0 引言

    CAD/CAM技術(shù)是一項利用計算機(jī)幫助人們完成產(chǎn)品的設(shè)計與制造的新技術(shù)，它是計算機(jī)技術(shù)在零件生產(chǎn)中綜合應(yīng)用的新飛躍，為機(jī)械工業(yè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。隨著機(jī)床數(shù)控化程度的提高和產(chǎn)品復(fù)雜程度的提高，對加工過程的預(yù)判，保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約成本越來越受到制造行業(yè)的重視?；谔摂M制造技術(shù)在計算機(jī)環(huán)境下構(gòu)建—個虛擬的加工環(huán)境，并在此環(huán)境下實現(xiàn)零件的試切，校驗數(shù)控程序軌跡合理性及運動部件碰撞可能性，既可保證零件質(zhì)量，而且縮短零件制造周期及制造成本，因此CAM加工仿真系統(tǒng)應(yīng)運而生。但是在使用數(shù)控機(jī)床時，經(jīng)濟(jì)的進(jìn)行加工特別重要，因此放在零件投入生產(chǎn)之前，應(yīng)確定其最佳值，即盡可能的優(yōu)化參數(shù)。數(shù)控切削參數(shù)的智能優(yōu)化是當(dāng)今數(shù)控加工中的—個重要組成部分，也是實現(xiàn)數(shù)控加工工藝過程優(yōu)化及自動化的基礎(chǔ)，采用仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化，對于提高產(chǎn)品精度、產(chǎn)品生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本具有重要的意義。

    Vericut是由美國CCTech公司開發(fā)的模擬數(shù)控機(jī)床加工仿真和優(yōu)化的軟件系統(tǒng)。它可取代傳統(tǒng)的切削試驗，真實地模擬機(jī)床加工過程中零件、夾具、工作臺、機(jī)床各軸及刀具切削的運動情況，不僅能夠?qū)C(jī)床運動狀態(tài)進(jìn)行仿真，而且能夠?qū)C程序進(jìn)行驗證、優(yōu)化及加工精度分析，是應(yīng)用最為廣泛的數(shù)控加工仿真軟件。它能幫助操作者修正編程錯誤和改進(jìn)切削效率，越來越成為提高數(shù)控編程和數(shù)控加工不可缺少的工具。

    在數(shù)控編程及加工的教學(xué)中，很多高校已經(jīng)將仿真加工作為—個很重要的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它可以在計算機(jī)上模擬實際零件的加工過程，驗證數(shù)控程序的正確性，從而替代零件的試切工作，可彌補(bǔ)數(shù)控機(jī)床設(shè)備不足的缺點，極大的降低學(xué)習(xí)成本，提高學(xué)習(xí)效果，將Vericut應(yīng)用于教學(xué)已經(jīng)多篇文獻(xiàn)介紹，但在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，對加工文件和工藝進(jìn)行優(yōu)化的實踐教學(xué)卻比較少。本文選用一典型航空零件首先簡述加工仿真過程，模擬實際加工過程中機(jī)床、刀具等運動，保證其加工過程的正確性，然后重點介紹參數(shù)優(yōu)化，提高加工效率和精度。目前Vericut應(yīng)用逐漸普及，很多大型企業(yè)如美國波音公司、福特汽車公司等已經(jīng)把Vericut應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中，因此設(shè)計數(shù)控仿優(yōu)化教學(xué)實驗，可模擬實際零件的加工優(yōu)化過程，可滿足企業(yè)技能的需求，也是當(dāng)今高校教育需滿足大學(xué)生掌握社會迫切需要的技能，實現(xiàn)與市場同步的方面之一。

1 Vericut數(shù)控加工仿真過程

    要進(jìn)行Vericut仿真優(yōu)化，首先需要進(jìn)行仿真加工，保證數(shù)控加工過程的精確性，防止加工過程的干涉和碰撞現(xiàn)象。

    航空類零件有著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀精度要求高等顯著特點，更有一些薄壁復(fù)雜零件以及特種難加工材料的零件，是加工仿真的典型應(yīng)用范圍，因此本文選取典型的薄壁航空零件——大飛機(jī)角材零件作為數(shù)控加工仿真優(yōu)化零件。

    此角材零件形狀比較復(fù)雜，底面與側(cè)面呈不規(guī)則角度，連接處曲面特性復(fù)雜，且最薄處壁厚1.6mm。加工過程中需要綜合考慮表面殘余應(yīng)力以及加工變形等難控制因素的影響。故本文采取了虎鉗結(jié)合墊塊的夾具方案，多工位翻轉(zhuǎn)加工，并運用NX軟件進(jìn)行加工程序的編制，形成部分刀軌如圖1所示。

