數控加工仿真技術簡述

摘 要：數控加工仿真技術目前已成為數控加工切削過程必不可少的環節，尤其對于復雜結構的零件來說，其材料昂貴、結構復雜，大量采用多軸加工或高速切削，相關設備極為昂貴，因此，確保加工過程中刀具軌跡、切削參數的正確性、合理性，杜絕過大余量切削、碰撞干涉、超程等意外錯誤至關重要，對提高數控編程及加工工作質量、避免失誤、縮短生產準備周期、降低成本等方面具有重要現實意義。簡要介紹了數控加工仿真技術的作用、分類、國內外發展現狀和存在的問題。希望通過文章的介紹，對相關工作提供借鑒。

關鍵詞：數控加工仿真技術；幾何仿真；物理仿真

以往編程基本流程為數控編程→檢查程序→機床上調試安裝→試切泡沫或軟材料→試件加工→正式產品加工。數控程序需要在機床上調試，以驗證其正確性。調試時，必須中斷正常的加工生產，從而產生大量的機床非切削占機時間，降低了生產效率。試切過程中可能發生意外，可能導致刀具損壞、機床碰撞等問題，從而產生高額的維修費用和長時間的維修停機。程序調試可能導致試切件報廢，對于昂貴的工件將會大幅度增加產品試制成本。

引入仿真后，在計算機上進行仿真加工，大幅度縮短程序調試時間，不需要進行刀具準備、夾具等工作，不需要進行工件裝夾定位和找正，且仿真切削的速度遠遠高于實際的切削，能更快、更好的掌握整個加工過程。

總之，數控仿真代替了機床切削調試程序，從經濟角度來看，縮短了產品試制周期，減低了產品生產成本；從技術角度來看，檢驗程序方法簡單，不涉及多部門協調，避免現場試切打亂現場生產計劃，避免機床碰撞、刀具干涉、刀具折斷等問題，對數控技術更深一步研究有很大的價值。

1 數控加工仿真的類型

1.1 幾何仿真

幾何仿真不考慮切削參數、切削力等物理因素，只考慮刀具與工件的運動，以驗證數控加工代碼的正確性與合理性，以減少或者消除因為程序錯誤而導致的機床碰撞、刀具折斷及零件報廢等問題。目前幾何仿真方面的研究比較全面深入，出現了許多成熟的仿真軟件與仿真模塊。國外的仿真軟件與系統相對比較成熟，商業化程度比較高。例如美國CGTECH公司開發的數控加工仿真系統VERICUT軟件，是由NC程序驗證模塊、機床運動仿真模塊、優化路徑模塊、多軸模塊、高級機床特征模塊、實體比較模塊和CAD/CAM接口等模塊組成，可仿真數控車床、銑床、加工中心、線切割機床和多軸機床等多種加工設備的數控加工過程，也能進行NC程序優化，縮短加工時間、延長刀具壽命、改進表面質量，檢查過切、欠切，防止機床碰撞、超行程等錯誤；具有真實的三維實體顯示效果，可以對切削模型進行尺寸測量，并能保存切削模型供檢驗、后續工序切削加工；具有CAD/CAM接口，能實現與UG. CATIA及MasterCAM等軟件的嵌套運行。VERICUT軟件目前已廣泛應用于航空航天、汽車、模具制造等行業，其最大特點是可仿真各種CNC系統，既能仿真刀位文件，又能仿真CAD/CAM后置處理的NC程序，其整個仿真過程包含程序驗證、分析、機床仿真、優化和模型輸出等。在國內，數控幾何仿真系統相對不夠成熟，商業化程度也不高，但是也獨立研制了一些數控幾何仿真系統。清華大學與華中科技大學合作開發的HMPS系統、哈爾濱工業大學研制的NCMPS系統、南京航空航天大學開發的Superman2000CAD/CAM系統。

