（中航工業(yè)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司，西安 710021）

為確保數(shù)控加工過程的正確性，在數(shù)控加工之前對(duì)加工程序進(jìn)行驗(yàn)證是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。目前，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展使得在計(jì)算機(jī)環(huán)境中對(duì)數(shù)控加工過程進(jìn)行驗(yàn)證的技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。采用仿真方法可以在計(jì)算機(jī)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(jìn)行調(diào)整，而不實(shí)際占用和消耗機(jī)床、工件等資源。此外，還可以利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)預(yù)先對(duì)數(shù)控加工結(jié)果進(jìn)行估計(jì)，統(tǒng)計(jì)各種加工數(shù)據(jù)并對(duì)加工過程進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)智能化的加工。

數(shù)控加工仿真的主要目的包括：（1）檢驗(yàn)數(shù)控加工程序是否有過切或欠切。通過數(shù)控加工仿真，可用幾何圖形、圖像或動(dòng)畫的方式顯示加工過程，從而檢驗(yàn)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(shù)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(shù)控加工仿真，可以檢查數(shù)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(jī)床運(yùn)動(dòng)過程中主軸是否與機(jī)床零部件、夾具等存在碰撞干涉，從而確保能加工出符合設(shè)計(jì)的零件，并避免刀具、夾具和機(jī)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(shù)的發(fā)展及實(shí)際生產(chǎn)的需要，對(duì)加工過程中產(chǎn)生的力、熱等物理量的分析受到越來越多的關(guān)注。通過仿真切削過程中力、熱等物理量，可以對(duì)加工過程中的受力狀態(tài)、熱力耦合、殘余應(yīng)力等進(jìn)行分析，從而為加工過程控制、切削參數(shù)優(yōu)化等提供參考。（4）切削參數(shù)優(yōu)化。數(shù)控加工過程仿真的重要目的之一是切削參數(shù)優(yōu)化，即通過數(shù)控加工過程的仿真，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有軌跡中存在的問題以及參數(shù)設(shè)置有待提升的部分，從而對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以提高加工效率。（5）刀具磨損預(yù)測(cè)。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(dǎo)致零件加工精度和已加工表面的完整性受到影響。因此，預(yù)測(cè)加工過程中刀具磨損對(duì)確保加工精度與工件的表面完整性有重要作用。

其中，針對(duì)過切、欠切和碰撞干涉檢查的仿真通常稱為幾何與運(yùn)動(dòng)仿真，主要是檢查數(shù)控加工過程中的幾何量及運(yùn)動(dòng)關(guān)系是否正確；力熱仿真與刀具磨損的預(yù)測(cè)等通常稱為物理仿真，主要是用于仿真數(shù)控加工過程中物理量，并可以對(duì)加工后的工件變形與質(zhì)量進(jìn)行分析。

數(shù)控加工中幾何仿真

幾何仿真系統(tǒng)是將數(shù)控機(jī)床、刀具、工件和夾具組成的工藝系統(tǒng)當(dāng)作一個(gè)剛性系統(tǒng)，不考慮系統(tǒng)的各種物理因素而建立的仿真系統(tǒng)，對(duì)加工過程進(jìn)行直觀動(dòng)態(tài)圖形描述和精度檢驗(yàn)。幾何仿真方面主要分為兩類：不帶機(jī)床的軌跡驗(yàn)證和帶完整機(jī)床的軌跡驗(yàn)證。

不帶機(jī)床的軌跡驗(yàn)證主要用于檢驗(yàn)CAM軟件中軌跡的正確性，并對(duì)加工過程中可能出現(xiàn)的過切或欠切、碰撞干涉等進(jìn)行判斷。目前主流的CAD/CAM軟件以及Vericut、NCSIMUL MACHINE等數(shù)控加工仿真軟件都具備較為成熟的軌跡驗(yàn)證功能，這一仿真技術(shù)發(fā)展已較為成熟。圖1所示為Siemens NX軟件加工仿真結(jié)果，采用不同的色彩來標(biāo)識(shí)加工余量，從而可以判斷過切或欠切量。

