数控加工仿真技术简述

摘 要：数控加工仿真技术目前已成为数控加工切削过程必不可少的环节，尤其对于复杂结构的零件来说，其材料昂贵、结构复杂，大量采用多轴加工或高速切削，相关设备极为昂贵，因此，确保加工过程中刀具轨迹、切削参数的正确性、合理性，杜绝过大余量切削、碰撞干涉、超程等意外错误至关重要，对提高数控编程及加工工作质量、避免失误、缩短生产准备周期、降低成本等方面具有重要现实意义。简要介绍了数控加工仿真技术的作用、分类、国内外发展现状和存在的问题。希望通过文章的介绍，对相关工作提供借鉴。

关键词：数控加工仿真技术；几何仿真；物理仿真

以往编程基本流程为数控编程→检查程序→机床上调试安装→试切泡沫或软材料→试件加工→正式产品加工。数控程序需要在机床上调试，以验证其正确性。调试时，必须中断正常的加工生产，从而产生大量的机床非切削占机时间，降低了生产效率。试切过程中可能发生意外，可能导致刀具损坏、机床碰撞等问题，从而产生高额的维修费用和长时间的维修停机。程序调试可能导致试切件报废，对于昂贵的工件将会大幅度增加产品试制成本。

引入仿真后，在计算机上进行仿真加工，大幅度缩短程序调试时间，不需要进行刀具准备、夹具等工作，不需要进行工件装夹定位和找正，且仿真切削的速度远远高于实际的切削，能更快、更好的掌握整个加工过程。

总之，数控仿真代替了机床切削调试程序，从经济角度来看，缩短了产品试制周期，减低了产品生产成本；从技术角度来看，检验程序方法简单，不涉及多部门协调，避免现场试切打乱现场生产计划，避免机床碰撞、刀具干涉、刀具折断等问题，对数控技术更深一步研究有很大的价值。

1 数控加工仿真的类型

1.1 几何仿真

几何仿真不考虑切削参数、切削力等物理因素，只考虑刀具与工件的运动，以验证数控加工代码的正确性与合理性，以减少或者消除因为程序错误而导致的机床碰撞、刀具折断及零件报废等问题。目前几何仿真方面的研究比较全面深入，出现了许多成熟的仿真软件与仿真模块。国外的仿真软件与系统相对比较成熟，商业化程度比较高。例如美国CGTECH公司开发的数控加工仿真系统VERICUT软件，是由NC程序验证模块、机床运动仿真模块、优化路径模块、多轴模块、高级机床特征模块、实体比较模块和CAD/CAM接口等模块组成，可仿真数控车床、铣床、加工中心、线切割机床和多轴机床等多种加工设备的数控加工过程，也能进行NC程序优化，缩短加工时间、延长刀具寿命、改进表面质量，检查过切、欠切，防止机床碰撞、超行程等错误；具有真实的三维实体显示效果，可以对切削模型进行尺寸测量，并能保存切削模型供检验、后续工序切削加工；具有CAD/CAM接口，能實现与UG. CATIA及MasterCAM等软件的嵌套运行。VERICUT软件目前已广泛应用于航空航天、汽车、模具制造等行业，其最大特点是可仿真各种CNC系统，既能仿真刀位文件，又能仿真CAD/CAM后置处理的NC程序，其整个仿真过程包含程序验证、分析、机床仿真、优化和模型输出等。在国内，数控几何仿真系统相对不够成熟，商业化程度也不高，但是也独立研制了一些数控几何仿真系统。清华大学与华中科技大学合作开发的HMPS系统、哈尔滨工业大学研制的NCMPS系统、南京航空航天大学开发的Superman2000CAD/CAM系统。

