數控加工仿真技術發展趨勢范文

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[摘要]

數控加工仿真技術在預防加工過程的缺陷、優化加工過程參數等方面有著不可替代的作用，近年得到了越來越廣泛的應用。介紹了國內外數控加工仿真技術的研究進展，重點闡述了幾何仿真以及物理仿真中涉及的關鍵技術，包括切屑預測、力熱耦合作用模擬、加工變形預測和刀具磨損預測。最后，對數控加工仿真技術現存的問題進行了分析，并對數控加工仿真技術的發展趨勢作了探討。

關鍵詞：

數控加工；幾何仿真；物理仿真；智能加工

為確保數控加工過程的正確性，在數控加工之前對加工程序進行驗證是一個十分重要的環節。目前，計算機仿真技術的發展使得在計算機環境中對數控加工過程進行驗證的技術在實際生產中廣泛應用。采用仿真方法可以在計算機上模擬出加工走刀和零件切削的全過程，直接觀察在切削過程中可能遇到的問題并進行調整，而不實際占用和消耗機床、工件等資源。此外，還可以利用計算機仿真技術預先對數控加工結果進行估計，統計各種加工數據并對加工過程進行優化，實現智能化的加工。數控加工仿真的主要目的包括：（1）檢驗數控加工程序是否有過切或欠切。通過數控加工仿真，可用幾何圖形、圖像或動畫的方式顯示加工過程，從而檢驗零件的最終幾何形狀是否符合要求，目前主流的CAD/CAM軟件中都具備數控加工軌跡模擬及過切、欠切的分析功能。（2）碰撞干涉檢查。通過數控加工仿真，可以檢查數控加工過程中刀具、刀柄等與工件、夾具等是否存在碰撞干涉，以及檢查機床運動過程中主軸是否與機床零部件、夾具等存在碰撞干涉，從而確保能加工出符合設計的零件，并避免刀具、夾具和機床的不必要損壞。（3）切削過程中的力熱仿真。近年來，隨著仿真技術的發展及實際生產的需要，對加工過程中產生的力、熱等物理量的分析受到越來越多的關注。通過仿真切削過程中力、熱等物理量，可以對加工過程中的受力狀態、熱力耦合、殘余應力等進行分析，從而為加工過程控制、切削參數優化等提供參考。（4）切削參數優化。數控加工過程仿真的重要目的之一是切削參數優化，即通過數控加工過程的仿真，發現現有軌跡中存在的問題以及參數設置有待提升的部分，從而對切削參數進行優化以提高加工效率。（5）刀具磨損預測。在難加工材料、高精度材料零件的加工過程中，刀具的磨損速率較快且刀具磨損導致零件加工精度和已加工表面的完整性受到影響。因此，預測加工過程中刀具磨損對確保加工精度與工件的表面完整性有重要作用。其中，針對過切、欠切和碰撞干涉檢查的仿真通常稱為幾何與運動仿真，主要是檢查數控加工過程中的幾何量及運動關系是否正確；力熱仿真與刀具磨損的預測等通常稱為物理仿真，主要是用于仿真數控加工過程中物理量，并可以對加工后的工件變形與質量進行分析。

