■中航工業(yè)航宇救生裝備有限公司 （湖北襄陽 441003） 方 衛(wèi)

基于VERICUT數(shù)控程序切削速度優(yōu)化

■中航工業(yè)航宇救生裝備有限公司 （湖北襄陽 441003） 方 衛(wèi)

摘要：隨著金屬加工業(yè)的發(fā)展，各個機(jī)械加工專業(yè)廠的數(shù)控加工中心越來越多，加工的零件也越來越復(fù)雜。提高機(jī)床效率、降低加工成本是目前各個加工企業(yè)的重要任務(wù)。本文主要通過與UG等CAM加工軟件比較，研究如何應(yīng)用VERICUT仿真軟件的優(yōu)化功能來優(yōu)化數(shù)控程序切削速度，從而提高數(shù)控程序的加工效率、降低刀具損耗及保護(hù)機(jī)床等。

目前很多制造企業(yè)數(shù)控銑加工中心，無論是手工編程，還是軟件編程，其程序速度一般比較固定。例如在平時的加工循環(huán)指令中常常會遇到為了回到前一下刀點(diǎn)，經(jīng)常會空走刀，或者切削區(qū)間的跨越等基本上是延續(xù)固定的切削速度，或者可以給定一些下刀、抬刀速度，但無法根據(jù)每步的切削量調(diào)整切削速度。所以在實(shí)際生產(chǎn)中，常常有機(jī)床操作者使用倍率旋鈕，來調(diào)整切削速度，操作者的目的：①避免切削余量大，損壞刀具和損傷機(jī)床。②提高加工效率。

針對以上的問題，如何在程序中自動避免是問題的關(guān)鍵。VERICUT仿真軟件，其優(yōu)化方式能夠計算每步程序的切削量，再與切削參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值或刀具廠商推薦的刀具切削參數(shù)進(jìn)行比較。經(jīng)計算分析，發(fā)現(xiàn)余量大，降低速度；余量小，速度提高，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。本文研究如何應(yīng)用VERICUT仿真軟件的優(yōu)化功能制作適合精密加工車間生產(chǎn)的優(yōu)化模塊。

1. 優(yōu)化原理

（1）VERICUT與UG切削速度優(yōu)化比較。UG NX6.0中速度優(yōu)化設(shè)置窗口如圖1所示。其優(yōu)化的方式是根據(jù)毛坯與零件設(shè)計模型的比較，在生成刀具軌跡時從快進(jìn)、進(jìn)刀、切削、跨區(qū)移動、退刀及離開等方面的各個階段給予不同的進(jìn)給速度進(jìn)行優(yōu)化。對加工而言速度已經(jīng)有了很好的改善，但其缺點(diǎn)是：在UG銑削加工中一旦進(jìn)入切削狀態(tài)下，其進(jìn)給速度為單一的切削速度。以圖1為例，不管刀具切削是0.10mm，還是滿刀14mm切削，其進(jìn)給速度始終是500mm/min。所以，在UG中這個進(jìn)給速度就比較死板。進(jìn)給速度若小，切削0.1mm時浪費(fèi)時間；若大，14mm滿刀切削時會傷刀具和零件。而圖2所示為VERICUT仿真軟件速度優(yōu)化設(shè)置，恰巧彌補(bǔ)了UG的不足。VERICUT根據(jù)切削條件，在切削過程中自動計算切削余量確定各個加工階段最佳的進(jìn)給速度。其從加工主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削深度和切削寬度等因素控制，給定適當(dāng)?shù)膮?shù)來獲得綜合的優(yōu)化結(jié)果。如果編程人員將UG與VERICUT兩種軟件有機(jī)地結(jié)合使用，將使我們的程序達(dá)到事半功倍的效果。

