呂彎彎

（河南應用技術(shù)職業(yè)學院，鄭州 450042）

0 引言

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的飛速發(fā)展，對于數(shù)控加工刀具的數(shù)量和種類的需求量越來越龐大，刀具的刃型[1]也越來越復雜，刀具的加工精度也越來越高。針對具有復雜曲面的零件企業(yè)廣泛都會采取自動編程，提高編程效率。以零件加工的安全性、可靠性為宗旨，通常在零件批量生產(chǎn)前進行數(shù)控仿真，以檢查加工工藝安排的正確性、合理性，在加工過程中是否發(fā)生過切、欠切、刀具與工件碰撞等現(xiàn)象。

POWERMILL[2]是一款專業(yè)的數(shù)控加工自動編程軟件，同時也是CAD/CAM軟件中最具有代表性的軟件。此款軟件在多軸加工方面具有獨特的優(yōu)點，并為用戶提供了多種加工策略。

VERICUT[3]是某公司專為數(shù)控加工技術(shù)量身打造的一款仿真模擬兼仿真優(yōu)化的軟件。該款數(shù)控仿真模擬軟件主要具備以下兩大功能：仿真驗證功能和仿真優(yōu)化功能。仿真驗證功能主要解決了采用試切法加工時所產(chǎn)生的各種弊端，既節(jié)約了生產(chǎn)所需要的加工成本，同時也減少了生產(chǎn)周期，提高加工效率。仿真優(yōu)化功能主要優(yōu)化了銑削加工過程中各個參數(shù)的設置，從而提高了產(chǎn)品的最終加工質(zhì)量和降低了刀具的破損等優(yōu)點。

1 面銑刀盤建模及加工工藝設計

面銑刀盤的整個建模過程和加工過程，在此，以全國職業(yè)院校技能大賽“工業(yè)設計技術(shù)”賽項為案例，闡述整個建模過程、仿真過程和加工過程。首先對實際產(chǎn)品模型進行噴粉→貼標志點→掃描得出的點云數(shù)據(jù)（.asc文件）；導入至點云數(shù)據(jù)處理軟件Geomagic Wrap中對掃描的點云數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理得出的文件（.STL文件）；最后將其導入至逆向軟件Geomagic Dedign X中對其進行逆向處理封裝為實體，將實體模型導出（.STP文件）即可。如圖1所示。

圖1 Design、Stock與Fixture模型

為節(jié)省產(chǎn)品加工時間，毛坯已在CAK6150數(shù)控車床將其外圓毛坯進行粗加工。經(jīng)分析銑刀盤的零件幾何特征，該工件是單個切削刃均勻分布的回轉(zhuǎn)體。正面加工工藝如表1所示；經(jīng)過分析盤銑刀反面的幾何形狀特征，其加工工藝如表2所示。

表1 正面加工工藝方案

表2 反面加工工藝方案

2 刀路軌跡生成及加工程序后置處理

2.1 刀路軌跡生成

無論在CAM/CAD哪款軟件中進行程序的設置，思路都是一致的?，F(xiàn)將其操作步驟敘述如下：選擇加工環(huán)境（如銑床、車床、線切割等）→創(chuàng)建工件坐標系（MCS）→創(chuàng)建刀具模型→選擇合適加工策略→結(jié)合工件精度要求設置加工參數(shù)→生成刀具路徑→軟件內(nèi)部模擬→優(yōu)化刀具路徑（不產(chǎn)生過切、欠切、撞刀等現(xiàn)象），直至達到最佳加工效果為止。

正面粗加工外形時，采用模型區(qū)域清除策略，選擇大刀具、低轉(zhuǎn)速、大的背吃刀量，快速高效率的將殘料清除，而半精加工和精加工根據(jù)反面銑刀盤幾何形體的不同，采取合理、可靠、效率高的加工策略，例如偏移平坦面精加工、SWARF精加工[4]、優(yōu)化等高精加工、平行精加工等在多軸加工中常用的加工策略，刀軸均通過垂直方式沿曲面進行切削。如圖2所示。

圖2 刀路軌跡

2.2 加工程序的后置處理

后置處理是將CAD/CAM軟件（如UG、Mastercam、POWERMILL等）經(jīng)過一系列的參數(shù)設置生成的刀具路徑，選用適合當前數(shù)控系統(tǒng)的后處理器生成數(shù)控NC代碼。經(jīng)查閱華中HNC-848B（WG-125）機床操作說明書，查到X、Y、Z、A、C相關(guān)軸的轉(zhuǎn)速范圍、行程參數(shù)等，如表3所示。

表3 WG-125五軸聯(lián)動加工中心主要參數(shù)

利用POWERMILL軟件對應的后處理器，根據(jù)華中848B-5axis-BC-TT機床參數(shù)設置相關(guān)參數(shù)，如G代碼輸出的單位、相應坐標軸的行程設置、A軸和C軸的角度活動范圍，生成的.pmoptz后處理文件。

3 VERICUT中機床構(gòu)造

依據(jù)華中HNC-848B五軸聯(lián)動加工中心的實際結(jié)構(gòu)，在VERICUT8.1.1軟件項目樹[5]中，以控制→機床→Base→Y→X→B→C→附屬→Fixture→Stock→Design，Base→Z→Spindle→Tool的順序定義五軸聯(lián)動數(shù)控機床[6]各個部位之間的附屬關(guān)系（圖3）。

