基于VERICUT的航空零件加工仿真及优化.docx

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、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；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）。78图2 组件拓扑结构图1 大飞机角材零件模型图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BULLNOSE（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 Manufacturing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 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 置 优 化 模 式 为 哦“On”，在“优化后结果文件”中，给定优化后数控程序 路径和名称。打开信息菜单中的“状态和图表”，并点击“运 行”，即可得到运行优化后状态（图7）。四、结语VERICUT机床G代码仿真技术及优化在航空零件的应用， 可以检验加工程序（尤其是4、5轴的加工程序），保证100% 的加工程序正确，避免了零件试切和机床碰撞事件的发生， 可以缩短制造周期，缩短零件质量，降低了制造成本，同时 可以优化加工程序，为以后的其他产品的应用打下良好的基 础，现在我们在复杂零件中应用VERICUT仿真，可以提高机械加工