圖1　UGNX6.0速度優(yōu)化設(shè)置

圖2　VERICUT速度優(yōu)化設(shè)置

（2）VERICUT優(yōu)化原理。由圖3可以看出切削同樣一段余量不均勻的材料，單一進(jìn)給速度和自動變化進(jìn)給速度切削的不同。顯然，自動變化的進(jìn)給速度，可以提高效率，保護(hù)刀具，保護(hù)機(jī)床。實(shí)際上，VERICUT優(yōu)化只是根據(jù)切削余量，優(yōu)化數(shù)控程序的進(jìn)給速度，不改變程序的軌跡。當(dāng)VERICUT優(yōu)化時，發(fā)現(xiàn)一步NC程序路徑長，而且其切削余量是變化的，則需要優(yōu)化調(diào)整切削速度，并按照設(shè)定的優(yōu)化參數(shù)，將原一步數(shù)控程序劃分為許多小的運(yùn)動段，給每段插入新的進(jìn)給轉(zhuǎn)速。這些多段程序其軌跡與原程序段一樣，沒有發(fā)生任何改變。也就是說，它根據(jù)零件材料的去除余量，為被打斷的各小段切削設(shè)定最佳的進(jìn)給速度。輸出了一個等效于原始程序文件，但又改善了進(jìn)給速度的新的刀具軌跡文件，且沒有改變原來的刀具軌跡。

圖3　不同方式切削余量不均勻材料

2. 優(yōu)化方法與數(shù)學(xué)模型

VERICUT優(yōu)化問題可以作為一個數(shù)學(xué)模型來研究。該模型由設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件三要素構(gòu)成。

（1）優(yōu)化目標(biāo)的確定。當(dāng)工件、刀具和機(jī)床參數(shù)都確定后，影響生產(chǎn)效率的主要因素為主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削深度和切削寬度等。設(shè)定基于VERICUT優(yōu)化設(shè)計所定義的目標(biāo)函數(shù)為

式中，T為加工時間，是設(shè)計變量X的目標(biāo)函數(shù)；s為主軸轉(zhuǎn)速；f為進(jìn)給速度；l為切削深度；d為切削寬度。

（2）約束條件的確定。加工中，由于受所選機(jī)床的主軸額定轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削轉(zhuǎn)矩、加工余量和機(jī)床功率等限制，加工時設(shè)計變量應(yīng)該滿足以下約束條件。

切削速度應(yīng)該滿足機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速約束為

式中，s為機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速；smin、smax分別為加工機(jī)床最低和最高主軸轉(zhuǎn)速；g1（X）、g2（X）分別為最低、最高切削速度。

進(jìn)給速度要滿足機(jī)床額定進(jìn)給量約束為

式中，f為加工進(jìn)給量；fmin、fmax分別為加工最小和最大切削進(jìn)給量；g3（X） g4（X）分別為最小、最大進(jìn)給量。

銑刀切削約束g5（X）為

式中，d為銑削寬度；D為銑刀直徑。加工余量約束g6（X）為

式中，l為銑削深度；△為加工余量。

機(jī)床功率約束g7（X）為

式中，p為機(jī)床功率；pmax為機(jī)床最大有效功率。

在保證質(zhì)量的前提下，希望獲得T（X）=（s f l d）最小化，才能提高效率。當(dāng)然，還需要滿足gi（X）=g（s f l d）（i=1、2…6、7）的條件。VERICUT優(yōu)化方案有專用的數(shù)據(jù)模塊來解以上的方程。其提供了6種加工優(yōu)化方法：①切削厚度法。②體積切除率法。③主軸轉(zhuǎn)速法。④表面速度法與主軸功率法。⑤空刀進(jìn)刀量法。⑥深度與切寬圖表復(fù)合法。這些方法大多是要配合使用，以得到最好的優(yōu)化結(jié)果。如圖2所示，只要在軟件中設(shè)置好適當(dāng)?shù)膮?shù)就可以得到很好的優(yōu)化數(shù)據(jù)。

