基于VERICUT的刀具切削參數的仿真優化

馮松濤，吳玉厚，侯寶佳，趙德宏，張 珂

（1.沈陽建筑大學 交通與機械工程學院，沈陽 110168；2.中國建筑科學院 建筑機械化分院，廊坊 065000）

0 引言

異型石材多功能復合加工中心SYH4608具有八軸雙五聯動數控加工功能，主要用于高檔異型石材制品的加工。然而對于具有復雜曲面的石材制品，經過自動編程生成的刀具路徑和NC程序十分復雜，加工過程中刀具軸矢量變化頻繁。優化加工工藝與切削參數是實現高效數控加工的必需環節，正確合理地選擇切削參數對確保產品質量、提高生產率、降低生產成本起著十分重要的作用。

近年來，隨著數控(NC)技術的普遍應用，以及各種先進制造技術的迅速發展，生產輔助時間大大降低，相應地，切削時間所占的比重就大大提高。因此縮短切削加工時間，對提高生產率起著重要的作用。

加工仿真技術是在實際加工前,通過模擬真實的加工條件，對加工過程進行仿真和預測的一種現代計算機技術。通過VERICUT加工仿真，改進加工程序，優化能夠保證刀軌具有最佳的進給率或主軸轉速，能夠消除多種不必要的因素，如過于保守的進給率、在空程時仍然使用切削進給率等，在最短的時間內生產出高質量的零件，達到切削參數的優化，有有效的實用價值[1]。

本文以異型石材典型的制品——羅馬柱為例,通過使用VERICUT軟件建立的機床虛擬模型對UGNX自動生成的NC加工程序進行加工過程仿真,并進行優化。

1 加工中心仿真建模

1.1 加工中心建模

機床為異型石材多功能復合加工中心SYH4608[2]。Y軸部件為雙立柱進給；X軸為滑鞍，沿橫梁上橫向移動，與Y軸垂直；雕銑頭沿Z1垂直進給，繞B擺動；鋸片車銑頭沿Z2垂直進給，繞C擺動；旋轉工作臺在C軸上；臥式旋轉工作臺在A軸上。

加工中心模型主要由幾何模型和運動學模型組成，要求不僅具有與實際機床類似的外觀，而且其結構與運動方式也要與實際機床相同，然后再建立其它制造資源如刀具、工件和夾具等的幾何模型，指定刀位軌跡或NC程序，并配置相應的參數，最后實現對加工工程的仿直和優化。

圖1 加工中心3D建模

在VERICUT中，使用組件樹(Component tree)描述機床的運動學模型。先建立機床的組件樹，然后再建立其幾何模型（Model），從而得到機床的仿真模型，有利于對整個模型概念的清晰把握，高效率的建模而且不易丟失個別部件，降低日后糾錯的難度。加工中心3D模型如圖1所示：

1.2 模型輔助設置

整個模型完成后，要為其配置控制系統，VERICUT自帶一些通用的控制系統文件，方便選擇，如果控制系統不存在，還可以自己把已有的控制系統加入到控制系統庫文件中。筆者自建沈陽藍天數控NC110系統。根據實際情況選擇刀具,建立刀具庫，添加夾具和毛坯實體，調入加工需要的NC程序，設定相應的參數。

進行加工過程的仿真。仿真時，一方面可以通過對模型進行縮放、旋轉、截切剖面等操作并結合系統提供的LOG日志文件，觀察工件的加工和干涉情況,并進行尺寸測量和廢料計算；另一方面,還可以利用系統提供的AUTO-DIFF模塊，進行加工后模型和設計模型的比較，以確定兩者間的差異以及過切和欠切情況。

2 仿真加工及優化

2.1 設備及刀具

異型石材多功能復合加工中心SYH4608是在國外先進的石材機械發展的前提下，根據國內市場的需求和國際石材機械的發展趨勢，自主研發的加工中心，旨在具有單機多功能化、高速高效化、人性化、環保等多種國際先進水平。本次加工仿真使用，X、Y、Z以及雕銑頭和臥式旋轉工作臺的五軸聯動。以下再做主要參數如下：

1）加工中心：SYH4608車銑復合加工中心，機床額定功率P=13kW，主軸轉速n=8000～12000rpm，進給速度vfmax=0～2250mm/min。

2）工件材料：花崗巖，尺寸為：R250mm×H1300mm。

3）刀具：刀具參數T1為：外徑254mm,齒寬3.2mm，板厚4mm，齒數50T，金剛石鋸片；刀具參數T2為： R=2mm，H=50mm，刀齒數Z=2，金剛石球頭銑刀。

4) 加工要求：加工異型石材典型制品羅馬柱外形柱身，分鋸片開粗和銑刀精加工兩步完成。

2.2 加工仿真

使用VERICUT進行加工仿真，不但能用彩色的三維圖像顯示出刀具切削毛坯形成零件的全過程，還能逼真地顯示刀具、夾具、機床的運行過程和虛擬的工廠環境，在準備工作完成后，通過VERICUT有下角的Reset復位，進行仿真結果如圖2所示。

圖2 加工仿真結果

2.3 刀具軌跡與切削參數優化

通過讀入NC刀具軌跡文件將走刀劃分成許多細小的運動，再根據程序各段的材料去除量，為各段切削設定了最佳進給速度或主軸轉速，輸出了一個等效于原始文件但又改善了進給速度或主軸轉速設置的新的刀具軌跡文件，但并沒有改變刀具軌跡，所以不會出現錯誤的加工結果。

