馮松濤，吳玉厚，侯寶佳，趙德宏，張 珂

（1.沈陽建筑大學(xué) 交通與機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110168；2.中國(guó)建筑科學(xué)院 建筑機(jī)械化分院，廊坊 065000）

0 引言

異型石材多功能復(fù)合加工中心SYH4608具有八軸雙五聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工功能，主要用于高檔異型石材制品的加工。然而對(duì)于具有復(fù)雜曲面的石材制品，經(jīng)過自動(dòng)編程生成的刀具路徑和NC程序十分復(fù)雜，加工過程中刀具軸矢量變化頻繁。優(yōu)化加工工藝與切削參數(shù)是實(shí)現(xiàn)高效數(shù)控加工的必需環(huán)節(jié)，正確合理地選擇切削參數(shù)對(duì)確保產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本起著十分重要的作用。

近年來，隨著數(shù)控(NC)技術(shù)的普遍應(yīng)用，以及各種先進(jìn)制造技術(shù)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)輔助時(shí)間大大降低，相應(yīng)地，切削時(shí)間所占的比重就大大提高。因此縮短切削加工時(shí)間，對(duì)提高生產(chǎn)率起著重要的作用。

加工仿真技術(shù)是在實(shí)際加工前,通過模擬真實(shí)的加工條件，對(duì)加工過程進(jìn)行仿真和預(yù)測(cè)的一種現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)。通過VERICUT加工仿真，改進(jìn)加工程序，優(yōu)化能夠保證刀軌具有最佳的進(jìn)給率或主軸轉(zhuǎn)速，能夠消除多種不必要的因素，如過于保守的進(jìn)給率、在空程時(shí)仍然使用切削進(jìn)給率等，在最短的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出高質(zhì)量的零件，達(dá)到切削參數(shù)的優(yōu)化，有有效的實(shí)用價(jià)值[1]。

本文以異型石材典型的制品——羅馬柱為例,通過使用VERICUT軟件建立的機(jī)床虛擬模型對(duì)UGNX自動(dòng)生成的NC加工程序進(jìn)行加工過程仿真,并進(jìn)行優(yōu)化。

1 加工中心仿真建模

1.1 加工中心建模

機(jī)床為異型石材多功能復(fù)合加工中心SYH4608[2]。Y軸部件為雙立柱進(jìn)給；X軸為滑鞍，沿橫梁上橫向移動(dòng)，與Y軸垂直；雕銑頭沿Z1垂直進(jìn)給，繞B擺動(dòng)；鋸片車銑頭沿Z2垂直進(jìn)給，繞C擺動(dòng)；旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)在C軸上；臥式旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)在A軸上。

加工中心模型主要由幾何模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型組成，要求不僅具有與實(shí)際機(jī)床類似的外觀，而且其結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)方式也要與實(shí)際機(jī)床相同，然后再建立其它制造資源如刀具、工件和夾具等的幾何模型，指定刀位軌跡或NC程序，并配置相應(yīng)的參數(shù)，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)加工工程的仿直和優(yōu)化。

圖1 加工中心3D建模

在VERICUT中，使用組件樹(Component tree)描述機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。先建立機(jī)床的組件樹，然后再建立其幾何模型（Model），從而得到機(jī)床的仿真模型，有利于對(duì)整個(gè)模型概念的清晰把握，高效率的建模而且不易丟失個(gè)別部件，降低日后糾錯(cuò)的難度。加工中心3D模型如圖1所示：

1.2 模型輔助設(shè)置

整個(gè)模型完成后，要為其配置控制系統(tǒng)，VERICUT自帶一些通用的控制系統(tǒng)文件，方便選擇，如果控制系統(tǒng)不存在，還可以自己把已有的控制系統(tǒng)加入到控制系統(tǒng)庫(kù)文件中。筆者自建沈陽藍(lán)天數(shù)控NC110系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際情況選擇刀具,建立刀具庫(kù)，添加夾具和毛坯實(shí)體，調(diào)入加工需要的NC程序，設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)。

進(jìn)行加工過程的仿真。仿真時(shí)，一方面可以通過對(duì)模型進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、截切剖面等操作并結(jié)合系統(tǒng)提供的LOG日志文件，觀察工件的加工和干涉情況,并進(jìn)行尺寸測(cè)量和廢料計(jì)算；另一方面,還可以利用系統(tǒng)提供的AUTO-DIFF模塊，進(jìn)行加工后模型和設(shè)計(jì)模型的比較，以確定兩者間的差異以及過切和欠切情況。

