型主要包括两个部分，一个是切削区域，另一个是非切削区域，其中切削区域包括工件的部分区域和刀尖区域（即刀具的部分），非切削区域又包括工件部分区域和刀具的整体或部分区域。对于微观切削仿真，即只考虑切屑形态或者刀尖应力或一个振动周期的情况下，我们可以将几何模型简化为仅包括切削区域和刀尖附近区域以及仅包含一个振动周期特性的模型，这样可以大大减小网格规模，提高仿真效率；对于宏观切削仿真，比如要考虑工件变形以及振动周期或刀具旋转圈数较多时，就只能将考察范围内的模型都建出来，这样为了保证仿真效率就只能将网格尺寸适当放大以降低网格规模。

其次我们来看去除体积，也就是切屑体积，这是决定切削仿真模型规模和求解效率的关键因素。关注“切削仿真产学研平台”公众号了解更多干货。

切削仿真模型中，切屑体积由工件尺寸、切削时间、每转进给量、刀具旋转圈数以及振动周期数等综合因素来确定，比如钻削和车削仿真时，切屑体积就相对大些，而对于铣削仿真，侧铣时切屑体积一般小于槽铣或立铣。

最后，我们来看输出状况，主要包括输出变量和输出帧数。我们会根据评价标准来输出相关的变量，一般以云图或曲线的形式来体现，输出变量越多，求解过程中待解的方程组也越多，因此仿真效率也越低。同时也需要根据输出细节来确定输出帧数，一般来说周期数越少、刀具旋转圈数越少以及每转进给越小，要想考虑振动、旋转或排屑过程中的细节问题就必须设置足够多的输出帧数，这时切削仿真效率也会大大降低。

六、算力测试

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主要包括：质量缩放、求解线程、并行计算、硬件配置。

模型算力预测，顾名思义就是要确定满足切削仿真模型所需要的计算能力，以及提高切削仿真效率常用的方法手段。因此，在建完切削仿真模型同时客观评估求解效率之后，正式提交计算之前要对模型的算力进行测试，目的是为了预估仿真时间、确定硬件配置以及求解参数。那么在基础模型已经确定的前提下，还有哪些方法可以极大的提高切削仿真效率呢？下面我们从以下四个方面展开讨论，主要包括：质量缩放、求解线程、并行计算、硬件配置。关注“切削仿真产学研平台”公众号了解更多干货。

首先来看质量缩放，采用质量缩放技术的确可以提高切削仿真效率，但是过大的质量缩放系数反而会降低模型的稳定性从而产生诸如单元畸变等报错，同时也会使计算结果的误差增大，因此质量缩放有必要使用，但是一定要慎用。

其次，我们说下求解线程数。在相同CPU主频的前提下，高线程数也可以提高切削仿真效率，但是由于模型对线程数的需求与网格规模以及工况复杂程度有关，因此也并不是线程数越多效率越高。一般的切削仿真模型，建议采用16-20线程为宜，当然如果主频很高的话，线程数可以相对低些。

再次，我们说说并行计算，实际上在仅使用windows系统的情况下，准确的说应该叫做多任务数提交。比如，我们想做不同频率下的振动钻削仿真工艺优化，同时提交四个文件，每个文件采用20线程进行求解，总计需要80线程。其实这只是切削仿真模型对计算资源的需求，要想顺畅的跑完这四个文件，工作站的总线程数一定要高于80线程，同时要配备足够大的内存和显存，如果显存不够的话，那对内存的要求将会更高，200万网格规模情况下，一般对内存的需求可达192G以上。

最后，我们说下硬件配置。企业级切削仿真模型是必须采用工作站来进行计算的，同时对工作站的处理器主频、线程数以及硬盘、内存和显卡的要求都很高，同时还要有很好的散热系统、低功耗的电源，否则求解时噪声很大、电费很高。

领航科工历时五年进行了上万个企业级模型的调试，得出以下结论：

1、大型切削仿真模型结果文件一般都是100-200G左右，如果一次对比四个工况，那总文件就将近一个T，因此硬盘容量必须以T为单位的，比如16T；

2、大型或巨型切削仿真模型对CPU的主频要求是第一位的，如果主频能达到4.2GHz以上，那单个模型的求解效率就会很高，同时考虑多工况同时对比分析，因此对线程数也有很高要求，一般来说104线程就是不错的选择；

