加工过程仿真技术在本科教学中的思考与实践

刘宇　别海楠

摘 要 随着计算机技术的发展和应用，加工过程仿真技术越来越受到业界的重视。本文研究了加工过程仿真技术在演示金属切削加工过程中的应用，旨在通过这种方式加强学生对于金属切削加工过程的理解，同时让学生了解加工过程仿真技术在实际过程中的应用，激发学生的学习热情，在学习好理论的基础上学会应用加工过程仿真技术进行分析，营造一种积极向上的课堂氛围，达到理想的授课效果。

关键词 金属切削加工 有限元 Deform 教学改革

中图分类号：G642 文献标识码：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

金属切削加工技术仍然是机械制造行业的主要加工方法。它通过刀具和工件的相互作用去除工件表面的多余材料，以获得理想的加工形状、加工精度和表面质量的工件。因此，金属切削加工技术在本科生的教学工作中占有重要的地位，机械类本科生都开设有关于数控机床、机械加工制造技术等相关课程。随着技术的发展，越来越多的数控仿真软件的出现使本科生在数控机床操作水平上有了很大的提升，但是对金属切削过程中涉及的理论并没有很大改观。现在许多专家学者都对金属切削过程进行了研究，但是由于切削过程的复杂性，还没有统一的理论来解释加工过程中的各种物理现象，这对本科生对加工过程的理解造成了一定的困难。而加工过程仿真技术的出现为这一问题带来了转机，本文主要研究加工过程仿真技术在演示切削加工过程方面对于本科生教学工作的帮助。

1 有限元仿真技术

有限单元法（Finite Element Method，  FEM）是一种以计算机为手段，通过离散化将研究对象变换成一个与原结构近似的数学模型，再经过一系列规范化的步骤以求解应力，应变和位移等参数的数值计算方法。它是一种通用的近似计算方法，也是解决工程实际问题的强有力的数值计算工具。目前，有限元法在航空，航天，机械，汽车，铁路，船舶，交通，建筑，电子，地质矿产，水利水电，石油化工，生物医学以及科学研究领域得到了非常广泛的应用，并越来越受到业界的高度重视。

现在较为流行的有限元分析软件有ANSYS、ABAQUS、Deform和AdvantEdge等，这些软件对研究金属切削过程中的温度、切屑形状、刀具应力等提供了良好的前后处理和求解环境。各个有限元软在单元、建模、材料模型和自适应网格能力等方面具有各自的特点和优势。因此为了有效地模拟切削过程中所关心的方面和问题，需要综合考虑分析问题的难易程度和仿真结果表现形式等多方面的因素，合理地选择有限元分析软件。

2 加工仿真实验平台建设

2.1 系统组成

该实验平台由一台小型车床和自组的小型铣床以及装有Deform软件的微机组成。车床和铣床的作用在于演示车刀和铣刀与工件作用的物理过程，观察特定加工条件下的切屑和工件表面状态，同时也是有限元的仿真数据（如刀具尺寸，切深、背吃刀量等）的来源，仿真结果实际上相当于对实际物理过程的一个“慢放”，让学生能够仔细观察刀具去除多余材料的过程，明白其作用机理。

Deform软件是SFTC公司生产的一款商业有限元软件，它专注于金属成型和加工工艺过程的仿真，可以实现车、铣、钻、锻压等多种加工形式的仿真，同时也可以对材料的正火、退火、淬火等工艺流程进行仿真分析。它的优点如下：

（1）界面交互性好，与其他有限元软件相比，Deform软件为用户考虑，在一个界面就可以定义好所有需要参数，设置参数的位置清楚明了。

（2）操作性好。Deform软件包含了大量的材料库，材料数据不必再自己去寻找，而且设定网格数量后可以自动划分网格，在运行过程中出现大的变形量（如切屑去除过程）时可自动的进行网格的重划分，不需要人工干预。相比于其他的有限元软件，Deform在前处理过程中可以自动定义物体的边界条件，需要设定的参数量很少。

（3）后处理功能丰富。具有点迹示踪、变形、云图、矢量图、力—行程曲线等多种功能，而且具有2D的切片功能，可以显示工件或者刀具的剖面结果。

因此选择Deform作为有限元分析软件，但是必须提前用CAD软件绘制好刀具和工件的三维模型，然后导入Deform进行分析。（如图1所示）

（a）                                         （b）

图1 Deform仿真示意图（a为铣削，b为车削）

2.2 试验台在教学中的作用

本科生课程中的金属加工常常以车削为例，讲解前刀面、后刀面以及各个倾角对加工过程的影响，这些知识理论性太强，学生看到这些内容并不能与真正的加工过程联系起来，因此对这一部分的知识总是抱着死记硬背的态度，并没有认真对待。而有的学校有条件带学生参观真正的加工过程，但是由于机床转速过高，加工过程很快就完成了，人肉眼无法观察清楚整个过程，人靠近观察还有可能产生一定的危险，而且耗费加工材料和刀具，针对上述情况，有限元仿真是一个较好解决该问题的方法。

