鄧 奕

丁 科

付 宏

馬桂軍

(1. 湖南工程學(xué)院機械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411101；2. 湖南省風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 湘潭 411101；3. 陜西航天動力高科技股份有限公司，陜西 西安 710077；4. 杭州開蘭數(shù)控機床有限公司，浙江 杭州 311402)

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基于VERICUT的模具數(shù)控加工仿真及加工路線優(yōu)化

鄧 奕1,2

丁 科

付 宏

馬桂軍

(1. 湖南工程學(xué)院機械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411101；2. 湖南省風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 湘潭 411101；3. 陜西航天動力高科技股份有限公司，陜西 西安 710077；4. 杭州開蘭數(shù)控機床有限公司，浙江 杭州 311402)

VERICUT是一款既能夠進行虛擬加工又能進行刀具優(yōu)化的三維軟件。通過VERICUT數(shù)控仿真軟件對帶商標(biāo)圖案模具零件進行加工仿真及刀路優(yōu)化，檢驗程序加工過程可能產(chǎn)生的干涉碰撞和過切，改善刀具路線，減少不必要的走刀時間，展示了在VERICUT環(huán)境下的加工仿真及優(yōu)化過程。

VERICUT；虛擬加工；數(shù)控仿真；刀路優(yōu)化

VERICUT是美國CGTECH公司開發(fā)的一款專門的數(shù)控加工仿真和優(yōu)化軟件，它可以在軟件中建立虛擬加工環(huán)境，通過三維顯示對NC程序進行動態(tài)模擬，能夠很好地模擬數(shù)控機床的加工環(huán)境和運動過程，從而能夠有效地保護機床并提高加工效率[1]。Mastercam是一款數(shù)控加工的仿真軟件，能夠通過零件的幾何模型生成加工刀路，并導(dǎo)出NC程序。VERICUT 軟件可以仿真多種數(shù)控加工設(shè)備的加工過程，同時對現(xiàn)有的NC程序進行優(yōu)化，優(yōu)化后的NC程序可有效縮短加工時間，在仿真的過程中可以檢查數(shù)控機床加工過程是否出現(xiàn)過切、欠切情況，在實際加工中可以防止機床碰撞、超行程等錯誤[2-3]。因此，將Mastercam與VERICUT相結(jié)合的方法可以有效避免它們各自不足，取長補短。

本試驗在MastercamX9中對某帶商標(biāo)模具進行幾何建模、仿真加工，經(jīng)過后處理生成NC程序，通過VERICUT軟件的優(yōu)化模塊對切削參數(shù)進行優(yōu)化。

1 零件的建模與數(shù)控加工

給出的*.JPG格式文件不能直接進行仿真加工，利用專用的刻字軟件進行矢量化處理，可將*.JPG格式的文件轉(zhuǎn)換為*.IGS格式文件，但是會與原始圖形產(chǎn)生些微偏差，出現(xiàn)精度下降，因此需要依據(jù)圖紙的技術(shù)要求進行編輯處理?？梢酝ㄟ^Mastercam 的位圖矢量化功能對商標(biāo)零件的圖形進行矢量化處理，調(diào)出模具三維模型圖，將處理后的商標(biāo)矢量圖形插入到模具指定位置中，見圖1。

通過對該模具的結(jié)構(gòu)特點分析，該模具零件為一凸臺結(jié)構(gòu)，上表面為一復(fù)雜曲面，內(nèi)有凹槽，因此很難用手工編程的方法進行數(shù)控程序的編寫。于是采用Mastercam X9對該模具零件進行自動編程，對該模具零件進行三維建模，建模完成后，通過Mastercam X9的數(shù)控加工功能的加工模塊對該零件進行數(shù)控仿真加工，生成刀具軌跡路徑和相應(yīng)的NC 程序。

圖1 零件模型Figure 1 Part model

1.1 零件工藝分析

該模具材料采用預(yù)硬鋼8Cr2MnWMoVS，該材料在使用前已經(jīng)先進行了相關(guān)的熱處理，硬度值達(dá)到42～48 HRC，在這個硬度下的材料可以直接進行銑削、雕刻等成型加工，且在精加工完成后不需要再進行熱處理就可以直接使用，可以很好地避免零件材料在精加工完成后熱處理所引起的變形，降低了制造誤差，保證了產(chǎn)品精度。根據(jù)零件模型的特點，在數(shù)控機床上可采用機用平口虎鉗夾緊，以坯料上表面中心為工件坐標(biāo)系的原點，加工過程工序路線見表1。