圖1 Siemens NX軟件加工仿真結(jié)果Fig.1 Machining simulation result with Siemens NX software

帶完整機(jī)床的軌跡驗(yàn)證除了可以對(duì)加工軌跡本身的正確性進(jìn)行驗(yàn)證外，還可以對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)過程、潛在的機(jī)床碰撞等進(jìn)行分析。加工過程中，一旦發(fā)生碰撞事故，不僅維修難度大、費(fèi)用高，延誤生產(chǎn)計(jì)劃，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，更會(huì)對(duì)機(jī)床操作工人的人身安全帶來威脅。因此，數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)的防碰撞成為了數(shù)控加工的關(guān)鍵問題之一。目前主流的CAD/CAM軟件以及Vericut、NCSIMUL MACHINE等數(shù)控加工仿真軟件都具備帶完整機(jī)床的仿真功能。通過對(duì)完整加工環(huán)境的建模與配置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過程的仿真（圖2）。

圖2 Siemens NX軟件加工過程仿真Fig.2 Machining process simulation with Siemens NX software

上述軟件的仿真過程通常為離線仿真，針對(duì)數(shù)控機(jī)床加工現(xiàn)場(chǎng)的諸多不確定性因素，西安交通大學(xué)發(fā)展了一種對(duì)數(shù)控加工碰撞干涉檢測(cè)的在線監(jiān)測(cè)方法，開發(fā)了數(shù)控機(jī)床在線運(yùn)動(dòng)防碰撞系統(tǒng)。該系統(tǒng)建立了虛擬數(shù)控機(jī)床，通過從數(shù)控機(jī)床編碼器中實(shí)時(shí)獲取數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行在線運(yùn)動(dòng)仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)碰撞干涉的檢測(cè)[1]。這是數(shù)控加工過程幾何仿真的一種新發(fā)展。

數(shù)控加工中物理仿真

幾何仿真只是對(duì)加工過程中的幾何因素和運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了仿真，而對(duì)加工過程中力、熱、振動(dòng)、變形等并未進(jìn)行仿真計(jì)算。物理仿真能揭示加工過程的物理本質(zhì)，對(duì)了解加工過程中的切削力、切屑、振動(dòng)以及刀具與工件的交互作用等具有重要作用。由于產(chǎn)品的可制造性與切削過程中的物理?xiàng)l件密切相關(guān)，通過切削過程的物理仿真可以模擬切削過程的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性、優(yōu)化切削參數(shù)，確保獲得好的加工表面質(zhì)量。物理仿真的主要內(nèi)容與流程如圖3所示。物理仿真技術(shù)中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括：切屑預(yù)測(cè)、切削力熱仿真、零件加工變形預(yù)測(cè)、刀具磨損預(yù)測(cè)等。物理仿真主要采用有限元技術(shù)，目前較為專業(yè)的切削加工過程物理仿真軟件包括Third Wave AdvantEdge、Deform 3D等。

1 切屑預(yù)測(cè)

