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1、本文索引号：122本文运用VERICUT软件对典型航空零件的加工过程进行了运动学仿真，模拟实际加工过程中机床、刀具 等运动，检验其中是否存在干涉、碰撞等情况，分析零件的可加工性和工序的合理性，并对加工程序和参数进 行优化，显著提高了加工效率和精度，达到部分或者完全代替试切环节，提高机械加工的准确性，提高产品研 制周期。基于VERICUT的航空零件加工仿真及优化北京星航机电设备厂 王学仓 田梦翠随着计算机技术的发展，基于虚拟制造技术在计算机环 境下构建一个虚拟的加工环境，并在此环境下实现零件的试 切，校验数控程序轨迹合理性及运动部件碰撞可能性，可缩 短零件制造周期及制造成本。VERICUT是由美
2、国CGTech公司 开发的模拟数控机床加工仿真和优化的软件系统。随着企业 产品的生产周期一步步地缩短，生产过程虚拟仿真越来越成 为生产实际的必须。VERICUT软件就是通过在计算机上完成一个个零件的整个数控加工过程，取代传统的切削试验。通 过真实地模拟机床加工过程中零件、夹具、工作台、机床各 轴及刀具切削的运动情况，来避免实际加工中零件的试切， 提高加工效率，提高零件质量，降低生产成本，保护机床和 设备，帮助操作者修正编程错误和改进切削效率。一、航空零件加工程序的编制 航空类零件有着结构复杂、形状精度要求高等显著特在整体叶轮零件加工的程序编制过程中，要对相关驱 动曲面的拟定、驱动曲面形状及比例
3、、刀具的几何形状尺 寸、驱动面的选择、边界约束条件、刀轴空间摆角参数、刀 具轨迹导动策略、切削步数、最大步长和工件内/外公差等 一系列相关参数的设置进行反复调整，控制其刀具轨迹和刀 轴导动矢量，生成合理的刀具轨迹并进行零件的仿真加工， 如图8所示。和UCP800等5轴数控机床上进行多项目加工实验后的零件实 物，结果显示能完全达到图样尺寸精度要求，很好地还原了 零件的设计理念，从而证明该整体叶轮数控加工方案及程序 的可行性。四、结语 叶轮、涡轮系零件的曲面大体上都是直纹曲面和自由 曲面，均可用NX系列软件CAD模块中的曲面造型功能、实体 造型等建造出相应的数学几何模型。NX系列软件中的刀具轨 迹
4、导动策略和刀具轴矢量控制策略，可以采用通用编程方法 对各种不同类型的曲面的叶轮、涡轮系零件的5轴加工程序 进行编制。如图9所示是使用本文编程方法，并在MIKRONUCP60077CAD/CAM与制造业信息化2011年第12期图8 叶轮仿真加工图9 加工出的整体叶轮零件图3 JOBS5轴龙门铣模型示意图C现代制造AMModern Manufacturing点，更有一些薄壁复杂零件以及特种难加工材料的零件的加 工仿真是我们迫切需要解决的问题。图1所示的角材零件是 典型的薄壁复杂零件。床结构完全相同，作为干涉、碰撞检查的主要依据，而X、Y 和Z轴的组件模型则做了简化。此角材零件长度1 820mm，形
5、状比较复杂，底面与侧面 呈不规则角度，连接处曲面特性复杂，且最薄处壁厚1.2mm。 加工过程中需要综合考虑表面残余应力以及加工变形等难控 制因素的影响。综合以上情况，我们采取了预留工艺夹头，多工位翻转 加工，并运用NX软件进行加工程序（5轴加工程序）的编制。由于机床模型复杂，所以先在NX或CATIA等三维软件中构 建机床三维模型，然后以组件为单位逐个输出STL格式模型文 件，注意输出组件模型时的参考坐标系和VERICUT中相应的组 件坐标系须匹配，再以组件为单位导入VERICUT中。JOBS5轴龙 门铣大致模型如图3所示。二、VERICUT建模并仿真VERICUT系统环境下实现数控加工过程的仿