圖3 運動控制文件與本體結(jié)構(gòu)文件

4 加工仿真與優(yōu)化

4.1 仿真過程

VERICUT軟件是一款專門為數(shù)控模擬仿真設計的軟件。這款軟件擁有多種不同系統(tǒng)[7]不同類型的機床模型、加工刀具模型、多種多樣的零件模型等重要組成部分組成的三維模型，更直觀、清晰地模擬、驗證整個的加工過程，在虛擬的環(huán)境中完成對NC程序的檢驗以及優(yōu)化。

（1）仿真模型和仿真系統(tǒng)的建立與選擇

在VERICUT仿真軟件中，建立機床模型有兩種方法。①通過VERICUT仿真軟件中自帶的機床模型[8]，根據(jù)實際加工的機床系統(tǒng)進行選擇即可；②通過其他三維造型軟件建立機床三維模型之后導入VERICUT仿真軟件中即可。

（2）虛擬機床基本參數(shù)的設置

仿真的實體三維模型建立好以后，必須以機床的實際參數(shù)情況為依據(jù)（機床各類主要參數(shù)可查看機床參數(shù)說明書），對機床的基本參數(shù)進行設置。包括行程位置、幾個運動軸的極限位置、換刀等基本參數(shù)[9]，用來保證仿真機床的運動軌跡與實際機床的運動軌跡保持一致。在仿真過程中一旦出現(xiàn)撞刀、干涉、超程等情況時，在實際加工中也會出現(xiàn)，同時仿真系統(tǒng)也會出現(xiàn)報警，因此，需要對程序進行二次優(yōu)化。

（3）刀具庫建立

VERICUT仿真軟件自帶的有刀具管理庫，同時也可以把自己常用的各種型號的刀具建立好，儲存在刀具管理庫中，用的時候方便調(diào)用。刀具庫里并且還優(yōu)化了對刀點[10]、刀柄、刀刃和各種刀片等參數(shù)。用戶也可以根據(jù)實際生產(chǎn)的需求對以上參數(shù)進行調(diào)整，從而建立更多適合實際加工機床刀具的數(shù)據(jù)庫，方便后續(xù)階段直接調(diào)用。

（4）機床加工過程仿真

在項目樹中依次導入Fixture（夾具）、Stock（毛坯）、Design[6]（設計）等STL模型文件，構(gòu)建與實際加工環(huán)境相同的數(shù)控機床仿真環(huán)境。在數(shù)控仿真模擬加工過程中要特別注意觀察機床主軸、刀具、夾具、工作臺、工件之間的空間位置關(guān)系、加工過程中是否會出現(xiàn)機床運動是否超出行程極限[7]干涉、過切、欠切、數(shù)控代碼的正確性、可靠性等。只要在數(shù)控模擬仿真過程中所加工的工件出現(xiàn)紅色部位就一定要認真仔細檢查，防止在實際加工過程中發(fā)生不可挽回的過失。

4.2 結(jié)果比較分析

數(shù)控仿真過程結(jié)束后，可以通過不同顏色的顯示，觀察出過切、漏加工、碰撞等結(jié)果，繼而對原先的數(shù)控程序進行修正，直至顏色顯示正常（綠色為正常，紅色為異常），不出現(xiàn)過切、漏加工、刀具碰撞等嚴重的后果為止。零件仿真效果如圖4所示。

圖4 零件仿真效果

5 VERICUT仿真軟件特點

數(shù)控仿真軟件就是一款模擬數(shù)控加工的真實情景，給數(shù)控機床操作者營造一個虛擬的加工環(huán)境，以方便數(shù)控操作者根據(jù)實際加工的環(huán)境進行現(xiàn)場操作演練。數(shù)控仿真軟件的優(yōu)點：其一，可以根據(jù)實際加工的需求，進行工件的裝夾，例如所需要的工裝夾具（臺虎鉗、墊鐵、壓板、四爪卡盤、分度盤等特殊夾具）。同樣也可以調(diào)用數(shù)控仿真軟件中的精準對刀儀器[11]進行對刀操作（如機械尋邊器、光電尋邊器、Z軸設定器等），以提高對刀精度、加工精度；其二是數(shù)控仿真軟件可以實時測量工件的加工精度，避免在實際加工中出現(xiàn)過切、欠切等情況，也避免誤操作、程序出現(xiàn)重大錯誤造成不可挽回的過失，可以及時查缺補漏；其三是，多款數(shù)控仿真軟件都具備標準的數(shù)據(jù)端口，可以將計算機輔助軟件（如UGNX、POWERMILL、中望3D等軟件）生成的程序G代碼傳輸?shù)綌?shù)控仿真軟件中，進行模擬仿真加工；其四是，對于數(shù)控實訓教學這是最大的優(yōu)勢，利用數(shù)控仿真軟件可以提高學生的自信心，更提高了學生實踐動手能力。在學習中養(yǎng)成查缺補漏的習慣，同時也養(yǎng)成良好的職業(yè)道德規(guī)范，這都是對學生今后的學習道路有益處的地方。

6 結(jié)束語

本文主要闡述了銑刀盤的建模過程[12]、數(shù)控加工工藝的設計、刀路軌跡的生成及后處理、基于VERICUT8.1.1數(shù)控仿真軟件模擬真實加工環(huán)境，分析其加工過程中容易出現(xiàn)的問題及程序的優(yōu)化，并在華中HNC_848B五軸機床上實際加工。經(jīng)過實踐證明，VERICUT8.1.1數(shù)控仿真軟件合理可靠，并提高了實際加工的效率和產(chǎn)品質(zhì)量。本文是將自動編程軟件與仿真軟件相結(jié)合，驗證程序的正確性，從而提高安全性，節(jié)省加工成本。