1.2 物理仿真

物理仿真使用物理規律模擬整個切削加工過程，考慮受力、速度、加速度、質量、密度、能量等物理因素，模擬加工過程的動態力學特性進行刀具破損預測、刀具震振動計算以及切削參數控制，從而達到優化切削過程的目的。由于切削機理復雜，建模難度大，研究還不夠深入。目前國外較為成熟的美國Third wave AdvantEdge FEM，是一個基于材料物理性的有限元金屬切削仿真軟件，作為切削條件輸入的內容包括：工件材料特性，刀具幾何，刀具材料特性，切削速度、冷卻液參數、刀具振動參數、切削參數等。軟件通過有限元分析后，獲得切削加工過程中的切削力、切屑打卷、切屑形成、切屑斷裂、熱流、刀具工件和切屑上的溫度分布、應力分布、應變分布、殘余應力分布等物理特性輸出結果，為實際加工提供理論依據，避免傳統加工中單方面憑借經驗而導致技術的不可復制性、零件質量不可控性。在軟件分析的基礎上，就能選擇出最佳的刀具和切削參數；通過仿真分析提高材料的去除率、優化切削力及溫度、優化切屑形成、減少金屬切削中工件扭曲變形、降低殘余應力、提高零件質量、提高刀具性能，減少現場試切的試驗次數和成本，從而幫助企業通過仿真技術提高產品質量、延長刀具壽命、完善加工工藝，顯著地降低產品制造成本。在國內，天津大學張大衛教授等人建立了圓錐螺旋銑刀的三維銑削力模型，哈爾濱工業大學姚英學等提出了面向加工質量預測的虛擬加工檢測單元的概念，綜合了虛擬加工及虛擬檢測尺寸誤差、形狀誤差、表面粗糙度誤差等技術指標。

2 機械加工過程仿真的現狀與存在問題

2.1 現狀

目前進行的機械加工過程仿真，主要有兩種情況：一種是從研究金屬切削的角度出發，仿真某具體切削過程內部各因素的變化過程，研究其切削機理，供生產實際與研究應用；另一種則是將加工過程仿真作為系統的一部分，重點在于構造完整的虛擬制造系統。這兩種方式的仿真方法是相同的，即首先對機加工藝系統建立連續變化模型，然后用數學離散方法將連續模型離散為離散點，通過分析這些離散點的物理因素變化情況來仿真加工過程。

2.2 存在的問題

（1）仿真的加工形式少，研究范圍窄。在眾多的切削加工種類與形式中，目前的仿真主要集中于銑、磨兩種。即使在這兩種加工方法上，仿真也局限在很窄的范圍內。如銑削中多是仿真棒銑刀和端銑刀，而這種仿真系統對其他種類的銑刀（如加工成形表面用銑刀）卻無能為力。其原因是機械加工種類繁多，存在著車、銑、刨、磨、鏜等多種加工形式；另一方面加工理論復雜，不同的加工方法、刀具形狀的加工模型有較大差別。同時，目前的仿真系統大多進行幾何仿真，即對刀位軌跡、工件與刀具的干涉校驗等，有稱之為NC校驗（NC Verification）。但在機加過程中，幾何校驗只是前提條件，更為重要的是切削力、刀具振動及刀具磨損等在切削過程中起決定因素的各物理量。（2）物理仿真過程都是考慮理想切削狀態，與實際切削過程有較大差距。在目前的仿真系統中預先設定了大量假設因素，如設定工藝系統剛性滿足要求，無振動；加工材料結構統一，無硬點等缺陷；刀具無磨損；切削要素不發生變化等。這種假定的理想狀態不能將切削過程中的隨機干擾如工件硬點造成的材質變化、振動造成的切深變化等因素考慮進去，使仿真系統不能真實地反映實際切削過程。（3）仿真手段限制仿真系統的發展。計算機技術的發展與仿真技術緊密相連，過去由于計算機軟硬件的限制，仿真時間很長。編碼工作量大，程序可讀性、維護性差，這些都為仿真工作帶來困難。目前應用C++語言及面向對象的方法開發仿真系統已成為發展潮流。

以上問題已引起研究人員的重視，今后的機加工仿真系統將朝著快速運行、面向多種加工形式、更加符合實際狀況的方向發展。

參考文獻

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作者簡介：成遠清（1980-），男，在中航工業哈爾濱東安發動機（集團）有限公司，工藝室主任，工程師，主要從事鋁鎂機匣殼體工藝研究和數控編程。