3、由于在切削仿真过程中经常要输出云图、曲线和动画等信息，因此对显卡的要求也很高，一般需要12G或更高，如果显卡不够大，那内存就要很大，比如128G以上；

4、电源和风扇是决定电费和工作噪声的关键硬件，如果采用1000W以上的电源，那么对于企业来说，每天的电费近50元，因此电源功率最好控制在750W以下，同时配备良好的CPU、显卡风扇以降低求解噪声。关注“切削仿真产学研平台”公众号了解更多干货。

全文总结

本文以振动加工为切入点，从企业应用场景出发为大家分析了切削仿真技术在工艺优化和装备研发中的具体应用，同时在对振动加工应用场景进行全面分析的基础上针对常见的切削工艺方式建立了相应的评价标准。在此基础上，结合通用软件的基本功能，从工艺参数输入、切削时间确定以及振动和工艺耦合等几个方面分别确定了技术实现方案。

其次又根据企业问题，以网格规模和输出变量为指标介绍了切削仿真模型设计的基本思路，同时阐述了网格规模和输出帧数与振动参数、工艺参数之间的耦合关系。

最后又从效率和算力两个方面对切削仿真模型进行了全方位的预估，这些都将为单个模型的求解以及多工况切削仿真模型对比分析提供理论的指导，同时也为振动加工仿真工艺优化和振动装备及刀具研发提供有力的支持。

硬脆材料超声振动加工机理及仿真工艺优化解决方案

1必要性

随着航空航天产品对整体性能的不断追求，许多比强度高、结构刚度低的零件如细长轴结构、深小孔结构、薄壁结构、榫头榫槽结构等难加工结构的使用逐渐增多。这类弱刚度零件在切削加工过程中经常会发生变形、失稳和颤振现象，因此加工质量难以保证。

超声波振动切削是把超声波振动的载荷有规律地加在刀具上，使刀具周期性地切削工件的加工技术，同时因具有减小切削力、降低切削温度和改善加工表面质量等优异性能而广泛应用于车削、铣削、钻削和磨削等机械加工工艺中。

因此，开展各类硬脆材料超声振动加工机理的仿真研究有利于从仿真角度揭示振动加工机理，同时在产品研发阶段就对振动切削工艺过程进行仿真优化，从而为企业降低成本、提高效率。

2项目内容

1）结合超声加工装备的振动特性确定超声加工的振幅和频率范围，同时建立超声振动加工仿真有限元模型，并对模型的算力、效率、和稳定性进行优化。

2) 对超声振动加工材料去除机理进行系统的仿真分析。主要包括：振动频率对切削加工性能（切削力、切削温度和工件质量）的影响；超声振幅对切削加工性能的影响；振动频率和超声振幅的耦合关系对切削加工性能的影响。关注“切削仿真产学研平台”公众号了解更多干货。

3）采用仿真的方式系统的研究各类硬脆材料超声振动加工过程中切削温度、切削力以及工件质量随切削条件（振动频率、振幅、切削速度、切削深度、进给量）的变化规律，同时确定超声振动加工对切削力、切削温度、加工效率以及工件质量的综合影响，从而对各类硬脆材料超声振动切削加工进行全方位的仿真工艺优化；关注“切削仿真产学研平台”公众号了解更多干货。硬脆材料超声振动加工仿真工艺优化方案如图1所示：

图1、硬脆材料超声振动加工仿真工艺优化解决方案

3研究目标

根据超声振动切削的特定场景建立有限元仿真模型，同时将切削力、切削温度以及表面质量等作为评价标准，在此基础上对超声振动加工过程进行机理分析以及全方位的仿真工艺优化，具体研究目标如下：

1）建立超声振动切削仿真实验平台，针对各类硬脆材料开展大量的振动切削仿真研究，并通过后处理技术输出不同振动频率和振幅下的切屑形态和工件表面形貌，为后续揭示材料去除机理奠定基础。

2）开展各类硬脆材料超声振动加工材料去除机理研究，分析材料的变形及去除过程，并在此基础上进行模拟切削加工的划痕仿真，揭示该材料的去除特性，为后续工作开展提供理论支持。

3）从振幅和频率耦合的角度出发，研究振动参数对加工质量的影响，从而得到振幅和频率的最佳组合。

4）通过单因素和正交仿真实验，优化超声振动切削工艺参数，从而得到最佳的工件表面质量和最高的切削加工效率所需的振动工艺参数。

4项目指标

1）建立硬脆材料超声振动切削仿真有限元模型，同时进行模型的效率和质量优化。

2）揭示硬脆材料超声振动切削加工材料去除机理，同时得到振幅和频率的最佳耦合关系。

3）根据仿真结果撰写硬脆材料超声振动切削加工仿真工艺优化报告。

编辑：金程 校对：张彤

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