| 工件的表面質量是衡量機械加工過程的重要目標，它包括表面幾何學與表面層材質兩方面的因素。目前在研究機械加工物理仿真的過程中，工件表面形貌的分析與預測已成為動態(tài)車削加工過程模型的重要組成部分。利用該模型對車削加工過程進行物理仿真，可以在實際加工過程之前預測與分析工件的加工表面質量，可達到分析加工過程與指導實際生產的目的。
 圖1 靜態(tài)切削工件表面形貌
1 動態(tài)車削表面質量模型的建立
影響表面質量的確定性因素與不確定因素
在切削加工過程中，影響工件表面形貌的主要因素有：刀尖部分的幾何形狀、刀具與工件之間的相對運動即刀具的進給運動以及切削振動產生的刀具與工件之間的相對位移等運動。在理想穩(wěn)態(tài)切削過程狀態(tài)下，刀具刀尖由于進給運動在工件表面上形成重疊痕跡，形成工件的已加工表面，因此刀具進給量f與刀具圓弧半徑rb是影響表面粗糙度的主要因素。因在切削過程中刀具進給量f與刀具圓弧半徑rb為確定值，故屬確定性影響因素。工件表面形貌如圖1所示。
這時工件表面的微觀不平度也稱為理論粗糙度R1為
R1=rb-(rb2-f2/4)½
(1)
 圖2 動態(tài)切削工件表面形貌
在實際加工的切削過程中，特別是在動態(tài)切削狀態(tài)下，由于切削振動的存在，使刀具與工件發(fā)生了相對運動，影響了工件的表面形貌特征。因此工件的表面形貌除要考慮理論粗糙度外，還要考慮動態(tài)切削的各項特征與相關因素的影響。此時由于工件微觀硬度不均勻、刀具磨損及旋轉精度誤差等因素的存在，使切削過程產生力的波動，刀具偏離理想切削位置而形成動態(tài)切削狀態(tài)下的工件表面質量。這些干擾因素具有隨機性和不確定性的特點，是影響工件表面質量的又一重要方面。其微觀表面形狀特征如圖2所示。
切削振動與工件表面質量之間的關系
對于外圓車削，刀刃以切削速度和進給量為參數的螺旋線軌跡進行切削運動，同時伴隨以刀具與工件之間的相對位移。在刀具的進給方向上，相鄰兩個切削刀刃所在圓弧的交點的高度就可作為衡量工件表面粗糙度的微觀不平度高度的參數，該參數由兩相鄰刀刃軌跡的交點縱坐標inty和刀刃圓弧深度disp決定。其中圓弧深度為刀具與工件相對振動量對參考線的縱坐標數值，而inty值則由計算兩相鄰圓弧所在圓的交點坐標確定。
表面質量模型
根據以上分析，在進給方向上的微觀不平度的平均高度Ra為
Ra=
n
S
i=1
intyi
n
(2)式中：n為進給方向上刀刃圓弧數量：intyi則是上文提到的兩相鄰切削圓弧交點的縱坐標值。
2 車削工件表面質量仿真系統(tǒng)的實現過程
基于以上車削表面質量仿真模型，我們建立了車削工件表面質量仿真系統(tǒng)，圖3為表面質量模型的實現過程圖。這同時也是車削物理仿真系統(tǒng)的重要的有機組成部分，該系統(tǒng)的實現與整個車削物理仿真系統(tǒng)有密切關系。
 圖3 車削物理仿真系統(tǒng)表面質量模型的實現過程
在形成動態(tài)車削的多種干擾因素中，工件微觀硬度的差異對切削過程有著重要影響，我們將其作為仿真系統(tǒng)發(fā)生動態(tài)變化的起因。由于切削材料的硬度直接影響瞬時切削力的大小，工件硬度變化引起切削力的變化進而產生工件與刀具之間的相對位移，再加上刀尖部分由于進給運動在工件表面重疊的結果，使工件在微觀上形成凸凹不平的表面，形成被切削工件的加工表面。由于工件微觀隨機硬度符合正態(tài)分布，因此前者對表面質量的影響是一個隨機的過程，屬于不確定因素。由切削振動模型可以得到切削圓弧振動深度disp，然后求出相鄰兩個切削圓弧的交點坐標，最后由式(2)得出Ra的數值。
3 關于表面質量模型的說明
我們開發(fā)的動態(tài)車削加工表面質量仿真模型將工件的微觀硬度差異作為車削過程的主要干擾因素，考慮到刀具進給運動對工件表面的重疊效果和工件材質這兩方面的影響因素，而對另外兩個影響表面質量的因素，即刀具磨損和機床主軸旋轉精度誤差未加以考慮，作為一種開放式由VC++面向對象方法開發(fā)的仿真系統(tǒng)，本系統(tǒng)可以在充分考慮主干擾因素的基礎上，將實際動態(tài)車削過程中存在的其他復雜干擾因素逐一的進行增加和補充，將其作為系統(tǒng)的輔助及補充模塊，進一步完善系統(tǒng)，使仿真結果與實際情況更加一致。
4 結論
為建立車削表面質量仿真模型，除應考慮進給量和刀刃圓弧形狀外，工件與刀具之間的相對振動也是影響工件表面質量的重要因素。
適當減小進給量，增加刀尖圓弧半徑及降低車削過程中的相對振動都能達到提高表面質量的目的。
綜合考慮各種造成相對振動的干擾因素將會提高仿真模型的質量，增強模型與實際的擬合程度。
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