振動加工可以在一定程度上減小切削力、改善加工質量，但是在工藝最佳化和裝備研發過程中，大量的實驗會增加研發成本，同時特殊工況下的研發需求很難透過實驗來完成，即使能完成但是成本很高或者風險很大。比如振幅和頻率的耦合關係對加工質量的影響、極限頻率和振幅下加工效果的測試以及振動鑽孔的排屑觀測等。
而透過振動切削模擬技術來最佳化振動工藝、研發超聲裝備可以最大限度的減少試切次數，解決深孔振動鑽削切屑形態觀測難等問題，同時在一定程度上避免由於實驗測試過程中頻率過高或振幅過大而燒壞振動裝備中線圈的問題。
本文以切削模擬為切入點，結合振動加工的應用場景，從評價標準、技術實現、模型設計等不同角度出發，對振動切削模擬的核心技術進行了經典的總結，同時對模擬模型的效率評估以及算力預測進行了深入的剖析，總共分六個方面，詳情如下。
一、應用場景
01
主要包括：
機理分析、裝備研發、材料試切、引數除錯
透過和清華大學師生以及深圳市青鼎裝備有限公司等國內知名高校和超聲精密加工企業的研發人員交流得知，切削模擬技術在振動加工領域主要有以下應用場景，機理分析、裝備研發、材料試切、引數除錯。關注“切削模擬產學研平臺”公眾號瞭解更多幹貨。
其中機理分析主要包括：斷屑機理、超聲去除機理、振幅頻率耦合機理、振動引數和工藝引數耦合機理等；裝備研發主要是在設計超聲大功率電源以及變幅杆的過程中，可以透過振動切削模擬技術對振幅、頻率以及功率等極限引數進行試錯，以避免試驗帶來的風險和損失；利用超聲加工機床可以對鈦合金以及碳化矽等不同力學特性的材料進行切削或磨削加工，但是由於這些材料的硬度、韌性不同，因此在加工過程中工件對於振動裝備所起到的反饋效果也不同，同時在振動引數、工藝引數、機床特性以及材料特性的綜合影響下，也會得到不同的加工效果，如果都透過試切的方式進行驗證和最佳化，無疑會增加時間和材料成本，而透過模擬技術可以在一定程度上減少試驗及引數除錯次數，同時從切削載荷、刀工應力、輸出能量等各個方面對切削效果進行評價。
二、評價標準
2
主要包括：
切屑形態、切削溫度、刀工應力、切削載荷。
眾所周知，振動加工可以在一定條件下減小切削力、改善工件表面質量，然而如果只採用這兩個標準對切削效果進行評價則不足以對振動切削加工過程中諸多因素耦合作用下的加工效果進行全面表徵。
同時由於通用軟體具有強大的後處理功能，因此我們可以從切削形態、切削溫度、刀工應力、切削載荷以及切削能量等方面對加工過程進行合理評價，從而從各個角度來揭示超聲加工機理、最佳化超聲裝備。關注“切削模擬產學研平臺”公眾號瞭解更多幹貨。
比如深孔振動鑽削過程，如果採用試驗的方式進行試切，我們就無法看到孔內切屑形態的變化同時也無法精準捕捉斷屑時刻的切屑形態，更難以對振幅和頻率耦合作用下的切屑形態進行對比分析；再比如要考慮切削功率以及溫度對振動加工效果的影響，在試驗過程中我們就要新增熱電偶以及熱像儀以及測力儀等裝置，這些裝置一方面費用很高，另一方面在安裝和除錯過程中的精度也會受實驗人員的經驗影響，而採用模擬的方法就可以在一定程度上避免這些因素的影響，當然對模擬軟體的使用者的學歷、知識層次以及工程經驗等也會提出很高的要求。
三、技術實現
3
主要包括：
輸入引數、確定時間、振動耦合、工藝耦合。
在根據振動加工的應用場景確定好評價標準後，下一步就要結合通用軟體的基本功能，考慮各項引數、耦合關係以及評價標準在技術上如何實現才能確保切削模擬模型的效率和質量。
下面我們從輸入引數、模擬時間、振動耦合、工藝耦合等四個方面分別闡述。先來看輸入引數，主要包括材料引數、切削工藝引數以及振動工藝引數等，其中材料引數主要是失效引數要和網格尺寸相匹配，而在確定工件網格尺寸時要重點考慮切削工藝引數以及振動工藝引數的耦合關係。