一、數控加工中幾何仿真

幾何仿真系統是將數控機床、刀具、工件和夾具組成的工藝系統當作一個剛性系統，不考慮系統的各種物理因素而建立的仿真系統，對加工過程進行直觀動態圖形描述和精度檢驗。幾何仿真方面主要分為兩類：不帶機床的軌跡驗證和帶完整機床的軌跡驗證。不帶機床的軌跡驗證主要用于檢驗CAM軟件中軌跡的正確性，并對加工過程中可能出現的過切或欠切、碰撞干涉等進行判斷。目前主流的CAD/CAM軟件以及Vericut、NCSIMULMACHINE等數控加工仿真軟件都具備較為成熟的軌跡驗證功能，這一仿真技術發展已較為成熟。圖1所示為SiemensNX軟件加工仿真結果，采用不同的色彩來標識加工余量，從而可以判斷過切或欠切量。帶完整機床的軌跡驗證除了可以對加工軌跡本身的正確性進行驗證外，還可以對機床的運動過程、潛在的機床碰撞等進行分析。加工過程中，一旦發生碰撞事故，不僅維修難度大、費用高，延誤生產計劃，造成嚴重經濟損失，更會對機床操作工人的人身安全帶來威脅。因此，數控機床運動的防碰撞成為了數控加工的關鍵問題之一。目前主流的CAD/CAM軟件以及Vericut、NCSIMULMACHINE等數控加工仿真軟件都具備帶完整機床的仿真功能。通過對完整加工環境的建模與配置，可以實現對加工過程的仿真（圖2）。上述軟件的仿真過程通常為離線仿真，針對數控機床加工現場的諸多不確定性因素，西安交通大學發展了一種對數控加工碰撞干涉檢測的在線監測方法，開發了數控機床在線運動防碰撞系統。該系統建立了虛擬數控機床，通過從數控機床編碼器中實時獲取數控機床運動信息進行在線運動仿真，實現對碰撞干涉的檢測[1]。這是數控加工過程幾何仿真的一種新發展。

二、數控加工中物理仿真

幾何仿真只是對加工過程中的幾何因素和運動過程進行了仿真，而對加工過程中力、熱、振動、變形等并未進行仿真計算。物理仿真能揭示加工過程的物理本質，對了解加工過程中的切削力、切屑、振動以及刀具與工件的交互作用等具有重要作用。由于產品的可制造性與切削過程中的物理條件密切相關，通過切削過程的物理仿真可以模擬切削過程的動態力學特性、優化切削參數，確保獲得好的加工表面質量。物理仿真的主要內容與流程如圖3所示。物理仿真技術中涉及到的關鍵技術包括：切屑預測、切削力熱仿真、零件加工變形預測、刀具磨損預測等。物理仿真主要采用有限元技術，目前較為專業的切削加工過程物理仿真軟件包括ThirdWaveAdvantEdge、Deform3D等。

1切屑預測切屑預測包括瞬時未變形切屑厚度的預測和切屑形狀的預測兩類。瞬時未變形切屑厚度是指刀齒在切削工件時，刀齒所切削位置尚未發生變形的切屑厚度，如圖4（a）所示。瞬時未變形切屑厚度主要通過刀齒與被切削面的相對位置關系進行計算，通常采用解析方法[2]。瞬時未變形切屑厚度的計算是物理仿真過程中切削力計算的重要組成部分之一，其計算精度在理論上對切削力預測的準確性有重要影響。切屑形狀預測主要是預測切屑從刀具前刀面脫離后的形狀，目前主要采用數值計算的方式進行模擬，如圖4（b）所示。在最新發展的技術中，通過基于分層的工件形狀跟蹤，可以精確計算多軸加工中的未變形切屑形狀，如圖5所示[3]。

2切削力熱耦合作用模擬數控加工過程中的金屬切削過程具有高溫、高速、大應變的成形特點，劇烈的摩擦和材料流動及變形使得局部的溫度可以在很短的時間內上升幾百攝氏度。因此，劇烈的溫度變化與快速的材料流動對工件表面的成形質量以及刀具的磨損會產生重要影響。溫度的變化會對材料的屬性產生重要影響，從而反過來影響切削過程中的切削力。因此，切削過程中的力與熱是相互耦合的。目前加工過程中的熱力耦合作用主要通過有限元技術進行模擬，該方法主要建立在與溫度耦合的塑性變形理論基礎之上。切削過程中的切削熱主要來源于工件的塑性變形以及切屑-刀具界面的摩擦。工件內部的溫度場分布則主要由工件和刀具的初始溫度、工件的塑性變形和切屑-刀具界面的摩擦等因素決定。目前切削過程中的力熱耦合模擬已可以實現典型過程的2D與3D模擬，但是計算周期普遍長。最新的發展中，通過預先建立加工參數與力熱耦合之間的映射關系及相關數據庫，可以實現沿加工軌跡的力熱耦合趨勢的快速仿真。