6、真，通过以 下三个步骤实现。（1）建立机床的几何模型和运动学模型。 （2）建立仿真过程所需相关信息，如实体模型，包括 刀具、工件和夹具等几何模型，刀位轨迹或数控加工程序， 配置仿真过程相应参数等。（3）进行数控加工过程的仿真。 1.机床模型和控制文件建立 根据数控机床具体结构形式，构建数控机床各组成部分 的几何实体模型。VERICUT软件只提供了块体、柱体和锥体的 简单模型，对于机床更为复杂的模型建模可以借助NX软件系 统生成实体模型，再以IGES文件格式导入VERICUT。要建立VERICUT机床模型拓扑结构必须先了解机床各轴 之间的相互运动关系及相关参数。尤其是5座标机床，各组 件之间的相
7、对位置关系相对复杂，转动中心之间的偏置，转 动中心轴线到主轴轴线的偏置和转动中心到主轴端面的距离 等参数尤其重要，参数的正确与否直接影响到仿真结果的 真实性。打开组件树（菜单：配置/组件树/），建立如图2所示 组件拓扑结构。拓扑结构建立好之后，相应地增加各机床组件模型， 如：X、Y、Z、C、A轴、床身和主轴等。由于5座标数控机床 的干涉和碰撞主要发生C、A轴、主轴或刀套与零件或夹具之 间，所以组件模型的尺寸大小、坐标位置关系必须与实际机数控机床几何模型设置完成后，还需对数控机床进行 初始化设置和控制系统设定，初始化设置包括机床干涉检查 设置，用于检测机床组件之间是否发生干涉及发生干涉的临 界值
8、；机床行程设置，用于设置机床各移动部件的行程范 围，当仿真过程出现运动超程时系统就会提示报警；机床各 运动轴分配，用于设置快速运动时各轴运动模式；机床数字 控制系统配置，使机床具有解读数控加工代码、进行运动插 补运算和仿真显示等功能。本文仿真选取SIEMENS 840D控 制系统。2.配置仿真毛坯、刀具和程序等 机床模型和控制系统确定后，我们需要根据实际加工情 况配置毛坯、刀具和程序等内容，为仿真提供准备。（ 1 ） 配 置 毛 坯 ： 在 模 型 的 菜 单 下 输 入 毛 坯 的 尺 寸 2000mm114mm55mm，在显示窗口出现毛坯图（图4）。图2 组件拓扑结构图1 大飞机角材零件模
9、型图4 角材毛坯的设定图5 5轴龙门铣建立坐标系栏目主持：丁海骜投稿信箱：其切削余量是变化的，需要优化调整切削速度时，VERICUT可 按照设定的优化参数，将原来一步数控程序打断为多段，给 每段插入新的进给，同样也不改变程序轨迹。（2）配置刀具库：根据实际加工中选取的刀具BULL NOSE（D16R3、D10R3）和BALLEND（D6）建立刀具库。 （3）配置程序：首先设定程序原点，根据零件编程零 点建立编程坐标系，并用该坐标系设定零点。在建立编程坐 标系时，特别要注意3轴机床与5轴的区别。3轴的机床，选 择从“组建-刀具”到“参考坐标坐标系”；而5轴机床 的设定（图5），由于用的5轴龙门铣
10、为双摆头结构，所以应 选择“组建C轴”到“参考坐标-坐标系”。1.优化的基本方法 （1）恒定体积去除率切削方式优化。当单位时间内， 刀具去除材料体积较大时，进给速度降低；去除材料体积较 小时，进给速度提高。假设切削深度、切削宽度、进给速度和材料去除率的经验值为：Ap(mm)、Ae(mm)、F、Vol(mm /s)，则Vol=ApAeF/60。3当切削体积=0时，刀具并未切削材料，实质上刀具在 空走刀，这样，进给速度可以提高，可以提高到机床能承受 的进给速度的最大值，从而大大减少加工时间，获得良好 的加工效率。当刀具切削体积不为零时，计算其体积去除率 Vol，若Vol大于优化库中的体积去除率基准
11、值，降低进给速 度；相反，提高进给速度。这样维持较稳定的体积去除率， 从而保证稳定的切削状况。该优化模式，主要应用于材料切 削余量变化比较大，特别是粗加工阶段。此种优化方式，对 数控机床是一种有效的保护，不会存在大余量切削的状况， 同时，对刀具的寿命提高也有很大的贡献。 （2）恒定切屑厚度方式优化。这种优化方法是在切削 时，通过变化进给率保持恒定的切屑厚度。 首先我们要避免不连续的切削状态，这种状态刀具受力 不连续（哒哒的切削声音），而且因为余量小，这种薄切削 状态，对于刀具磨损也很厉害，所以零件加工表面质量也不 好，刀具寿命也大大受影响。同时也要避免另一个极端（过 载切削状态）。这种状态刀具