有限元仿真是对实际过程的近似，只要输入正确的模拟参数，其结果与实际过程极为接近。该实验平台将仿真过程与实际加工过程相结合，由老师选定加工工况，通过有限元仿真的结果演示，让学生明白加工过程是如何运作的，然后再用实际加工过程作对比，达到验证的目的。

2.3 实验平台建设实践

2.3.1 实验手册的编写

由于金属加工过程涉及到很多的影响因素，而且仿真计算过程花费时间过长，授课老师并不能在短短的课堂上一一呈现，因此将仿真的过程建立成为实验手册，分别对不同的影响因素进行仿真，由老师演示一部分，另外的部分由学生自行根据手册进行仿真学习，在熟悉有限元软件的过程中了解有限元解决实际问题的过程。

2.3.2 助教的设立

由于有限元仿真软件需要一定时间的学习，授课老师可能没有时间，或者与该研究方向不相符，因此需要设立助教进行有限元软件的操作及课堂演示视频的制作。助教可以由研究金属加工有限元仿真方向的研究生或者由授课老师设立专人来担任。助教首先要熟悉有限元软件的操作过程，然后与授课老师进行沟通，针对本科教学的授课目的，选择具有代表性的工况进行有限元仿真，并将结果做成演示视频等易于在课堂展示的方式。对于操作过程中遇到的问题要做到心中有数，同时做好与同学的交流工作，能够积极回答学生的疑问。

3 加工仿真技术本科生教学实践的思考

加工过程仿真技术是对本科生在金属切削加工教学方面的一个说明和补充，可以生动形象地说明金属切削过程中刀具和工件相互作用的过程和机理，改变以往公式加配图的教学方式，使整个课本“动”起来，更能激发出学生的好奇心和学习兴趣，同时提升学生对加工过程仿真技术的应用，确立学生以加工过程仿真技术辅助学习的方法。由于实验平台建设时间较短，在整个实践过程中仍有许多值得我们思考的地方。

3.1 应用扩展

（1）有限元仿真技术对于本科生来说是一个演示说明的过程，但是对于研究生来说是进行研究的一个必不可少的手段。但是研究生有需求时常独立进行摸索学习，效率低而且耗费时间，许多疑问也得不到解答。因此对于研究金属加工过程的研究生来说，也可以组织起来进行有限元仿真软件的操作教学，帮助他们快速熟悉掌握该软件，尽快进入研究工作。

（2）通过blackboard平台建立与学生交流的通道，可以在平台上放置一些仿真过程的演示视频，帮助学生进行实验的学习，同时在平台上建立与学生交流的通道，学生在使用仿真软件过程中遇到的问题或者在学习上遇到的问题都可以与助教进行沟通，对于学生的要求，助教进行汇总后与授课老师合作，改进课程教学计划，使教学过程更进一步。

3.2 下一步的工作

有限元方法的优点是对过程的离散化，可将每一步清晰的表现出来，但是这也注定了有限元的求解过程比较缓慢，并不适合当场演示操作过程，只能对仿真的结果进行加工制作，制作成视频等这些易于演示的方式，导致效率低下，不能对金属切削加工的所有情况进行演示。针对这种情况可以发动本科学生中对有限元仿真比较感兴趣的学生，或者实验做得比较好的学生做一些特定条件下的加工仿真操作，吸收到教学演示过程中，可安排这些学生进行相应章节的讲解等教学工作。

Deform是一款功能强大的软件，观察仿真结果时还伴随着很多的数据，这些数据并没有在教学工作中得到很好地利用，比如切削温度分布图、应力应变分布图、速度分布图等，这些都应该加以合理的应用，融入到教学工作中来。

4 结束语

加工仿真技术是以有限元仿真技术为核心，以提升学生对金属切削加工过程的理解为目的而建立起来的，并与本科的教学工作相互补充，使学生在学习理论的基础上对加工过程有一个清晰的认识，并提升学生对于有限元分析方法的认识，增强学生用有限元方法解决问题的能力。该课程改革仍处在探索研究阶段，可以根据课程需要和教学目的的不同进行调整，在本科生教学工作中必将发挥更大的作用。

参考文献

[1] 王晓军.航空航天结构中有限元方法理论与实践的教学衔接.科教导刊，2012.

[2] 李伟民.deform5.03金属成形有限元分析实例指导教程.机械工业出版社，2007.

[3] 徐看.金属切削过程有限元仿真技术研究.工具技术，2013.

[4] 魏保立.数控加工仿真软件在教学中的合理应用.科技信息，2008.

[5] 李忠新.机电基础实验教学平台建设的实践与思考.科教导刊，2014.