随着数值计算技术的不断发展，数值仿真已经向多学科方向发展，数字化仿真技术在各个行业的应用也不断向纵深发展，产品切削加工仿真技术在刀具设计、航空航天、汽车行业的应用也逐渐深入。 

切削加工仿真技术是研究解析切削加工过程中的物理现象，通过数值仿真得到切削过程中的切削力、应变、应变率、切屑、刀具温度等数值，对切削参数及刀具进行DOE研究和刀具磨损研究，以及基于切削力、温度等仿真数值对NC程序进行优化。

成立于1993年的Third Wave Systems公司，主要业务是开发和销售有限元切削加工仿真软件，响应了加工市场的这一需求。其产品AdvantEdge FEM采用有限元方法对切削加工过程进行模拟；另一产品Production Module擅长于工艺分析，并基于切削力、温度等仿真数值对NC程序进行优化。

AdvantEdge FEM软件

1、原理和特点

AdvantEdge FEM采用有限元法进行切削过程的物理仿真，作为切削条件输入的内容包括：工件材料特性、刀具几何、刀具材料特性、切削速度、冷却液参数、刀具振动参数、切削参数等。软件通过有限元分析后，获得切削加工过程中的切削力、切屑打卷、切屑形成、切屑断裂、热流、刀具工件和切屑上的温度分布、应力分布、应变分布、残余应力分布等物理特性输出结果。图1所示为3种刀具的切削仿真及切削力比较；图2所示为不同切削参数的切屑形成及温度分布情况。

图1  3种刀具切削仿真及切削力比较

图2  不同切削参数切屑形成及温度分布

AdvantEdge FEM拥有丰富的材料库，包括120种从铸铁到钛合金的工件材料，100种从Carbide、金刚石到高速钢的刀具材料，TiN、TiC、Al2O3、TiAlN涂层材料；可进行丰富的工艺分析，如车削、铣削（含插铣）、钻孔、镗削、拉削等，冷却液侵入、喷射等方式。其刀具磨损仿真主要采用日本的Usui算法；同时具有切削速度、进给量、前角、切削刃圆弧半径参数DOE研究；切削速度、进给量、变换刀具DOE研究；具有丰富的后处理功能。

2、效益分析

在刀具的设计开发中，使用AdvantEdge FEM软件可以研究刀具的涂层、形状、材料，并为刀具推荐切削参数。在实际切削加工中，不照搬刀具厂提供的推荐切削条件，在软件分析的基础上，就能选择出最佳的刀具和切削参数。通过仿真分析提高材料的去除率，优化切削力及温度、切屑形成，减少金属切削中工件的扭曲变形、降低残余应力，提高零件质量和刀具性能，减少现场试切的试验次数和成本。

仿真技术帮助企业提高产品质量、延长刀具寿命、完善加工工艺，显著降低产品制造成本。

Production Module软件

1、原理和特点

Production Module软件是一个工艺分析软件。通过对工件、刀具、材料数据及NC程序的综合分析，可以得到整个加工过程中的切削力、温度等数据。然后，通过优化NC程序中的进给及切削速度来优化加工过程中的切削力、温度等参数。如图3所示。

图3  通过对工件、加工路径、NC程序的综合分析得到整个加工过程中的切削力

通过Production Module优化分析后，可以改进加工过程中切削力、温度，实现负载平衡，降低振动，缩减加工周期。优化后的NC程序可以直接进行加工。

2、效益分析

Production Module软件中的数据库都是通过试验或AdvantEdge分析获得的。输入工件、工件材料特性、刀具参数、G代码/APT代码、机床控制文件，对这些参数进行解析后，能够得到整个加工过程中的切削力、温度、功率等结果。然后，通过自动优化CNC程序功能或优化进给及切削速度参数，优化切削力、温度及加工周期，从而提高生产效率。NC程序优化前后切削力及加工周期的比较。

结语

随着数值计算技术的不断发展，数值仿真已经向多学科方向发展，数字化仿真技术在各个行业的应用也不断向纵深发展，产品切削加工仿真技术在刀具设计、航空航天、汽车行业的应用也逐渐深入。

为满足国内企业对金属切削加工有限元仿真技术应用的需求及引进国外的先进技术，通力有限公司从2006年开始代理美国Third Wave Systems公司金属切削仿真软件，致力于为国内制造业行业提供金属切削仿真有限元解决方案。