2.3.1 數學優化函數

當工件、刀具、機床參數都確定后,影響生產效率的主要因素為切削速度 νc、進給速度νf、切削深度(軸向切深)ap和切削寬度(徑向切深)ae。

切削速度主要由主軸轉速決定，公式如下：

進給量由沒齒進給 決定，公式如下：

其中，z為齒數，n 為轉速

由公式(1)(2)看出，主軸轉速同時決定切削速度和進給速度。在變量設計上，重點考慮主軸轉速的作用，基于VERICUT的優化設計主要針對生產實踐中常用的最高生產率為目標函數，即最短加工工時，是時間函數 ，公式如下：

其中：

由此推斷出時間函數tw是以主軸轉速n，進給速度vf，切削深度ap，切削寬度ae等4個變量構成的時間函數：

為了正確地進行切削加工參數的優化，應全面考慮切削加工過程中的約束，尤其是主要約束條件不能遺漏，本次研究重點考慮機床功率的約束、切削力的約束 、切削速度約束、表面粗糙度約束等。

切削功率應小于加工中心提供的的有效功率：

其中，Fc為圓周銑削力，Vc為銑削速度，e為機床利用率；

實際切削進給力不能超過最大允許進給力：

其中，Fx為軸向進給力，Fy為徑向經給力，Fmax為最大允許切削力；

切削速度應該滿足加工中心主軸轉速約束：

其中，nmin、nmax分別為加工中心最低和最高主軸轉速；

零件加工要達到其表面粗糙度要求[3]：

其中，Rmax為最大表面粗糙度；rε為刀具刀尖半徑。

2.3.2 優化方法

本研究采用VERICUT的優化模塊進行求解，它的優化設置是用戶可選擇的。根據優化過程所調整加工工藝參數的不同，VERICUT優化模塊提供了五種優化方法:進給速度與深度法、切除率定常法、表面切削速度定常法、空行程切削法以及切削厚度定常法。本研究利用了進給速度與深度法來優化該模型。這種方法是通過VERICUT的Optipath優化模塊，主要優化刀具軌跡管理器來生成一個刀軌優化庫文件。優化刀具軌跡庫實際上是一個可以包含多把刀具及在不同切削參數下的加工工藝的數據庫，利用“Project”樹中的刀具項激活刀具庫文件，選中指定要添加優化的刀具后，“Add” ＞ “Optipath” ＞ “New”激活如圖3所示的刀具軌跡優化窗口，優化參數如圖4所示：

圖3 刀具軌跡優化參數

圖4 優化數據

啟動優化文件，運行加工仿真,輸出優化結果。優化是在刀具移動模擬過程中被同時執行，而且優化后得到軌跡數據被寫入專門的優化刀具軌跡文件中，當模擬過程結束時，優化自動停止。

2.3.3 優化結果分析

仿真優化過程中, 可以隨時變化角度觀察仿真情況，機床的運動狀態完全與實際加工中機床運動狀態相同。優化數據可以通過Status和Graph窗口觀察到，如圖4所示：

復合加工過程中,優化刀具軌跡可平衡各個工步在各個加工階段的切削量,從而平衡刀具載荷,使載荷保持在刀具使用的合理范圍之內,以提高刀具壽命和加工效率。由上圖4觀察得知，仿真優化后，異型石材典型制品——羅馬柱的加工時間由800min縮短為553.99min,提高了加工效率38%。經過優化加工參數后大大減少了切削時間,提高了機床的利用率,取得了較明顯的優化效果。

分析優化后的G-code后,發現仿真主要減少了程序中空走刀,空切時間優化百分比如圖4為20%，并且優化提供了刀具切削運動的速度補償等。通過Graph圖的觀察鋸片加工和球頭銑刀兩部分都得到了優化，相對來說球頭銑刀部分優化較多，主要原因是改精加工部分G-code空走刀比較多，切削量小, 采用環形走刀,走刀時間長。

3 結論

本文基于VERICUT軟件在尺寸標準一致的基礎上，構建了異型石材多功能復合加工中心SYH4608的數字模型，并以典型異型石材羅馬柱為例，進行了加工仿真。通過優化切削參數，獲得合理的進給量和主軸轉速，使工件的加工時間縮短了38%。該方法對縮短切削加工時間，提高生產率起著重要的作用，為降低加工成本提供了有效的途徑。

[1] 李云龍,曹巖.數控機床加工仿真系統VERICUT[M].西安交通大學出版社,2005(9).

[2] 吳玉厚,吳崗,張珂,陸峰,韓麟,蔣昭霞.異型石材多功能數控加工中心關鍵部件的模態分析[J].沈陽建筑大學學報:自然科學版,2009,25(1).

[3] 艾興,肖詩綱.切削用量簡明手冊[M].機械工業出版社,1994.

[4] Chen,Shang-Liang,Wang.Wen-Tsai.Computer aided manufacturing technologies for centrifugal compressor impellers[J].Journal of Materials Processing Technology,2001(9).

[5] 牟小云.基于VERICUT的數控機床建模技術[J].自動化與控制,2008(1).

[6] 周立波,李厚佳,沈永紅,吳昊.基于UG的數控機床加工仿真與編程系統的研究[J].機床與液壓,2009,37(6).