12、受力太大，容易变形，零件容 易损伤。我们经常碰到转角时零件被“啃伤”的情况，就是 因为刀具底部余量大，刀具受力变形。 当切削宽度（或切削深度）大于刀具半径（或刀具底角 R）时，切屑厚度大于每齿进给，大于理想的切屑厚度；相 反，当切削宽度（或切削深度）小于刀具半径（或刀具底角 R）时，切屑厚度小于每齿进给，小于理想的切屑厚度。通3.运行仿真，检查干涉碰撞等 以上步骤设置完成后，同样设置其他不同工位，注意毛 坯位置和程序原点位置。运行VERICUT进行仿真，检查加工过 程中是否存在干涉以及碰撞等情况，运行过程如图6所示。三、VERICUT程序优化VERICUT优化就是模拟生成过程切削模型，根据当前
13、所 使用的刀具及每步走刀轨迹，计算每步程序的切削量，再和 我们的切削参数经验值或刀具厂商推荐的刀具切削参数（这 些参数保存在刀具库的优化记录中）进行比较。当计算分 析，发现：余量大，运行就降低速度；余量小，就提高速 度。进而修改程序，插入新的进给速度，最终创建更安全更 高效的数控程序。 从上面分析可以看出，VERICUT的优化是根据切削量优化 数控程序的进给速度。VERICUT优化模块不改变程序的轨迹。 不过，当VERICUT优化时，如果发现一步NC程序路径长，而且79CAD/CAM与制造业信息化2011年第12期图6 VERICUT仿真演示本文索引号：123C现代制造AMModern Man
14、ufacturing过VERICUT优化分析计算切削模型和切屑厚度，当大于理想 的切屑厚度时，降低进给速度，当小于理想的切屑厚度时， 提高进给速度，动态地维持切屑厚度相对恒定，切削力平 稳。该优化模式，主要应用于半精加工和精加工，提高加工 效率和零件表面质量。 （3）两种方式结合优化。在做半精加工和精加工时， 可以同时选择上面两种优化方式。VERICUT优化会分别按照 两种优化方式优化速度，然后比较两个结果，将较小的进给 速度作为最终的优化速度，插入程序中。 2.程序优化 基本加工环境描述如表1。其中，1号刀做粗加工，2号 刀做半精加工，3号刀做精加工。表1图 7 所 示 为 工 步 一 运
15、行 优 化 后 的 结 果 ， 可 以 很 明 显 地 看 出 优 化 前 加 工 时 间 为 5 1 . 1 4 m i n ， 优 化 后 加 工 时 间 为 22.06min，节省时间56.86%，显著提高了加工效率。得到第 一工步加工后形状如图8所示。（1）启动VERICUT，打开前期仿真项目文件。 （2）创建优化库。 给1号刀添加优化参数记录表，并设定切削参数如表2。表2同样对工步二和工步三进行仿真优化，加工时间分别从 优化前的107.50min和25.91min优化为48.55min和14.13min。 综合以上优化，VERICUT优化极大地节省了加工时间， 对提高生产效率有极其显
16、著的影响，同时也对车间的调度提 供详细的排产依据。点击“设置”，设定参数。首先选择增加更多切削 步，然后选择公制。将解析度距离设置为“25”，设置最小 速度变化为“50”。 点 击 “ 极 限 ” ， 设 定 参 数 。 将 最 小 切 削 速 度 设 定 为“300”，将最大切削速度设定为“5 000”，然后点击“修 改”，确定优化参数的设定。 建立2号刀和3号刀的优化参数设定，这样就为每把刀 具创建了一个优化参数记录表，并添加到了刀具库中，和刀 具库文件可以一起保存，以后就可以直接调用或修改。在刀 具库主窗口，保存刀具库文件“Optipath2”。 （3）调用优化库进行程序优化。 点 击 菜 单 ， 打 开 优 化 控 制 窗 口 ， 设