1.2 切削用量的確定

切削用量是指數(shù)控機床在切削過程中相關(guān)參數(shù)的選用量，主要包括主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量、進給速度3個重要因素[4]。針對不同的機床和切削材料，所選用的切削用量也會有所差異，在零件加工的不同環(huán)節(jié)切削用量的選擇也都不相同。在加工過程中，選用合適的切削用量直接關(guān)系到加工的質(zhì)量。粗加工時，待加工零件對工件表面的精度要求比較低，切削余量較大，為了提高生產(chǎn)效率和降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，一般采用較大的切削用量。精加工和半精加工時，零件表面精度要求高，切削余量較小，要保證零件的加工質(zhì)量，應(yīng)適當(dāng)提高主軸轉(zhuǎn)速并且減少背吃刀量[4]。

(1) 背吃刀量ap(mm)的選擇首先要考慮被加工零件的材料屬性，對于易加工材料可以適當(dāng)增大背吃刀量。其次要考慮銑削加工所用刀具的種類，要在刀具剛度允許的范圍內(nèi)選用合理的背吃刀量。背吃刀量的選擇也要充分考慮機床、夾具所組成的系統(tǒng)的剛度，在剛度允許的條件下可選用較大的背吃刀量以提高生產(chǎn)效率[4]。

(2) 主軸轉(zhuǎn)速n(r/min)的選擇可以根據(jù)切削速度Vc(m/min)的值計算后選取。

很多夫妻之所以會走到離婚的那一步，往往是因為平時沒有及時處理婚姻中出現(xiàn)的各類問題或矛盾。當(dāng)婚姻中出現(xiàn)問題的時候，夫妻之間需要及時溝通。出現(xiàn)問題并不可怕，可怕的是當(dāng)問題出現(xiàn)后，彼此熟視無睹，互不相讓，導(dǎo)致婚姻中的問題越堆越多。夫妻間應(yīng)坦誠相處，做到相互關(guān)照，這樣比贈送禮物更令人高興。

(1)

式中：

N——主軸轉(zhuǎn)速，r/min；

Vc——切削速度，m/min；

D——工件或刀具直徑，mm。

(3) 進給速度的選擇要綜合考慮加工所用刀具的材料和待加工零件的材料，然后根據(jù)材料特性選取合適的進給速度，合理的進給速度可以改善零件的表面質(zhì)量，提高零件加工的精度。粗加工選用大的進給量時，要考慮機床、刀具及夾具所組成的系統(tǒng)的剛度，要在剛度允許的條件下選用較大的進給速度。在精加工時，表面粗糙度要求高時，進給速度應(yīng)較小。由計算查表得切削用量見表1。

表1 數(shù)控加工工序卡片Table 1 NC machining process card

1.3 零件的加工仿真

根據(jù)零件的工藝分析和工序卡，在MastercamX9中對該零件進行數(shù)控加工。首先進入加工界面，先進行粗銑型面，加工過程：

(2) 粗銑型面。依次選擇“刀具路經(jīng)”，在下拉欄中選擇“曲面粗切”，選擇“粗加工挖槽加工”選項。選擇待加工曲面，設(shè)置曲面切削參數(shù)，創(chuàng)建加工刀具路徑，完成該模具零件粗加工第一步工序。刀路見圖2。

(3) 按照步驟二類似可完成剩余工序的刀路創(chuàng)建，見圖3。

圖2 粗銑型面刀具路徑Figure 2 Tool path of Rough milling surface

(4)NC代碼的生成。選擇后處理選項，選擇好輸出文件的路徑，生成各加工刀具路徑的NC程序。

圖3 全部加工刀具路徑Figure 3 Full Tool path

2 零件加工仿真與優(yōu)化

2.1 VERICUT仿真加工與優(yōu)化

VERICUT仿真優(yōu)化就是對生產(chǎn)過程進行模擬，根據(jù)數(shù)控程序中所使用的刀具及每步運動軌跡，計算出每一步程序的切削量，然后與切削參數(shù)值進行比較；通過計算分析，當(dāng)余量大時，降低進給速度；當(dāng)余量較小時，就提高進給速度，VERICUT軟件可以對程序進行修改，同時插入新的進給速度，最終使數(shù)控加工程序更安全、高效[5]189。