1.2 物理仿真

物理仿真使用物理规律模拟整个切削加工过程，考虑受力、速度、加速度、质量、密度、能量等物理因素，模拟加工过程的动态力学特性进行刀具破损预测、刀具震振动计算以及切削参数控制，从而达到优化切削过程的目的。由于切削机理复杂，建模难度大，研究还不够深入。目前国外较为成熟的美国Third wave AdvantEdge FEM，是一个基于材料物理性的有限元金属切削仿真软件，作为切削条件输入的内容包括：工件材料特性，刀具几何，刀具材料特性，切削速度、冷却液参数、刀具振动参数、切削参数等。软件通过有限元分析后，获得切削加工过程中的切削力、切屑打卷、切屑形成、切屑断裂、热流、刀具工件和切屑上的温度分布、应力分布、应变分布、残余应力分布等物理特性输出结果，为实际加工提供理论依据，避免传统加工中单方面凭借经验而导致技术的不可复制性、零件质量不可控性。在软件分析的基础上，就能选择出最佳的刀具和切削参数；通过仿真分析提高材料的去除率、优化切削力及温度、优化切屑形成、减少金属切削中工件扭曲变形、降低残余应力、提高零件质量、提高刀具性能，减少现场试切的试验次数和成本，从而帮助企业通过仿真技术提高产品质量、延长刀具寿命、完善加工工艺，显著地降低产品制造成本。在国内，天津大学张大卫教授等人建立了圆锥螺旋铣刀的三维铣削力模型，哈尔滨工业大学姚英学等提出了面向加工质量预测的虚拟加工检测单元的概念，综合了虚拟加工及虚拟检测尺寸误差、形状误差、表面粗糙度误差等技术指标。

2 机械加工过程仿真的现状与存在问题

2.1 现状

目前进行的机械加工过程仿真，主要有两种情况：一种是从研究金属切削的角度出发，仿真某具体切削过程内部各因素的变化过程，研究其切削机理，供生产实际与研究应用；另一种则是将加工过程仿真作为系统的一部分，重点在于构造完整的虚拟制造系统。这两种方式的仿真方法是相同的，即首先对机加工艺系统建立连续变化模型，然后用数学离散方法将连续模型离散为离散点，通过分析这些离散点的物理因素变化情况来仿真加工过程。

2.2 存在的问题

（1）仿真的加工形式少，研究范围窄。在众多的切削加工种类与形式中，目前的仿真主要集中于铣、磨两种。即使在这两种加工方法上，仿真也局限在很窄的范围内。如铣削中多是仿真棒铣刀和端铣刀，而这种仿真系统对其他种类的铣刀（如加工成形表面用铣刀）却无能为力。其原因是机械加工种类繁多，存在着车、铣、刨、磨、镗等多种加工形式；另一方面加工理论复杂，不同的加工方法、刀具形状的加工模型有较大差别。同时，目前的仿真系统大多进行几何仿真，即对刀位轨迹、工件与刀具的干涉校验等，有称之为NC校验（NC Verification）。但在机加过程中，几何校验只是前提条件，更为重要的是切削力、刀具振动及刀具磨损等在切削过程中起决定因素的各物理量。（2）物理仿真过程都是考虑理想切削状态，与实际切削过程有较大差距。在目前的仿真系统中预先设定了大量假设因素，如设定工艺系统刚性满足要求，无振动；加工材料结构统一，无硬点等缺陷；刀具无磨损；切削要素不发生变化等。这种假定的理想状态不能将切削过程中的随机干扰如工件硬点造成的材质变化、振动造成的切深变化等因素考虑进去，使仿真系统不能真实地反映实际切削过程。（3）仿真手段限制仿真系统的发展。计算机技术的发展与仿真技术紧密相连，过去由于计算机软硬件的限制，仿真时间很长。编码工作量大，程序可读性、维护性差，这些都为仿真工作带来困难。目前应用C++语言及面向对象的方法开发仿真系统已成为发展潮流。

以上问题已引起研究人员的重视，今后的机加工仿真系统将朝着快速运行、面向多种加工形式、更加符合实际状况的方向发展。

参考文献

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作者简介：成远清（1980-），男，在中航工业哈尔滨东安发动机（集团）有限公司，工艺室主任，工程师，主要从事铝镁机匣壳体工艺研究和数控编程。