比如：如果進給量很小，那網格尺寸也應該很小，而如果再考慮振動切削，那振幅就應該是微米級的，所以網格尺寸也應該是幾微米或者幾百奈米，這樣總體網格規模就會很大，所以一定要簡化模型、控制網格規模以確保模擬效率。關注
“切削模擬產學研平臺”
公眾號瞭解更多幹貨。同時切削引數和振動引數也要經過相應的轉化才能輸入通用模擬軟體，比如位移、速度、角速度等，振動引數就需要採用幅值曲線的方式來輸入，尤其是振幅和頻率的換算，這一點尤為重要。
就切削模擬效率來說，影響因素主要有兩個，一個是網格規模，另一個就是切削時間。超聲振動切削，頻率基本是幾萬赫茲，因此要想透過模擬觀測到有規律的振動特性就一定要控制好切削時間，否則效率會很低，一般幾個週期即可。比如2萬赫茲，如果我們模擬十個週期，那切削時間就是0。0005秒，在這段時間內刀具旋轉幾圈、進給了多少距離則需要透過工藝引數來換算。
四、模型設計
4
主要包括：
分析場景、確定標準、劃分網格、輸出狀況。
在對應用場景和評價標準中的模擬技術進行系統分析後，下一步就要根據這兩點開展振動切削模擬的模型設計。除去材料引數賦予、刀工模型裝配以及接觸和邊界條件設定等環節以外，其核心內容主要包括網格劃分和變數輸出兩個方面。
其中
網格劃分
又包括網格規模確定以及單元型別選擇兩個方面，其中網格規模以100-200萬為宜，太大則模擬效率很低、太小則切屑形態不好，另外切屑區域單元型別最好以正六面體為主，其它區域一定要做好過渡。
輸出狀況
主要包括輸出幀數選擇和輸出變數確定兩個方面，其中輸出幀數要根據振動週期來確定，一般來說一個週期50-100幀效果較好，而輸出變數要根據評價標準來確定，比如切削力、切削溫度、刀工應力、切削功率等。
五、效率評估
5
主要包括：模型尺寸、去除體積、網格狀況、輸出狀況。
切削模擬是高度非線性過程，具體包括材料非線性、幾何非線性和接觸非線性，同時伴隨著工件材料的損傷，因此工況複雜、效率低下。而有些製造類企業（比如3C刀具企業）的產品週期又很短，因此我們有必要對模型的效率進行綜合評估，從而儘快確定專案週期，為產品研發以及招投標做好前期準備。本文將從以下四個方面對切削模擬模型的效率進行評估，具體包括模型尺寸、去除體積、網格狀況、輸出狀況。
首先來看
模型尺寸
，切削模擬模型主要包括兩個部分，一個是切削區域，另一個是非切削區域，其中切削區域包括工件的部分割槽域和刀尖區域（即刀具的部分），非切削區域又包括工件部分割槽域和刀具的整體或部分割槽域。對於微觀切削模擬，即只考慮切屑形態或者刀尖應力或一個振動週期的情況下，我們可以將幾何模型簡化為僅包括切削區域和刀尖附近區域以及僅包含一個振動週期特性的模型，這樣可以大大減小網格規模，提高模擬效率；對於宏觀切削模擬，比如要考慮工件變形以及振動週期或刀具旋轉圈數較多時，就只能將考察範圍內的模型都建出來，這樣為了保證模擬效率就只能將網格尺寸適當放大以降低網格規模。
其次我們來看
去除體積
，也就是切屑體積，這是決定切削模擬模型規模和求解效率的關鍵因素。關注“切削模擬產學研平臺”公眾號瞭解更多幹貨。
切削模擬模型中，切屑體積由工件尺寸、切削時間、每轉進給量、刀具旋轉圈數以及振動週期數等綜合因素來確定，比如鑽削和車削模擬時，切屑體積就相對大些，而對於銑削模擬，側銑時切屑體積一般小於槽銑或立銑。
關注“切削模擬產學研平臺”公眾號
瞭解更多幹貨。