優(yōu)化刀具軌跡優(yōu)點：優(yōu)化切削過程的進給速度，改善了刀具路徑，縮短了零件的加工周期，提高了加工的效率；優(yōu)化后的程序加工更加平穩(wěn)，降低了加工過程中刀具顫振，減少刀具磨損，延長了刀具壽命；提高了工件表面的加工質(zhì)量。

刀具軌跡優(yōu)化的基本步驟：① 導(dǎo)入加工設(shè)備和設(shè)計零件；② 導(dǎo)入數(shù)控程序；③ 刀具軌跡進行優(yōu)化準(zhǔn)備；④ 設(shè)定優(yōu)化控制程序；⑤ 選擇交互式優(yōu)化生成優(yōu)化刀具軌跡庫，并在“刀具管理器”對話框中生成優(yōu)化刀具記錄[5]202。

2.2 VERICUT仿真加工與優(yōu)化基本過程

利用VERICUT對數(shù)控加工程序進行仿真的基本步驟見圖4[6]。

圖4 VERICUT工作步驟Figure 4 Work steps of VERICUT

2.2.1 建立虛擬機床模型 啟動UG軟件后，對機床模型、夾具模型、毛坯模型、刀具等進行建模，并設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)和模型坐標(biāo)系，完成后導(dǎo)出STL格式，建立機床組件模型見圖5[7]。

2.2.2 加工仿真 調(diào)用“fanuc0”控制系統(tǒng)，導(dǎo)入在UG中建模完成后導(dǎo)出STL格式的MV610機床模型，建立起虛擬機床模型，創(chuàng)建機床項目樹見圖6。導(dǎo)入夾具和待加工零件模型，創(chuàng)建系統(tǒng)刀具庫見圖7，最后對工件進行虛擬機床仿真加工。根據(jù)仿真結(jié)果可觀察到工件在加工中是否發(fā)生碰撞、干涉等情況，通過主界面菜單欄中“分析”→“自動—比較”對話框可以對仿真加工后的零件進行殘留和過切的比較。加工過程見圖8。

圖5 虛擬機床模型Figure 5 Virtual machine tool model

圖6 機床項目樹Figure 6 Project tree of machine tool

圖7 刀具庫Figure 7 Tool magazine

圖8 VERICUT加工過程Figure 8 VERICUT Process

2.2.3 程序優(yōu)化 在VERICUT系統(tǒng)中，選擇項目樹上“加工刀具”雙擊進入刀具管理器界面，選擇需要添加優(yōu)化的刀具，右擊選擇“添加優(yōu)化”→“新”命令，系統(tǒng)彈出如圖9所示的“優(yōu)化名”對話框，配置1號刀具優(yōu)化庫，設(shè)置零件材料和機床名字。根據(jù)同樣的操作可分別配置后續(xù)刀具的優(yōu)化庫，點擊“進給/轉(zhuǎn)速”選項卡，設(shè)置“軸向切深”“每分進給”“主軸轉(zhuǎn)速”的相關(guān)參數(shù)，單擊“設(shè)定”按鈕，設(shè)置“最小進給率的改變”和“整理進給率”參數(shù)。點擊“極限”按鈕，設(shè)置“最小切削進給率”和“最大切削進給率”。最后單擊添加按鈕，添加該優(yōu)化參數(shù)記錄表刀具庫。

刀具軌跡優(yōu)化庫添加完成后，點擊主界面中菜單欄中的“優(yōu)化”→“控制”選項后，在優(yōu)化控制菜單欄的“優(yōu)化方式”中選擇“開”選項打開優(yōu)化功能。在“優(yōu)化的文件”對話框中選擇優(yōu)化后文件的保存路徑，系統(tǒng)會自動生成文件名，也可以自行更改文件名。在材料選項中設(shè)置零件毛坯的材料屬性，在機床選項中指定加工的數(shù)控加工機床，點擊“確定”即可完成設(shè)置。然后在主界面的菜單欄中選擇“信息”點擊“圖表”。最后重置模型后再對工件進行仿真加工，系統(tǒng)自動輸出優(yōu)化后的數(shù)控程序文件。