切屑預(yù)測(cè)包括瞬時(shí)未變形切屑厚度的預(yù)測(cè)和切屑形狀的預(yù)測(cè)兩類。瞬時(shí)未變形切屑厚度是指刀齒在切削工件時(shí)，刀齒所切削位置尚未發(fā)生變形的切屑厚度，如圖4（a）所示。瞬時(shí)未變形切屑厚度主要通過刀齒與被切削面的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，通常采用解析方法[2]。瞬時(shí)未變形切屑厚度的計(jì)算是物理仿真過程中切削力計(jì)算的重要組成部分之一，其計(jì)算精度在理論上對(duì)切削力預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性有重要影響。切屑形狀預(yù)測(cè)主要是預(yù)測(cè)切屑從刀具前刀面脫離后的形狀，目前主要采用數(shù)值計(jì)算的方式進(jìn)行模擬，如圖4（b）所示。在最新發(fā)展的技術(shù)中，通過基于分層的工件形狀跟蹤，可以精確計(jì)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(shù)控加工過程中的金屬切削過程具有高溫、高速、大應(yīng)變的成形特點(diǎn)，劇烈的摩擦和材料流動(dòng)及變形使得局部的溫度可以在很短的時(shí)間內(nèi)上升幾百攝氏度。因此，劇烈的溫度變化與快速的材料流動(dòng)對(duì)工件表面的成形質(zhì)量以及刀具的磨損會(huì)產(chǎn)生重要影響。溫度的變化會(huì)對(duì)材料的屬性產(chǎn)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(shù)進(jìn)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(chǔ)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(nèi)部的溫度場(chǎng)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(shí)現(xiàn)典型過程的2D與3D模擬，但是計(jì)算周期普遍長(zhǎng)。最新的發(fā)展中，通過預(yù)先建立加工參數(shù)與力熱耦合之間的映射關(guān)系及相關(guān)數(shù)據(jù)庫，可以實(shí)現(xiàn)沿加工軌跡的力熱耦合趨勢(shì)的快速仿真。

3 零件加工變形預(yù)測(cè)

對(duì)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(diǎn)與難點(diǎn)。薄壁零件加工后的變形主要由殘余應(yīng)力引起，而殘余應(yīng)力主要來源于工件毛坯制造過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和加工中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。因此，預(yù)測(cè)加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，進(jìn)而預(yù)測(cè)薄壁工件的變形是加工仿真中的一個(gè)重要研究任務(wù)和研究熱點(diǎn)。目前的研究主要還集中在加工中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的定量預(yù)測(cè)方面。由于殘余應(yīng)力重復(fù)測(cè)量的困難性，定量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性也依賴于測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。然而，考慮工件內(nèi)部初始?xì)堄鄳?yīng)力和加工過程所致殘余應(yīng)力共同作用下的工件變形則很少研究。針對(duì)這一問題，美國(guó)Third Wave Systems公司提出了面向薄壁件加工變形預(yù)測(cè)的實(shí)現(xiàn)流程，如圖6所示[4]。該方案結(jié)合數(shù)據(jù)庫，通過加載工件初始?xì)堄鄳?yīng)力和加工引起的殘余應(yīng)力，利用FEM分析最終實(shí)現(xiàn)對(duì)薄壁件加工變形的預(yù)測(cè)。

圖3 物理仿真的主要內(nèi)容及流程Fig.3 Main contents and flow of physical simulation

圖4 瞬時(shí)未變形切屑厚度與切屑形狀Fig.4 Thickness and form of instantaneous un-deformed chip

圖5 不同時(shí)刻的未變形切屑形狀Fig.5 Un-deformed chip form at different time

圖6 加工變形預(yù)測(cè)流程Fig.6 Machining distortion prediction flow

4 刀具磨損預(yù)測(cè)

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(yīng)力和溫度梯度。同時(shí)，新切出的工件表面通常沒有氧化物或氮化物保護(hù)層，化學(xué)特性較為活躍。因此，刀具的磨損會(huì)直接影響刀具的壽命和工件表面的質(zhì)量。切削加工中刀具的磨損機(jī)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(kuò)散磨損等。由于切削參數(shù)以及刀具-工件材料組合的不同，不同的磨損機(jī)制對(duì)刀具的磨損都有一定的影響。