    圖1 NX形成零件加工刀軌

    Vericut系統(tǒng)環(huán)境下實現(xiàn)數(shù)控加工過程的仿真，通過以下三個步驟實現(xiàn)：

    1)建立機(jī)床的幾何模型和運動學(xué)模型，如圖2、3所示過程，本仿真選取Siemens 840D控制系統(tǒng)；

    圖2 組件樹及機(jī)床模型

    圖3 初始化設(shè)置

   2)建立仿真過程所需相關(guān)信息，如實體模型，包括刀具、工件和夾具等幾何模型，刀位軌跡或數(shù)控加工程序，配置仿真過程相應(yīng)參數(shù)等，根據(jù)實際加工毛坯尺寸114×37×23建立毛坯模型并定位，如圖4所示，根據(jù)實際加工中選取的刀具BULL NOSE(D16R3、D10R3)、BALL END(D6)建立刀具庫，如圖5所示。

    圖4 建立毛坯模型

    圖5 建立刀具庫

    3)進(jìn)行數(shù)控加工過程的仿真。

    以上步驟設(shè)置完成后，同樣設(shè)置其他不同工位，注意毛坯位置和程序原點位置。運行Vericut進(jìn)行仿真，檢查加工過程中是否存在干涉以及碰撞等情況，運行過程良好。

2 Vericut程序優(yōu)化實驗

    加工優(yōu)化旨在提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短制造周期，減輕勞動強(qiáng)度，受到越來越多的企業(yè)重視，因此設(shè)計優(yōu)化實驗也是順應(yīng)機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的需求。Vericut優(yōu)化就是模擬生成過程切削模型，根據(jù)當(dāng)前所使用的刀具及每步走刀軌跡，計算每步程序的切削量，再和切削參數(shù)經(jīng)驗值或刀具廠商推薦的刀具切削參數(shù)（這些參數(shù)保存在刀具庫的優(yōu)化記錄中）進(jìn)行比較。當(dāng)計算分析，發(fā)現(xiàn)余量大，運行就降低速度；余量小，就提高速度。進(jìn)而修改程序，插入新的進(jìn)給速度，最終創(chuàng)建更安全更高效的數(shù)控程序。

    2.1 優(yōu)化的基本方法

    2.1.1 恒定體積去除率切削方式優(yōu)化

    當(dāng)單位時間內(nèi)，刀具去除材料體積較大時，進(jìn)給速度降低；去除材料體積較小時，進(jìn)給速度提高。假設(shè)切削深度、切削寬度、進(jìn)給速度和材料去除率的經(jīng)驗值為：

    A_p(mm)、A_e(mm)、F、Vol(mm³/s)，其中：

    Vol=A_p*A_e*F/60

    當(dāng)切削體積Volume=0時，刀具并未切削材料，實質(zhì)上刀具在空走刀，進(jìn)給速度可以提高，可以提高到機(jī)床能承受的進(jìn)給速度的最大值，從而大大減少加工時間，獲得良好的加工效率；當(dāng)?shù)毒咔邢黧w積不為零時，計算其體積去除率Vol，若Vol大于優(yōu)化庫中的體積去除率基準(zhǔn)值，降低進(jìn)給速度；反之，提高進(jìn)給速度。從而維持較穩(wěn)定的體積去除率，保證穩(wěn)定的切削狀況。

    該優(yōu)化模式，主要應(yīng)用于材料切削余量變化比較大，特別是粗加工階段。此種優(yōu)化方式，對數(shù)控機(jī)床是一種有效的保護(hù)，不會存在大余量切削的狀況，同時，對刀具的壽命提高也有很大的貢獻(xiàn)。

2.1.2 恒定切屑厚度方式優(yōu)化

    這種優(yōu)化方法是在切削時，通過變化進(jìn)給率保持恒定的切屑厚度。

    首先我們要避免不連續(xù)的切削狀態(tài)，這種狀態(tài)刀具受力不連續(xù)（噠噠的切削聲音），而且因為余量小這種薄切削狀態(tài)，對于刀具磨損很厲害，所以零件加工表面質(zhì)量也不好，刀具壽命也大大受影響。同時也要避免另一個極端（過載切削狀態(tài)），這種狀態(tài)刀具受力太大，容易變形，零件容易損傷。我們經(jīng)常碰到轉(zhuǎn)角時零件經(jīng)常被啃傷的情況，就是因為刀具底部余量大，刀具受力變形。

    當(dāng)切削寬度（或切削深度）大于刀具半徑（或刀具底角R），切屑厚度大于每齒進(jìn)給，大于理想的切屑厚度；相反，當(dāng)切削寬度（或切削深度）小于刀具半徑（或刀具底角R），切屑厚度小于每齒進(jìn)給，小于理想的切屑厚度。通過Vericut優(yōu)化分析計算切削模型和切屑厚度，當(dāng)大于理想的切屑厚度，降低進(jìn)給速度，當(dāng)小于理想的切屑厚度，提高進(jìn)給速度，動態(tài)地維持切屑厚度相對恒定，切削力平穩(wěn)。該優(yōu)化模式，主要應(yīng)用于半精加工和精加工，提高加工效率和零件表面質(zhì)量。