2 仿真加工及優(yōu)化

2.1 設(shè)備及刀具

異型石材多功能復(fù)合加工中心SYH4608是在國(guó)外先進(jìn)的石材機(jī)械發(fā)展的前提下，根據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求和國(guó)際石材機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)，自主研發(fā)的加工中心，旨在具有單機(jī)多功能化、高速高效化、人性化、環(huán)保等多種國(guó)際先進(jìn)水平。本次加工仿真使用，X、Y、Z以及雕銑頭和臥式旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的五軸聯(lián)動(dòng)。以下再做主要參數(shù)如下：

1）加工中心：SYH4608車銑復(fù)合加工中心，機(jī)床額定功率P=13kW，主軸轉(zhuǎn)速n=8000～12000rpm，進(jìn)給速度vfmax=0～2250mm/min。

2）工件材料：花崗巖，尺寸為：R250mm×H1300mm。

3）刀具：刀具參數(shù)T1為：外徑254mm,齒寬3.2mm，板厚4mm，齒數(shù)50T，金剛石鋸片；刀具參數(shù)T2為： R=2mm，H=50mm，刀齒數(shù)Z=2，金剛石球頭銑刀。

4) 加工要求：加工異型石材典型制品羅馬柱外形柱身，分鋸片開粗和銑刀精加工兩步完成。

2.2 加工仿真

使用VERICUT進(jìn)行加工仿真，不但能用彩色的三維圖像顯示出刀具切削毛坯形成零件的全過程，還能逼真地顯示刀具、夾具、機(jī)床的運(yùn)行過程和虛擬的工廠環(huán)境，在準(zhǔn)備工作完成后，通過VERICUT有下角的Reset復(fù)位，進(jìn)行仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 加工仿真結(jié)果

2.3 刀具軌跡與切削參數(shù)優(yōu)化

通過讀入NC刀具軌跡文件將走刀劃分成許多細(xì)小的運(yùn)動(dòng)，再根據(jù)程序各段的材料去除量，為各段切削設(shè)定了最佳進(jìn)給速度或主軸轉(zhuǎn)速，輸出了一個(gè)等效于原始文件但又改善了進(jìn)給速度或主軸轉(zhuǎn)速設(shè)置的新的刀具軌跡文件，但并沒有改變刀具軌跡，所以不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的加工結(jié)果。

2.3.1 數(shù)學(xué)優(yōu)化函數(shù)

當(dāng)工件、刀具、機(jī)床參數(shù)都確定后,影響生產(chǎn)效率的主要因素為切削速度 νc、進(jìn)給速度νf、切削深度(軸向切深)ap和切削寬度(徑向切深)ae。

切削速度主要由主軸轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，公式如下：

進(jìn)給量由沒齒進(jìn)給 決定，公式如下：

其中，z為齒數(shù)，n 為轉(zhuǎn)速

由公式(1)(2)看出，主軸轉(zhuǎn)速同時(shí)決定切削速度和進(jìn)給速度。在變量設(shè)計(jì)上，重點(diǎn)考慮主軸轉(zhuǎn)速的作用，基于VERICUT的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要針對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐中常用的最高生產(chǎn)率為目標(biāo)函數(shù)，即最短加工工時(shí)，是時(shí)間函數(shù) ，公式如下：

其中：

由此推斷出時(shí)間函數(shù)tw是以主軸轉(zhuǎn)速n，進(jìn)給速度vf，切削深度ap，切削寬度ae等4個(gè)變量構(gòu)成的時(shí)間函數(shù)：

為了正確地進(jìn)行切削加工參數(shù)的優(yōu)化，應(yīng)全面考慮切削加工過程中的約束，尤其是主要約束條件不能遺漏，本次研究重點(diǎn)考慮機(jī)床功率的約束、切削力的約束 、切削速度約束、表面粗糙度約束等。