其實是網格狀況，主要包括網格規模和單元型別。網格規模越大則模擬效率越低，同時二階單元比以階單元的效率低，四面體單元比六面體單元的效率低。而影響網格規模的因素也很多，除了切屑體積和切削時間外，工藝和振動引數也會在一定程度上影響網格規模。比如每轉進給量較小時，為了能體現每轉範圍內的排屑形態，那就要在進給方向上佈置足夠多的網格層數，因此網格規模也會大大增加；同時要想看到每個振動或刀具旋轉週期的排屑細節和斷屑過程，也需要在既定的時間和空間內佈置足夠的網格數量。
最後，我們來看輸出狀況，主要包括輸出變數和輸出幀數。我們會根據評價標準來輸出相關的變數，一般以雲圖或曲線的形式來體現，輸出變數越多，求解過程中待解的方程組也越多，因此模擬效率也越低。同時也需要根據輸出細節來確定輸出幀數，一般來說週期數越少、刀具旋轉圈數越少以及每轉進給越小，要想考慮振動、旋轉或排屑過程中的細節問題就必須設定足夠多的輸出幀數，這時切削模擬效率也會大大降低。
六、算力測試
6
主要包括：質量縮放、求解執行緒、平行計算、硬體配置。
模型算力預測，顧名思義就是要確定滿足切削模擬模型所需要的計算能力，以及提高切削模擬效率常用的方法手段。因此，在建完切削模擬模型同時客觀評估求解效率之後，正式提交計算之前要對模型的算力進行測試，目的是為了預估模擬時間、確定硬體配置以及求解引數。那麼在基礎模型已經確定的前提下，還有哪些方法可以極大的提高切削模擬效率呢？下面我們從以下四個方面展開討論，主要包括：質量縮放、求解執行緒、平行計算、硬體配置。關注“切削模擬產學研平臺”公眾號瞭解更多幹貨。
首先來看質量縮放，採用質量縮放技術的確可以提高切削模擬效率，但是過大的質量縮放係數反而會降低模型的穩定性從而產生諸如單元畸變等報錯，同時也會使計算結果的誤差增大，因此質量縮放有必要使用，但是一定要慎用。
其次，我們說下求解執行緒數。在相同CPU主頻的前提下，高執行緒數也可以提高切削模擬效率，但是由於模型對執行緒數的需求與網格規模以及工況複雜程度有關，因此也並不是執行緒數越多效率越高。一般的切削模擬模型，建議採用16-20執行緒為宜，當然如果主頻很高的話，執行緒數可以相對低些。
再次，我們說說平行計算，實際上在僅使用windows系統的情況下，準確的說應該叫做多工數提交。比如，我們想做不同頻率下的振動鑽削模擬工藝最佳化，同時提交四個檔案，每個檔案採用20執行緒進行求解，總計需要80執行緒。其實這只是切削模擬模型對計算資源的需求，要想順暢的跑完這四個檔案，工作站的匯流排程數一定要高於80執行緒，同時要配備足夠大的記憶體和視訊記憶體，如果視訊記憶體不夠的話，那對記憶體的要求將會更高，200萬網格規模情況下，一般對記憶體的需求可達192G以上。
最後，我們說下
硬體配置
。企業級切削模擬模型是必須採用工作站來進行計算的，同時對工作站的處理器主頻、執行緒數以及硬碟、記憶體和顯示卡的要求都很高，同時還要有很好的散熱系統、低功耗的電源，否則求解時噪聲很大、電費很高。
領航科工歷時五年進行了上萬個企業級模型的除錯，得出以下結論：
1、大型切削模擬模型結果檔案一般都是100-200G左右，如果一次對比四個工況，那總檔案就將近一個T，因此硬碟容量必須以T為單位的，比如16T；
2、大型或巨型切削模擬模型對CPU的主頻要求是第一位的，如果主頻能達到4。2GHz以上，那單個模型的求解效率就會很高，同時考慮多工況同時對比分析，因此對執行緒數也有很高要求，一般來說104執行緒就是不錯的選擇；
3、由於在切削模擬過程中經常要輸出雲圖、曲線和動畫等資訊，因此對顯示卡的要求也很高，一般需要12G或更高，如果顯示卡不夠大，那記憶體就要很大，比如128G以上；