目前針對(duì)刀具磨損的仿真中，通常采用較為熟知的Usui磨損模型等進(jìn)行仿真，并且在FEM仿真中進(jìn)行了很好的應(yīng)用。然而，目前的刀具磨損仿真多是簡(jiǎn)單幾何形狀的非涂層刀具的仿真。實(shí)際加工中使用的刀具通常是復(fù)雜幾何形狀且?guī)в型繉?，因此現(xiàn)有的仿真方法與真實(shí)加工過程有較大差距。針對(duì)這些問題，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)通過試驗(yàn)校準(zhǔn)改進(jìn)Usui刀具磨損模型，對(duì)刀具的磨損進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示，刀片磨損仿真與試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖8所示[5]。該方法可以有效地對(duì)不同階段的刀具磨損進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖7 刀具磨損仿真流程Fig.7 Tool wear simulation flow

數(shù)控加工仿真技術(shù)存在問題

從目前數(shù)控加工仿真技術(shù)的仿真趨勢(shì)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(gè)方面開展深入研究：

（1）幾何模型的準(zhǔn)確性。目前的仿真技術(shù)中，刀具的幾何模型通常采用簡(jiǎn)化的三維模型進(jìn)行仿真計(jì)算，這導(dǎo)致在仿真精度上受到很大的影響。同時(shí)，準(zhǔn)確計(jì)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(chǔ)切削數(shù)據(jù)庫支持。幾何與物理融合的仿真技術(shù)已成為數(shù)控加工仿真技術(shù)的重要仿真方向，為進(jìn)行復(fù)雜加工過程中的仿真與預(yù)測(cè)，通常需要大量的基礎(chǔ)切削數(shù)據(jù)支持。這些數(shù)據(jù)包括：刀具和工件材料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、基于真實(shí)試驗(yàn)的基礎(chǔ)切削數(shù)據(jù)（力、熱、應(yīng)力數(shù)據(jù)等）。這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性與準(zhǔn)確性對(duì)切削加工過程的物理仿真，以及幾何與物理融合仿真的準(zhǔn)確性有著重要作用。

（3）更多真實(shí)物理因素的仿真與預(yù)測(cè)。在實(shí)際加工過程中，仍有很多對(duì)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(tǒng)中。例如，在真實(shí)安裝過程中，刀具一般會(huì)存在或多或少的偏心，而偏心的尺度通常會(huì)接近甚至超過切削過程中未變形切屑的厚度。這將嚴(yán)重影響銑刀的每齒負(fù)載并造成崩刃或加速磨損，導(dǎo)致實(shí)際加工結(jié)果和預(yù)測(cè)結(jié)果差距較大。因此，考慮到更多對(duì)加工過程有重要影響的真實(shí)物理因素會(huì)對(duì)仿真精度的提高有重要作用。

（4）刀具磨損預(yù)測(cè)。在真實(shí)加工過程中，刀具的磨損一直真實(shí)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(huì)對(duì)復(fù)雜零件的加工精度、表面完整性造成嚴(yán)重影響。因此，如何對(duì)加工過程中的刀具磨損進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)并進(jìn)行控制，是加工過程仿真中的難點(diǎn)。

圖8 刀具磨損仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison between simulated and experimental results of tool wear

數(shù)控加工仿真技術(shù)新發(fā)展

1 幾何仿真與物理仿真的融合發(fā)展

從幾何仿真與物理仿真的發(fā)展及涉及到的關(guān)鍵技術(shù)可以看出，兩種仿真方式由于計(jì)算量的差別一般相對(duì)獨(dú)立發(fā)展。然而，隨著加工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)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(jié)合，并達(dá)到實(shí)時(shí)的仿真速度與精度成為數(shù)控加工仿真技術(shù)發(fā)展的重要方向。近年來，工業(yè)界與學(xué)術(shù)界針對(duì)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(jìn)展。

