数控车床切削仿真的研究
 
1 .前言
　　
    虚拟加工过程仿真主要包括几何仿真和物理仿真，如图1 所示。几何仿真不考虑切削参数、切削力及其他物理因素的影响，只仿真刀具-工件几何体的运动。通过翻译数控代码以模拟车削加工能够完成的各种工作如加工外圆、端面、倒角、螺纹、曲线等来验证NC代码的合理性和正确性并检查是否有碰撞、干涉，从而减少或者消除因程序错误而导致的机床损伤、夹具破坏及刀具损坏等现象。目前的仿真系统大多只进行几何仿真， 即对刀位轨迹、工件与刀具的干涉进行校验等，将几何仿真与物理仿真相结合的仿真还比较少。

    切削过程的力学仿真属于物理仿真的一种。切削力是计算切削功率、选择刀具、设计夹具和制定工艺等环节中不可少的数据,对确定合理的金属切削用量，优化刀具的几何参数，都具有非常重要的意义；它直接影响着切削热的产生,并进一步影响着刀具磨损、刀具耐用度和已加工表面质量。将工件的受力分析实时应用在虚拟加工过程当中，不仅能模拟演示由于工件、刀具等的参数改变所带来的受力改变，还能进行及时调整，帮助选择最合适的加工参数。

    2.几何仿真

    （1）模型的建立

  当前主要的三维建模方法主要是有CSG（构造的实体几何法）方法，Brep（边界表示）方法等，它们各有自己的特点。

    CSG 法主要是将某些简单的实体通过集合运算组合成所需要的物体，还可以通过扫描表示法产生一些实体，它的主要特点就是覆盖域比较宽， 但是它能实现的形体有限， 可用于产生和修改实体的算法有限， 构成图形的计算量很大， 比较费时， 所以在切削过程中需要进行大量的计算。

    Brep方法根据顶点、边和面构成的表面来精确地描述三维模型实体， 按照体-面-环-边-点的层次， 详细记录了构成形体的所有几何元素的几何信息及其相互连接的拓扑关系。在各种运算和操作中， 可以直接取得这些信息。这种方法的优点是，能快速地绘制立体或线框模型。此方法的缺点是它的数据空间占用量大， 修改设计不如CGS法简单。

    将CGS 和Brep方法相结合， 可以实现仿真技术中建模上的互补，可以实现普通的切削外圆、端面、切槽及切断等功能，而对于比较复杂的实体如螺纹等，可用三角片逼近的方法实现仿真。

    （2）刀具建模

    刀具主要包含有刀具种类、刀具材料、刀具的几何角度等信息。在车削过程当中， 主要用到了外圆刀， 切断刀， 螺纹刀等几种刀具， 刀具的材料主要有高速钢和硬质合金等， 而刀具的角度则包含了主偏角、前角、刃倾角等众多角度。根据实际需要建立刀具的使用数据库，数据库中包含影响刀具使用性能和切削力大小的各种参数，在切削仿真加工以前根据实际需要可以进行预先设定，如图2所示。

  （3）NC代码编译

    NC代码是由定义了一定功能的大写字母附上数据后组合而成的，一般每条指令完成一个动作，若干条指令按一定结构构成一段程序。主要包括准备功能G代码、辅助功能M代码及F（速度）、S（主轴转速）、T（刀具号指令）等。

    基于数控仿真的目的， 需要从数控程序中提取出仿真系统中工件和刀具有关的运动与状态信息， 并转化成演示过程中工件与刀具的相应状态。模块主要完成以下功能：

    1 NC程序的屏幕编辑或输入，或者调入txt文件打开；
   
    2 对NC代码进行语法分析，主要检查是否存在指令搭配错误、指令顺序错误或者书写格式错误；

    3 对NC程序的刀具选择进行核实；

    4运行中的NC代码程序行高亮度显示，如遇到错误信息则自动报警,为修改NC程序提供帮助。

    （4）仿真动画显示

    在加工仿真过程中，刀具根据NC代码相应程序中的数据进行移动。在刀具和工件相交的时候， 程序通过计算重新编辑工件实体的模型数据， 工件的交互部分被切削掉并在极短时间内进行重绘、记录当前位置。同时运用OPENGL的双缓冲技术， 在前台缓存显示动画中的一帧画面时， 后台缓存正在绘制下一幅画面， 这样可以使加工过程连贯进行， 从而使不连续的刀具加工轨迹显示出近似连续的仿真效果， 执行实体显示的时间也大大地缩短了。
3.切削力、切削功率仿真

    （1）切削力仿真在切削力仿真的过程中， 主要是应用切削力的经验公式。经验公式主要可分为两类： 一类是指数公式， 另一类是按照单位切削力进行计算。在金属切削中， 用指数公式计算切削力得到了广泛的应用。常用的指数形式的经验公式如下：

    式中： 为切削力， 为背向力， 为进给力。 、 、 决定于被加工金属和切削条件的系数。 、

　　 分别为当实际加工条件与所求得经验公式不符合时， 各种因素对切削力的修正系数的积。

切削螺纹时背吃刀量需遵循递减原则，即后一刀背吃刀量需小于前一刀， 切削力计算公式为：

　　其中， 为螺距，N为走刀的次数。

　　（2）切削功率仿真

　　切削功率主要是 和 消耗的功率， 方向并没有位移，所以不消耗功率。

　　切削功率

       是工件的转速。

    在切削过程当中，根据预先选择的工件材料、刀具材料、刀具几何参数，通过NC代码，程序自动查询主轴转速、刀具的切削用量、进给速度及数据库中对应的系数和指数，并代入切削力、切削功率经验公式中，在刀具切削工件的同时，同步演示切削力、切削功率情况。

   4.模拟切削加工实例

    以硬质合金刀具加工强度为0.65GMPa结构钢工件为例，工件的长度为300mm，直径为81mm，车刀的几何角度分别为：主偏角 ，前角 ，刃倾角 。经过粗加工和精加工并最终获得如下工件（图5），切削力和切削功率示意图分别见图6 和图7。

    在模拟切削过程中，在切削同时，程序自动从数据库中查找各相关系数并代入公式，参数 通过NC代码中刀具的切入点、主轴转速及进给速度来获得。在模拟切削的过程当中，系统界面良好， 使用方便，通过平移、缩放、旋转等功能，可以清楚的看到加工的过程，起到了良好的演示加工作用。切削力和切削功率曲线始终与加工过程同步，通过右上角的数字可以清楚的看到当前的受力和功率情况。这样，就可以在保证质量的前提下，通过对切削力和切削功率曲线的研究来获得高生产率和低加工成本的切削用量。

    5.结论

    数控车床切削仿真系统的研究，主要实现了以下几个功能：

    （1）验证了NC代码的合理性，对加工过程中可能出现的干涉、过切、碰撞等情况进行了检验，减小了数控机床的试切风险；

    （2）初步建立了关于一些刀具和工件材料的数据库，能够模仿切削加工过程中的各种状态并实时显示各种切削参数。

    （3）在对切削力、切削功率进行分析的基础上，可以根据生产实际需要从经济角度、生产效率等方面对切削参数进行优化和设计，达到最佳车削加工过程的目的。