3零件加工變形預測對薄壁工件加工后變形的仿真一直是薄壁零件加工中研究的熱點與難點。薄壁零件加工后的變形主要由殘余應力引起，而殘余應力主要來源于工件毛坯制造過程中產生的殘余應力和加工中產生的殘余應力。因此，預測加工過程中產生的殘余應力，進而預測薄壁工件的變形是加工仿真中的一個重要研究任務和研究熱點。目前的研究主要還集中在加工中產生的殘余應力的定量預測方面。由于殘余應力重復測量的困難性，定量預測的準確性也依賴于測試結果的準確性。然而，考慮工件內部初始殘余應力和加工過程所致殘余應力共同作用下的工件變形則很少研究。針對這一問題，美國ThirdWaveSystems公司提出了面向薄壁件加工變形預測的實現流程，如圖6所示[4]。該方案結合數據庫，通過加載工件初始殘余應力和加工引起的殘余應力，利用FEM分析最終實現對薄壁件加工變形的預測。

4刀具磨損預測切削加工過程中，刀具與切屑之間以及刀具和工件之間存在很高的應力和溫度梯度。同時，新切出的工件表面通常沒有氧化物或氮化物保護層，化學特性較為活躍。因此，刀具的磨損會直接影響刀具的壽命和工件表面的質量。切削加工中刀具的磨損機制有多種，主要的幾種磨損形式包括磨粒磨損、粘附磨損和擴散磨損等。由于切削參數以及刀具-工件材料組合的不同，不同的磨損機制對刀具的磨損都有一定的影響。目前針對刀具磨損的仿真中，通常采用較為熟知的Usui磨損模型等進行仿真，并且在FEM仿真中進行了很好的應用。然而，目前的刀具磨損仿真多是簡單幾何形狀的非涂層刀具的仿真。實際加工中使用的刀具通常是復雜幾何形狀且帶有涂層，因此現有的仿真方法與真實加工過程有較大差距。針對這些問題，德國亞琛工業大學通過試驗校準改進Usui刀具磨損模型，對刀具的磨損進行仿真，實現流程如圖7所示，刀片磨損仿真與試驗對比結果如圖8所示[5]。該方法可以有效地對不同階段的刀具磨損進行預測。數控加工仿真技術存在問題從目前數控加工仿真技術的仿真趨勢來看，為獲得更高的仿真精度與仿真效率，仍需要從以下幾個方面開展深入研究：（1）幾何模型的準確性。目前的仿真技術中，刀具的幾何模型通常采用簡化的三維模型進行仿真計算，這導致在仿真精度上受到很大的影響。同時，準確計算多軸加工過程中的切屑厚度也是提高幾何與物理融合仿真精度的重要途徑。（2）基礎切削數據庫支持。幾何與物理融合的仿真技術已成為數控加工仿真技術的重要仿真方向，為進行復雜加工過程中的仿真與預測，通常需要大量的基礎切削數據支持。這些數據包括：刀具和工件材料的基礎數據、基于真實試驗的基礎切削數據（力、熱、應力數據等）。這些基礎數據的完整性與準確性對切削加工過程的物理仿真，以及幾何與物理融合仿真的準確性有著重要作用。（3）更多真實物理因素的仿真與預測。在實際加工過程中，仍有很多對加工過程有重要影響的因素尚未被充分反映到目前的仿真系統中。例如，在真實安裝過程中，刀具一般會存在或多或少的偏心，而偏心的尺度通常會接近甚至超過切削過程中未變形切屑的厚度。這將嚴重影響銑刀的每齒負載并造成崩刃或加速磨損，導致實際加工結果和預測結果差距較大。因此，考慮到更多對加工過程有重要影響的真實物理因素會對仿真精度的提高有重要作用。（4）刀具磨損預測。在真實加工過程中，刀具的磨損一直真實存在。尤其是在難加工材料的切削過程中，刀具的快速磨損會對復雜零件的加工精度、表面完整性造成嚴重影響。因此，如何對加工過程中的刀具磨損進行有效的預測并進行控制，是加工過程仿真中的難點。