切削功率應(yīng)小于加工中心提供的的有效功率：

其中，F(xiàn)c為圓周銑削力，Vc為銑削速度，e為機(jī)床利用率；

實(shí)際切削進(jìn)給力不能超過最大允許進(jìn)給力：

其中，F(xiàn)x為軸向進(jìn)給力，F(xiàn)y為徑向經(jīng)給力，F(xiàn)max為最大允許切削力；

切削速度應(yīng)該滿足加工中心主軸轉(zhuǎn)速約束：

其中，nmin、nmax分別為加工中心最低和最高主軸轉(zhuǎn)速；

零件加工要達(dá)到其表面粗糙度要求[3]：

其中，Rmax為最大表面粗糙度；rε為刀具刀尖半徑。

2.3.2 優(yōu)化方法

本研究采用VERICUT的優(yōu)化模塊進(jìn)行求解，它的優(yōu)化設(shè)置是用戶可選擇的。根據(jù)優(yōu)化過程所調(diào)整加工工藝參數(shù)的不同，VERICUT優(yōu)化模塊提供了五種優(yōu)化方法:進(jìn)給速度與深度法、切除率定常法、表面切削速度定常法、空行程切削法以及切削厚度定常法。本研究利用了進(jìn)給速度與深度法來優(yōu)化該模型。這種方法是通過VERICUT的Optipath優(yōu)化模塊，主要優(yōu)化刀具軌跡管理器來生成一個(gè)刀軌優(yōu)化庫(kù)文件。優(yōu)化刀具軌跡庫(kù)實(shí)際上是一個(gè)可以包含多把刀具及在不同切削參數(shù)下的加工工藝的數(shù)據(jù)庫(kù)，利用“Project”樹中的刀具項(xiàng)激活刀具庫(kù)文件，選中指定要添加優(yōu)化的刀具后，“Add” ＞ “Optipath” ＞ “New”激活如圖3所示的刀具軌跡優(yōu)化窗口，優(yōu)化參數(shù)如圖4所示：

圖3 刀具軌跡優(yōu)化參數(shù)

圖4 優(yōu)化數(shù)據(jù)

啟動(dòng)優(yōu)化文件，運(yùn)行加工仿真,輸出優(yōu)化結(jié)果。優(yōu)化是在刀具移動(dòng)模擬過程中被同時(shí)執(zhí)行，而且優(yōu)化后得到軌跡數(shù)據(jù)被寫入專門的優(yōu)化刀具軌跡文件中，當(dāng)模擬過程結(jié)束時(shí)，優(yōu)化自動(dòng)停止。

2.3.3 優(yōu)化結(jié)果分析

仿真優(yōu)化過程中, 可以隨時(shí)變化角度觀察仿真情況，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全與實(shí)際加工中機(jī)床運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同。優(yōu)化數(shù)據(jù)可以通過Status和Graph窗口觀察到，如圖4所示：

復(fù)合加工過程中,優(yōu)化刀具軌跡可平衡各個(gè)工步在各個(gè)加工階段的切削量,從而平衡刀具載荷,使載荷保持在刀具使用的合理范圍之內(nèi),以提高刀具壽命和加工效率。由上圖4觀察得知，仿真優(yōu)化后，異型石材典型制品——羅馬柱的加工時(shí)間由800min縮短為553.99min,提高了加工效率38%。經(jīng)過優(yōu)化加工參數(shù)后大大減少了切削時(shí)間,提高了機(jī)床的利用率,取得了較明顯的優(yōu)化效果。

分析優(yōu)化后的G-code后,發(fā)現(xiàn)仿真主要減少了程序中空走刀,空切時(shí)間優(yōu)化百分比如圖4為20%，并且優(yōu)化提供了刀具切削運(yùn)動(dòng)的速度補(bǔ)償?shù)?。通過Graph圖的觀察鋸片加工和球頭銑刀兩部分都得到了優(yōu)化，相對(duì)來說球頭銑刀部分優(yōu)化較多，主要原因是改精加工部分G-code空走刀比較多，切削量小, 采用環(huán)形走刀,走刀時(shí)間長(zhǎng)。

3 結(jié)論

本文基于VERICUT軟件在尺寸標(biāo)準(zhǔn)一致的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了異型石材多功能復(fù)合加工中心SYH4608的數(shù)字模型，并以典型異型石材羅馬柱為例，進(jìn)行了加工仿真。通過優(yōu)化切削參數(shù)，獲得合理的進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速，使工件的加工時(shí)間縮短了38%。該方法對(duì)縮短切削加工時(shí)間，提高生產(chǎn)率起著重要的作用，為降低加工成本提供了有效的途徑。

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[2] 吳玉厚,吳崗,張珂,陸峰,韓麟,蔣昭霞.異型石材多功能數(shù)控加工中心關(guān)鍵部件的模態(tài)分析[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,25(1).

[3] 艾興,肖詩(shī)綱.切削用量簡(jiǎn)明手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1994.

[4] Chen,Shang-Liang,Wang.Wen-Tsai.Computer aided manufacturing technologies for centrifugal compressor impellers[J].Journal of Materials Processing Technology,2001(9).

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