2.3 優(yōu)化結(jié)果

VERICUT優(yōu)化后的NC程序文件自動保存在工作目錄下，可以通過主界面菜單欄中的“優(yōu)化”→“比較文件”對優(yōu)化前后的NC程序進行查看和對比。截取部分程序代碼對比，見圖10。優(yōu)化前后加工時間以及優(yōu)化率也可以通過相應(yīng)的日志文件查看。首先利用VERICUT對粗銑型面所生成的刀具路徑進行仿真加工，并利用其優(yōu)化功能對NC代碼進行優(yōu)化，仿真優(yōu)化結(jié)果見圖11，按加工順序?qū)λ袛?shù)控程序進行仿真得到零件加工優(yōu)化時間見表2。

表2 優(yōu)化前后工時比較Table 2 Comparison of time before and after optimization

由表2可知，優(yōu)化后比優(yōu)化前加工時間大大縮短，尤其在復(fù)雜曲面上更加明顯；在精銑型腔曲面是優(yōu)化效率達(dá)到了69.84%。通過對比優(yōu)化前后的NC程序(圖11)可以看出，優(yōu)化后的程序段明顯增多，刀具步進距離變短，優(yōu)化后程序空的切削運動減少，極大地提高了空行程的進給速度，同時隨著切削深度、寬度、角度改變刀具的進給速度也在不斷地變化，而不是原來的固定不變的切削速度。

NCVewer軟件是一個NC程式檢驗程序，可以仿真NC代碼，初步檢驗各種cad/cam軟件產(chǎn)生出來的NC程式的可靠性，通過NCViewer軟件可以對優(yōu)化前后的刀具路徑進行對比。在NCVewer軟件中打開優(yōu)化前的圖案加工程序，點擊“操作”“執(zhí)行”，優(yōu)化前的圖案加工刀具軌跡模擬見圖12，同樣模擬出優(yōu)化后程序的加工刀具軌跡見圖13。通過對比程序優(yōu)化前后的刀具軌跡可以看出，優(yōu)化前后的刀具軌跡并沒有發(fā)生變化，優(yōu)化后加工時間的縮短主要是因為提高了刀具在空行程的進給速度以及對切削參數(shù)的優(yōu)化。

圖9 優(yōu)化刀具庫建立Figure 9 Establish optimization tool base

圖10 優(yōu)化前后程序?qū)Ρ菷igure 10 Comparison of the program before andafter optimization

3 結(jié)論

本試驗通過VERICUT虛擬仿真加工平臺對帶商標(biāo)模具零件的虛擬仿真加工及刀具路徑優(yōu)化，系統(tǒng)地介紹了VERICUT虛擬軟件的仿真過程，通過對比仿真前后的NC程序，可以看出刀路優(yōu)化后的NC程序變得更加復(fù)雜多變，但是刀具路徑基本一致。從優(yōu)化的結(jié)果來看，優(yōu)化后的刀具路徑大大節(jié)省了加工時間，提高了工作效率。

圖11 優(yōu)化時間計算Figure 11 Optimization time calculation

圖12 優(yōu)化前刀具路徑Figure 12 Tool path before optimization

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Optimization on NC machining simulation and machining processing route based on VERICUT

DENG Yi1,2

1DINGKe1

3FUHong3

4MAGui-jun4

(1.CollegeofMechanicalEngineering,HunanInstituteofEngineering,Xiangtan,Hunan411101,China;2.HunanProvinceCoopperativeInnovationCenterforWindpowerEquipmentandEnergyConversion,Xiangtan,Hunan411101,China; 3.ShaanxiAerospacePowerHi-techCo.,Ltd,Xi’an,Shaanxi710077,China; 4.HangzhouKailanNCMachineToolCo.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang311402,China)

VERICUT is one kind of 3D software, which can not only carry on the virtual machining, but also optimize the cutting tool. The VERICUT processing simulation and tool path were optimized for trademark logo mold parts with inspection procedure process, and may produce collision and cut, improve tool route, reduce unneces-sary tool time. The processing simulation and the optimization of the process were showed in VERICUT environment.

VERICUT; virtual machining; NC simulation; tool path optimization

湖南省科技計劃項目(編號：2012GK3077)

鄧奕(1968—)，男，湖南工程學(xué)院教授，碩士。E-mail：13975214119@139.com

2016-10-14

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.11.019