4、電源和風扇是決定電費和工作噪聲的關鍵硬體，如果採用1000W以上的電源，那麼對於企業來說，每天的電費近50元，因此電源功率最好控制在750W以下，同時配備良好的CPU、顯示卡風扇以降低求解噪聲。關注“切削模擬產學研平臺”公眾號瞭解更多幹貨。
全文總結
本文以振動加工為切入點，從企業應用場景出發為大家分析了切削模擬技術在工藝最佳化和裝備研發中的具體應用，同時在對振動加工應用場景進行全面分析的基礎上針對常見的切削工藝方式建立了相應的評價標準。在此基礎上，結合通用軟體的基本功能，從工藝引數輸入、切削時間確定以及振動和工藝耦合等幾個方面分別確定了技術實現方案。
其次又根據企業問題，以網格規模和輸出變數為指標介紹了切削模擬模型設計的基本思路，同時闡述了網格規模和輸出幀數與振動引數、工藝引數之間的耦合關係。
最後又從效率和算力兩個方面對切削模擬模型進行了全方位的預估，這些都將為單個模型的求解以及多工況切削模擬模型對比分析提供理論的指導，同時也為振動加工模擬工藝最佳化和振動裝備及刀具研發提供有力的支援。
硬脆材料超聲振動加工機理及模擬工藝最佳化解決方案
1
必要性
隨著航空航天產品對整體效能的不斷追求，許多比強度高、結構剛度低的零件如細長軸結構、深小孔結構、薄壁結構、榫頭榫槽結構等難加工結構的使用逐漸增多。這類弱剛度零件在切削加工過程中經常會發生變形、失穩和顫振現象，因此加工質量難以保證。
超聲波振動切削是把超聲波振動的載荷有規律地加在刀具上，使刀具週期性地切削工件的加工技術，同時因具有減小切削力、降低切削溫度和改善加工表面質量等優異效能而廣泛應用於車削、銑削、鑽削和磨削等機械加工工藝中。
因此，開展各類硬脆材料超聲振動加工機理的模擬研究有利於從模擬角度揭示振動加工機理，同時在產品研發階段就對振動切削工藝過程進行模擬最佳化，從而為企業降低成本、提高效率。
2
專案內容
1）結合超聲加工裝備的振動特性確定超聲加工的振幅和頻率範圍，同時建立超聲振動加工模擬有限元模型，並對模型的算力、效率、和穩定性進行最佳化。
2） 對超聲振動加工材料去除機理進行系統的模擬分析。主要包括：振動頻率對切削加工效能（切削力、切削溫度和工件質量）的影響；超聲振幅對切削加工效能的影響；振動頻率和超聲振幅的耦合關係對切削加工效能的影響。關注“切削模擬產學研平臺”公眾號瞭解更多幹貨。
3）採用模擬的方式系統的研究各類硬脆材料超聲振動加工過程中切削溫度、切削力以及工件質量隨切削條件（振動頻率、振幅、切削速度、切削深度、進給量）的變化規律，同時確定超聲振動加工對切削力、切削溫度、加工效率以及工件質量的綜合影響，從而對各類硬脆材料超聲振動切削加工進行全方位的模擬工藝最佳化；關注“切削模擬產學研平臺”公眾號瞭解更多幹貨。硬脆材料超聲振動加工模擬工藝最佳化方案如圖1所示：
圖1、硬脆材料超聲振動加工模擬工藝最佳化解決方案
3
研究目標
根據超聲振動切削的特定場景建立有限元模擬模型，同時將切削力、切削溫度以及表面質量等作為評價標準，在此基礎上對超聲振動加工過程進行機理分析以及全方位的模擬工藝最佳化，具體研究目標如下：
1）建立超聲振動切削模擬實驗平臺，針對各類硬脆材料開展大量的振動切削模擬研究，並通過後處理技術輸出不同振動頻率和振幅下的切屑形態和工件表面形貌，為後續揭示材料去除機理奠定基礎。
2）開展各類硬脆材料超聲振動加工材料去除機理研究，分析材料的變形及去除過程，並在此基礎上進行模擬切削加工的劃痕模擬，揭示該材料的去除特性，為後續工作開展提供理論支援。
3）從振幅和頻率耦合的角度出發，研究振動引數對加工質量的影響，從而得到振幅和頻率的最佳組合。
4）透過單因素和正交模擬實驗，最佳化超聲振動切削工藝引數，從而得到最佳的工件表面質量和最高的切削加工效率所需的振動工藝引數。
