基于VERICUT的多轴加工仿真研究及应用

江水 ,张璐 ,韩勇

武汉重型机床集团有限公司 湖北省武汉市   430205

摘要：基于UG和VERICUT软件的特点，对机床部件加工环境及加工过程进行模拟，并对加工过程进行优化，提高加工质量和效率。

关键字：多轴加工  仿真  模拟优化

1.引言

随着航空航天、航海船舶、国防军工产品设计精度的不断提高以及设计结构的日益复杂，产品的加工时间和加工成本也在不断增加，为保证产品的生产周期和加工质量，降低生产成本，我们对加工的准确性和安全性有了更高的要求。

在生产过程中，零件结构越复杂，所需的加工程序越复杂，程序正确率难以保证。极大的影响了产品的生产周期和质量。针对某船舶零部件的加工，为保证加工程序的正确性、安全性，以及在保证质量的前提下提高效率，我们利用UG和VERICUT软件对机床部件的加工过程进行模拟优化。

2.应用零件的程序编制

根据用户需要，需对零件进行多轴编程铣削。首先对零件模型建立、加工方式选择、刀具类型及尺寸选定，在利用UG软件编制过程中，通过驱动方式、加工边界以及加工参数等相关内容的设定，生成零件的加工程序。

图1  UG加工轨迹

3.VERICUT仿真

3.1机床的构建

VERICUT机床构建过程完全按照机床运动原理进行分解，通过组件和模型的相对位置关系和相对运动关系来定义机床原点、运动轴的方向、模型定位等设置。在实际构建过程中，将实际数控机床实体按照运动逻辑关系进行分解，并为各部件构筑较为简单的数学模型，然后按照它们之间的逻辑结构关系进行组装。

我们使用的武重集团自制VTM5925五轴加工机床进行仿真机床构建，VERICUT机床构建流程主要分为以下三个步骤：

①建立机床运动轴组件拓扑结构

 

 

图2 Vericut机床构建项目树

②建立机床组件模型

拓扑结构建立好之后，相应增加各机床组件模型，如X/Y/Z/C/A轴、床身、主轴等。由于数控机床的干涉和碰撞主要发生在旋转轴、主轴与零件之间，所以组件模型的尺寸大小、坐标位置关系必须与实际机床结构完全相同，作为干涉、检查碰撞的主要依据。由于机床模型复杂，所以先在UG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。

图3  UG绘制机床及工件三维模型

③设定机床相关参数

机床运动结构定义完成后，需对机床进行初始化设置，如机床干涉检查、机床初始化位置、机床行程等。并设置机床控制系统。这些参数一般可以从机床厂家得到，也可以通过实地测量来获取这些数据。

图4  机床初始位置及行程设置

3.2建立刀具库

一般常规刀具可以直接在刀具管理器中建立，选择刀具类型，添加刀柄及刀具尺寸，并设置刀具对刀点及刀具位置。对于特殊形状的刀具，可以在UG中建立刀具模型，并输出成STL格式模型文件。在刀柄尺寸设置完成后，添加刀具模型文件，生成刀具。

图5  刀具建立

3.3仿真优化实例应用

某航海零件加工批量大，曲面精度高。主要采用vericut软件对加工程序的正确性进行验证，防止过切及欠切，避免加工过程中的碰撞，以及提高加工效率。

仿真及优化主要流程如下：

图6  过切仿真示意图               图7  正确程序仿真示意图

无论是手工编程，还是软件编程，其程序的速度一般比较固定，可以给定一些下刀、抬刀速度，但无法得知每步的切削量，从而无法根据切削量调整切削速度。

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，再和切削参数经验值或刀具厂商推荐的刀具切削参数进行比较。当计算分析余量大，Vericut就降低速度；余量小，就提高速度，进而修改程序。

图8  切削参数设置界面

Vericut切削速度优化方法通常有以下两种：

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。该优化模式主要应用于材料切削余量变化较大，即粗加工阶段。此方式不存在大余量切削的情况，能有效保护机床和延长刀具寿命。

图9  优化设置界面

②恒定切削厚度方式优化。在切削时，通过变化进给率保持恒定的切削厚度。当切削厚度大于理想的切削厚度，降低进给速度；当切削厚度小于理想的切削厚度，提高进给速度，动态的维持切削厚度相对恒定，切削力平稳。该优化模式主要应用于半精加工、精加工，能有效提高加工质量。

图10  优化前后效率对比

根据实际加工状况的不同，可使用不同的优化方式对程序进行优化。对于此航海零件精加工优化后节省加工时间32.9%，提高加工效率，降低了加工成本。

4.结语

使用Vericut建立真实的机床模型和零件模型能有效模拟加工过程，通过仿真加工能准确验证程序的正确性达到100%。有效避免了过切及碰撞引起的加工质量及安全问题。通过模拟优化，有效提高了加工效率，降低加工成本，增强企业竞争力。