在Vericut最新版本中推出了ForceTM模塊。該模塊針對(duì)給定的加工條件可以給出最大的可靠進(jìn)給速度，其中計(jì)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(jìn)給速度。計(jì)算過程中，通過分析刀具的幾何形狀和參數(shù)、工件和刀具的材料參數(shù)以及每個(gè)切削位置的切削條件，計(jì)算出理想的進(jìn)給速度。軟件中用到的材料數(shù)據(jù)是從真實(shí)的切削試驗(yàn)中獲取的，而不依賴于有限元分析結(jié)果。為對(duì)多軸數(shù)控加工過程中的物理參數(shù)進(jìn)行更為精確的快速計(jì)算，匈牙利學(xué)者Tukora等基于多維體素模型，采用通用圖形處理器（GPGPU）實(shí)現(xiàn)了對(duì)多軸數(shù)控加工過程與切削力的同步仿真和預(yù)測(cè)[6]。除對(duì)切削力可以進(jìn)行預(yù)測(cè)之外，美國(guó)Third Wave Systems公司的“Production Module”模塊還可以同時(shí)對(duì)多軸加工過程中的切削溫度等進(jìn)行預(yù)測(cè)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。因此，數(shù)控加工過程仿真技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)從單純的幾何與運(yùn)動(dòng)仿真發(fā)展到了幾何與物理融合仿真。

2 數(shù)控加工仿真支撐智能加工技術(shù)發(fā)展

智能加工技術(shù)借助先進(jìn)的檢測(cè)、加工設(shè)備及仿真手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過程的建模、仿真、預(yù)測(cè)，對(duì)加工系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與控制；同時(shí)集成現(xiàn)有加工知識(shí)，使得加工系統(tǒng)能根據(jù)實(shí)時(shí)工況自動(dòng)優(yōu)選加工參數(shù)、調(diào)整自身狀態(tài)，獲得最優(yōu)的加工性能與最佳的加工質(zhì)效[7]。為實(shí)現(xiàn)加工過程工況的在線判定，在線監(jiān)控系統(tǒng)必須獲知每個(gè)切屑位置處的理論數(shù)據(jù)，并將實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。此外，為實(shí)現(xiàn)加工過程的快速在線調(diào)整，數(shù)控機(jī)床實(shí)際運(yùn)行的程序必須是較為接近優(yōu)化結(jié)果的參數(shù)。從數(shù)控加工技術(shù)幾何仿真與物理仿真技術(shù)的發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)可以看出，通過數(shù)控加工仿真技術(shù)可以獲得產(chǎn)品加工過程中優(yōu)化的幾何尺寸信息、切削力信息等。數(shù)控加工仿真技術(shù)可以為智能加工提供理論預(yù)測(cè)值以及很好的優(yōu)化初值，從而為智能加工技術(shù)的應(yīng)用提供支撐。同時(shí)，智能加工技術(shù)在線監(jiān)測(cè)與調(diào)控結(jié)果又可以為離線的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)提供更為真實(shí)的邊界條件、材料參數(shù)等，使得數(shù)控加工仿真結(jié)果更為接近真實(shí)數(shù)據(jù)。因此，數(shù)控加工仿真技術(shù)將逐漸發(fā)展為智能加工技術(shù)的重要組成部分，并相互促進(jìn)與共同發(fā)展。

結(jié)束語

數(shù)控加工仿真技術(shù)在幾何仿真與物理仿真方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，在指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)過程減少或避免加工缺陷、提高加工效率方面發(fā)揮了重要作用。復(fù)雜航空產(chǎn)品生產(chǎn)對(duì)加工過程智能化、產(chǎn)品質(zhì)量一致性程度要求不斷提高，對(duì)數(shù)控加工仿真技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求。幾何仿真與物理仿真技術(shù)的融合發(fā)展為復(fù)雜、多軸數(shù)控加工過程的仿真提供了更多的數(shù)據(jù)與信息，使得仿真結(jié)果更接近于實(shí)際生產(chǎn)過程。因此，利用數(shù)控仿真技術(shù)可為實(shí)際加工過程的切削參數(shù)優(yōu)化、工藝調(diào)整提供支撐，同時(shí)為加工過程的智能化調(diào)控提供進(jìn)給優(yōu)化的初值，從而推動(dòng)智能加工技術(shù)在航空產(chǎn)品加工中的發(fā)展。

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