    2.1.3 兩種方式結(jié)合優(yōu)化

    在做半精加工和精加工時，可以同時選擇上面兩種優(yōu)化方式。Vericut優(yōu)化會分別按照兩種優(yōu)化方式優(yōu)化速度，然后比較兩個結(jié)果，將較小的進(jìn)給速度作為最終的優(yōu)化速度，插入程序中。

    2.2 程序優(yōu)化

    基本加工環(huán)境描述如下：

    毛料材料：鋁7075

    刀具：1號刀：直徑D=16，底角R=3，立式銑刀

          2號刀：直徑D=10，底角R=3，立式銑刀

          3號刀：直徑D=6，球頭銑刀

    1號刀做粗加工，2號刀做半精加工，3號刀做精加工。

    1)啟動Vencut，打開前期仿真項目文件。

    2)創(chuàng)建優(yōu)化庫：

    a)給1號添加優(yōu)化參數(shù)記錄表，并設(shè)定切削參數(shù)如下：

    描述(Discription)：16D 3R 75H EM，HSS

    材料(Material)：Default

    機(jī)床(Maclune)：Default

    切削深度(Axis Depth)：10

    切削寬度(Radial Width)：16

    進(jìn)給速度(Feed per Minute)：189

    轉(zhuǎn)數(shù)(Spindle Speed)：1200

    選定優(yōu)化方法：固定體積去除率方式(Volume Removal)

    在當(dāng)前窗口底部，選擇添加(Add)，添加該優(yōu)化參數(shù)記錄表到刀具庫，如圖6所示。

    圖6 添加優(yōu)化參數(shù)記錄表

  b)點擊設(shè)置(Settins)，設(shè)定參數(shù)如下：

    選擇增加更多切削步(Add More Cuts)

    選擇公制(Millimeter)

    解析度距離(Resolution、Distance)：25

    最小速度變化(Minimum Feedrate Change)：50

    c)點擊極限(Limits)：

    設(shè)定參數(shù)如下：

    最小切削速度(Mirumum Cut Feedrate)：200

    最大切削速度(Mirumum Cut Feedrate)：2000

    點擊修改，確定優(yōu)化參數(shù)的設(shè)定。

    d)同樣建立2號刀和3號刀的優(yōu)化參數(shù)設(shè)定

    這樣就給每把刀具創(chuàng)建了一個優(yōu)化參數(shù)記錄表，并添加到了刀具庫中，和刀具庫文件可以一起保存，以后就可以直接調(diào)用或修改。在刀具庫主窗口，保存刀具庫文件Optipath2。

    3)調(diào)用優(yōu)化庫進(jìn)行程序優(yōu)化；

    點擊菜單優(yōu)化并選擇控制打開優(yōu)化控制窗口，設(shè)置如下：

    優(yōu)化模式(Optipath Mode)：On

    優(yōu)化后結(jié)果文件：這里給定優(yōu)化后數(shù)控程序路徑和名稱。

    打開信息菜單中的狀態(tài)和圖表，并點擊運行，得到運行優(yōu)化后狀態(tài)如下圖7所示。

    圖7 優(yōu)化后狀態(tài)

    圖7所示為工步一運行優(yōu)化后的結(jié)果，可以很明顯的看出優(yōu)化前加工時間為51.14，優(yōu)化后加工時間為22.06，節(jié)省時間56.86%，顯著提高了加工效率。

3 結(jié)論

    隨著制造業(yè)的競爭日益激烈，企業(yè)不僅要提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，而且要盡量縮短交貨周期。這就要求數(shù)控加工編程人員能盡可能創(chuàng)建最高效的加工環(huán)境。Vericut優(yōu)化不用調(diào)整刀具路徑，就可對數(shù)控程序進(jìn)行優(yōu)化，提高進(jìn)給速度，有利于降低加工成本，提高生產(chǎn)效率，是現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，將數(shù)控仿真加工實驗作為實踐教學(xué)的一個環(huán)節(jié)，首先是適應(yīng)時代發(fā)展，培養(yǎng)新型有能力應(yīng)用型人才的需要。

    其次，由于缺少實踐，很多學(xué)生也無法在很短時間內(nèi)掌握，而數(shù)控仿真軟件很好解決了這個問題。目前大部分學(xué)生有電腦，可以在課堂之外接觸數(shù)控機(jī)床編程與數(shù)控仿真加工知識，充分調(diào)動了有興趣學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。既降了低學(xué)習(xí)成本，又提高學(xué)習(xí)效果，收到事半功倍的效果。

    目前我中心的CAD/CAM實訓(xùn)還停留在CAD建模培訓(xùn)方面，數(shù)控仿真加工實驗很好的彌補(bǔ)了欠缺的CAM方面，實現(xiàn)真正的CAD/CAM實訓(xùn)，并且與數(shù)控機(jī)床操作實訓(xùn)聯(lián)系起來，跨越了CAD與數(shù)控操作之間的鴻溝，起到很好的橋梁作用。