3. 優(yōu)化實(shí)例

機(jī)床：三軸立式加工中心U1000?？刂葡到y(tǒng)：FANUC 0i。零件：THJX-X噴管座。毛坯：截面為方形的規(guī)則毛料，如圖4所示。刀具：直徑D=14mm，底角r=1mm，合金銑刀。直徑D=10mm，底角r=3mm，合金銑刀。零件材料：45鋼。

圖4　毛坯

（1）在VERICUT中創(chuàng)建該零件的模擬項(xiàng)目，確保程序正確，模擬正確。

（2）創(chuàng)建優(yōu)化庫。添加一個優(yōu)化參數(shù)記錄表。選定優(yōu)化方法：固定體積去除率與主軸轉(zhuǎn)速配合方式。在優(yōu)化參數(shù)記錄表中，設(shè)定切削經(jīng)驗(yàn)參數(shù)D14R1與D10R3 刀具參數(shù)如圖5所示。

圖5　D14R1與D10R3參數(shù)設(shè)置

D14R1體積去除44 625mm3/min，轉(zhuǎn)速3 410r/min；D10R3體積去除42 862mm3/min，轉(zhuǎn)速4 500r/min。

設(shè)定設(shè)置參數(shù)。選擇增加更多切削步：25，解析度距離：5mm，最小速度變化：50，光刀速度：3 000 mm/min。

設(shè)定極限參數(shù)。最小切削速度：100mm/min。最大切削速度：2 000mm/min。

（3）調(diào)用優(yōu)化庫進(jìn)行程序優(yōu)化。點(diǎn)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On，材料（Material）鋼，機(jī)床（Machine）U1000，仿真程序，分析優(yōu)化結(jié)果（見圖6和圖7）。

圖6　優(yōu)化前單一進(jìn)給切削結(jié)果

圖7　優(yōu)化后不同進(jìn)給切削結(jié)果

經(jīng)過仿真模擬試驗(yàn)，得到了以上兩種切削結(jié)果。比較優(yōu)化程序前后切削模型結(jié)果來看，優(yōu)化前（見圖6）進(jìn)給速度單一，為照顧余量大的地方，進(jìn)給給了最小的F250；而優(yōu)化后（見圖7）的模型的不同顏色分析可以看出，在切削零件的過程中，根據(jù)部件余量的不同，被優(yōu)化后給予不同的進(jìn)給速度。最大F2000是優(yōu)化前F250的8倍，而其中還有F100可以更好地保護(hù)刀具，防止崩刃和傷害主軸。

優(yōu)化的結(jié)果不光是平衡刀具切削負(fù)荷，還應(yīng)該提高刀具壽命和加工效率。通過以上仿真獲得最短的加工時間，如附表所示。

從附表可以看出，以THJX-X噴管座粗、精加工為例。通過對兩把刀具優(yōu)化，說明兩把刀總共優(yōu)化了8.43min，且刀具因?yàn)榍邢髯枇鶆?/p>

優(yōu)化前后加工時間比較表

4. 結(jié)語

隨著航宇公司的發(fā)展，精密加工車間的數(shù)控加工中心將越來越多，加工的零件也越來越復(fù)雜，客戶對產(chǎn)品的質(zhì)量要求也越來越高。提高機(jī)床效率、降低加工成本是目前車間的首要任務(wù)。這就要求數(shù)控加工編程人員能夠盡可能創(chuàng)建最高效的加工環(huán)境。通過本文的研究，可以有效地避免極端保守的進(jìn)給速度，以切削速度進(jìn)給的空刀運(yùn)動，以硬質(zhì)合金刀具切削很薄或很少材料時引起的表面質(zhì)量差、刀具壽命短及破壞刀具等情況的發(fā)生。從優(yōu)化實(shí)例可以看出，通過優(yōu)化切削參數(shù)，獲得合理的進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速，提高了產(chǎn)品加工質(zhì)量和效率，為降低加工成本提供了有效途徑。

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收稿日期：（20150315）