0 引言

    CAD/CAM技術(shù)是一項利用計算機幫助人們完成產(chǎn)品的設計與制造的新技術(shù)，它是計算機技術(shù)在零件生產(chǎn)中綜合應用的新飛躍，為機械工業(yè)提供了強有力的技術(shù)支持。隨著機床數(shù)控化程度的提高和產(chǎn)品復雜程度的提高，對加工過程的預判，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)應運而生。但是在使用數(shù)控機床時，經(jīng)濟的進行加工特別重要，因此放在零件投入生產(chǎn)之前，應確定其最佳值，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，采用仿真軟件進行優(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，真實地模擬機床加工過程中零件、夾具、工作臺、機床各軸及刀具切削的運動情況，不僅能夠?qū)C床運動狀態(tài)進行仿真，而且能夠?qū)C程序進行驗證、優(yōu)化及加工精度分析，是應用最為廣泛的數(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中，很多高校已經(jīng)將仿真加工作為—個很重要的實踐教學環(huán)節(jié)，它可以在計算機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，可彌補數(shù)控機床設備不足的缺點，極大的降低學習成本，提高學習效果，將Vericut應用于教學已經(jīng)多篇文獻介紹，但在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，對加工文件和工藝進行優(yōu)化的實踐教學卻比較少。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應用于生產(chǎn)實踐中，因此設計數(shù)控仿優(yōu)化教學實驗，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，也是當今高校教育需滿足大學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

    要進行Vericut仿真優(yōu)化，首先需要進行仿真加工，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)復雜、形狀精度要求高等顯著特點，更有一些薄壁復雜零件以及特種難加工材料的零件，是加工仿真的典型應用范圍，因此本文選取典型的薄壁航空零件——大飛機角材零件作為數(shù)控加工仿真優(yōu)化零件。

    此角材零件形狀比較復雜，底面與側(cè)面呈不規(guī)則角度，連接處曲面特性復雜，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)建立機床的幾何模型和運動學模型，如圖2、3所示過程，本仿真選取Siemens 840D控制系統(tǒng)；

    圖2 組件樹及機床模型

    圖3 初始化設置

   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)進行數(shù)控加工過程的仿真。

    以上步驟設置完成后，同樣設置其他不同工位，注意毛坯位置和程序原點位置。運行Vericut進行仿真，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，減輕勞動強度，受到越來越多的企業(yè)重視，因此設計優(yōu)化實驗也是順應機械制造業(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）進行比較。當計算分析，發(fā)現(xiàn)余量大，運行就降低速度；余量小，就提高速度。進而修改程序，插入新的進給速度，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

    當單位時間內(nèi)，刀具去除材料體積較大時，進給速度降低；去除材料體積較小時，進給速度提高。假設切削深度、切削寬度、進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，進給速度可以提高，可以提高到機床能承受的進給速度的最大值，從而大大減少加工時間，獲得良好的加工效率；當?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值，降低進給速度；反之，提高進給速度。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)控機床是一種有效的保護，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。

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給，大于理想的切屑厚度；相反，當切削寬度（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，當大于理想的切屑厚度，降低進給速度，當小于理想的切屑厚度，提高進給速度，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，并設定切削參數(shù)如下：

    描述(Discription)：16D 3R 75H EM，HSS

    材料(Material)：Default

    機床(Maclune)：Default

    切削深度(Axis Depth)：10

    切削寬度(Radial Width)：16

    進給速度(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)點擊設置(Settins)，設定參數(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)的設定。

    d)同樣建立2號刀和3號刀的優(yōu)化參數(shù)設定

    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)控程序進行優(yōu)化，提高進給速度，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的一個環(huán)節(jié)，首先是適應時代發(fā)展，培養(yǎng)新型有能力應用型人才的需要。

    其次，由于缺少實踐，很多學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。目前大部分學生有電腦，可以在課堂之外接觸數(shù)控機床編程與數(shù)控仿真加工知識，充分調(diào)動了有興趣學生的學習積極性。既降了低學習成本，又提高學習效果，收到事半功倍的效果。

    目前我中心的CAD/CAM實訓還停留在CAD建模培訓方面，數(shù)控仿真加工實驗很好的彌補了欠缺的CAM方面，實現(xiàn)真正的CAD/CAM實訓，并且與數(shù)控機床操作實訓聯(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。