数控加工仿真技术发展现状与趋势

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1、现状与趋势任景刚(中航工业西安航空发动机(集团)有限公司，西安710n21)展【摘要1数控加工仿真技术在预防加工过程的缺陷、优化加工过程参数等方面有着不可替代的作用，近年得到了越来越广泛的应用。介绍了国内外数控加工仿真技术的研究进展，重点阐述了几何仿真以及物理仿真中涉及的关键技术，包括切屑预测、力热耦合作用模拟、加工变形预测和刀具磨损预测。最后，对数控加工仿真技术现存的问题进行了分析，并对数控加工仿真技术的发展趋势作了探讨。关键词：数控加工；几何仿真；物理仿真；智能加工DOI：10．16080／i．issnl671—833x_2016．05．062高级工程师，1998年毕业于西北工业大学．

2、中航工业西安航空发动机(集团)有限公司机匣中心技术主任，从事发动机制造技术研究与实践，在新材料和新结构的薄壁机匣加工和仿真技术方面具有比较丰富的经验。62航窄制造技术·2016年第5期为确保数控加工过程的正确性，在数控加工之前对加工程序进行验证是一个十分重要的环节。目前，计算机仿真技术的发展使得在计算机环境中对数控加工过程进行验证的技术在实际生产中广泛应用。采用仿真方法可以在计算机上模拟出加工走刀和零件切削的全过程，直接观察在切削过程中可能遇到的问题并进行调整，而不实际占用和消耗机床、工件等资源。此外，还可以利用计算机仿真技术预先对数控加工结果进行估计，统计各种加工数据并对加工过程进行优化

3、，实现智能化的加工。数控加工仿真的主要目的包括：(1)检验数控加工程序是否有过切或欠切。通过数控加工仿真，可用几何图形、图像或动画的方式显示加工过程，从而检验零件的最终几何形状是否符合要求，目前主流的cAD／cAM软件中都具备数控加工轨迹模拟及过切、欠切的分析功能。(2)碰撞干涉检查。通过数控加工仿真，可以检查数控加工过程中刀具、刀柄等与工件、夹具等是否存在碰撞干涉，以及检查机床运动过程中主轴是否与机床零部件、夹具等存在碰撞干涉，从而确保能加工出符合设计的零件，并避免刀具、夹具和机床的不必要损坏。(3)切削过程中的力热仿真。近年来，随着仿真技术的发展及实际生产的需要，对加工过程中产生的力、

4、热等物理量的分析受到越来越多的关注。通过仿真切削过程中力、热等物理量，可以对加工过程中的受力状态、热力耦合、残余应力等进行分析，从而为加工过程控制、切削参数优化等提供参考。(4)切削参数优化。数控加工过程仿真的重要目的之一是切削参数优化，即通过数控加工过程的仿真，发现现有轨迹中存在的问题以及参数设置有待提升的部分，从而对切削参数进行优化以提高加工效率。(5)刀具磨损预测。在难加工材料、高精度材料零件的加工过程中，NEWVIEWPOINT新视点刀具的磨损速率较快且刀具磨损导致零件加工精度和已加工表面的完整性受到影响。因此，预测加工过程中刀具磨损对确保加工精度与工件的表面完整性有重要作用。其中

5、，针对过切、欠切和碰撞干涉检查的仿真通常称为几何与运动仿真，主要是检查数控加工过程中的几何量及运动关系是否正确；力热仿真与刀具磨损的预测等通常称为物理仿真，主要是用于仿真数控加工过程中物理量，并可以对加工后的工件变形与质量进行分析。数控加工中几何仿真几何仿真系统是将数控机床、刀具、工件和夹具组成的工艺系统当作一个刚性系统，不考虑系统的各种物理因素而建立的仿真系统，对加工过程进行直观动态图形描述和精度检验。几何仿真方面主要分为两类：不带机床的轨迹验证和带完整机床的轨迹验证。不带机床的轨迹验证主要用于检验CAM软件中轨迹的正确性，并对加工过程中可能出现的过切或欠切、碰撞干涉等进行判断。目前主流

6、的cAD／cAM软件以及Vericut、NCSIMuLMACHINE等数控加T仿真软件都具备较为成熟的轨迹验证功能，这一仿真技术发展已较为成熟。图l所示为SiemensNx软件加工仿真结果，采用不同的色彩来标识加工余量，从而可以判断过切或欠切量。图1SiemensNX软件加工仿真结果Fig．1Machiningsimu⋯Onres卟w．1hSiemensNXsOftware带完整机床的轨迹验证除了可以对加工轨迹本身的正确性进行验证外，还可以对机床的运动过程、潜在的机床碰撞等进行分析。加工过程中，一旦发生碰撞事故，不仅维修难度大、费用高，延误生产计划，造成严重经济损失，更会对机床操作工人的人

7、身安全带来威胁。因此，数控机床运动的防碰撞成为了数控加工的关键问题之一。目前主流的CAD／CAM软件以及Vericut、NCSIMULMACHINE等数控加工仿真软件都具备带完整机床的仿真功能。通过对完整加工环境的建模与配置，可以实现对加工过程的仿真(图2)。图2SiemensNX软件加工过程仿真Fig．2Machiningprocesssimu⋯OnwilhSjemensNXsOffware上述软件的仿真过程通常为离线