三、數控加工仿真技術新發展

1幾何仿真與物理仿真的融合發展從幾何仿真與物理仿真的發展及涉及到的關鍵技術可以看出，兩種仿真方式由于計算量的差別一般相對獨立發展。然而，隨著加工技術的發展，對工件加工表面完整性、加工變形控制、尺寸精度控制等提出了同等要求。因此，如何將幾何仿真與物理仿真相結合，并達到實時的仿真速度與精度成為數控加工仿真技術發展的重要方向。近年來，工業界與學術界針對幾何與物理的集成仿真開展了大量研究工作，取得了重要進展。在Vericut最新版本中推出了ForceTM模塊。該模塊針對給定的加工條件可以給出最大的可靠進給速度，其中計算的約束條件為：刀具承載的切削力、主軸功率、最大切屑厚度和允許的最大進給速度。計算過程中，通過分析刀具的幾何形狀和參數、工件和刀具的材料參數以及每個切削位置的切削條件，計算出理想的進給速度。軟件中用到的材料數據是從真實的切削試驗中獲取的，而不依賴于有限元分析結果。為對多軸數控加工過程中的物理參數進行更為精確的快速計算，匈牙利學者Tukora等基于多維體素模型，采用通用圖形處理器（GPGPU）實現了對多軸數控加工過程與切削力的同步仿真和預測[6]。除對切削力可以進行預測之外，美國ThirdWaveSystems公司的“ProductionModule”模塊還可以同時對多軸加工過程中的切削溫度等進行預測，并在此基礎上對切削參數進行優化。因此，數控加工過程仿真技術的發展已經從單純的幾何與運動仿真發展到了幾何與物理融合仿真。

2數控加工仿真支撐智能加工技術發展智能加工技術借助先進的檢測、加工設備及仿真手段，實現對加工過程的建模、仿真、預測，對加工系統的監測與控制；同時集成現有加工知識，使得加工系統能根據實時工況自動優選加工參數、調整自身狀態，獲得最優的加工性能與最佳的加工質效[7]。為實現加工過程工況的在線判定，在線監控系統必須獲知每個切屑位置處的理論數據，并將實際監測結果與理論結果進行對比分析。此外，為實現加工過程的快速在線調整，數控機床實際運行的程序必須是較為接近優化結果的參數。從數控加工技術幾何仿真與物理仿真技術的發展及其關鍵技術可以看出，通過數控加工仿真技術可以獲得產品加工過程中優化的幾何尺寸信息、切削力信息等。數控加工仿真技術可以為智能加工提供理論預測值以及很好的優化初值，從而為智能加工技術的應用提供支撐。同時，智能加工技術在線監測與調控結果又可以為離線的數控加工仿真系統提供更為真實的邊界條件、材料參數等，使得數控加工仿真結果更為接近真實數據。因此，數控加工仿真技術將逐漸發展為智能加工技術的重要組成部分，并相互促進與共同發展。

四、結束語

數控加工仿真技術在幾何仿真與物理仿真方面都取得了長足的進展，在指導實際生產過程減少或避免加工缺陷、提高加工效率方面發揮了重要作用。復雜航空產品生產對加工過程智能化、產品質量一致性程度要求不斷提高，對數控加工仿真技術的發展提出了更高的要求。幾何仿真與物理仿真技術的融合發展為復雜、多軸數控加工過程的仿真提供了更多的數據與信息，使得仿真結果更接近于實際生產過程。因此，利用數控仿真技術可為實際加工過程的切削參數優化、工藝調整提供支撐，同時為加工過程的智能化調控提供進給優化的初值，從而推動智能加工技術在航空產品加工中的發展。

作者：任景剛 單位：中航工業西安航空發動機（集團）有限公司