基于VERICUT數控程序切削速度優化

■中航工業航宇救生裝備有限公司 （湖北襄陽 441003） 方 衛

基于VERICUT數控程序切削速度優化

■中航工業航宇救生裝備有限公司 （湖北襄陽 441003） 方 衛

摘要：隨著金屬加工業的發展，各個機械加工專業廠的數控加工中心越來越多，加工的零件也越來越復雜。提高機床效率、降低加工成本是目前各個加工企業的重要任務。本文主要通過與UG等CAM加工軟件比較，研究如何應用VERICUT仿真軟件的優化功能來優化數控程序切削速度，從而提高數控程序的加工效率、降低刀具損耗及保護機床等。

目前很多制造企業數控銑加工中心，無論是手工編程，還是軟件編程，其程序速度一般比較固定。例如在平時的加工循環指令中常常會遇到為了回到前一下刀點，經常會空走刀，或者切削區間的跨越等基本上是延續固定的切削速度，或者可以給定一些下刀、抬刀速度，但無法根據每步的切削量調整切削速度。所以在實際生產中，常常有機床操作者使用倍率旋鈕，來調整切削速度，操作者的目的：①避免切削余量大，損壞刀具和損傷機床。②提高加工效率。

針對以上的問題，如何在程序中自動避免是問題的關鍵。VERICUT仿真軟件，其優化方式能夠計算每步程序的切削量，再與切削參數經驗值或刀具廠商推薦的刀具切削參數進行比較。經計算分析，發現余量大，降低速度；余量小，速度提高，進而修改程序，插入新的進給速度，最終創建更安全、更高效的數控程序。本文研究如何應用VERICUT仿真軟件的優化功能制作適合精密加工車間生產的優化模塊。

1. 優化原理

（1）VERICUT與UG切削速度優化比較。UG NX6.0中速度優化設置窗口如圖1所示。其優化的方式是根據毛坯與零件設計模型的比較，在生成刀具軌跡時從快進、進刀、切削、跨區移動、退刀及離開等方面的各個階段給予不同的進給速度進行優化。對加工而言速度已經有了很好的改善，但其缺點是：在UG銑削加工中一旦進入切削狀態下，其進給速度為單一的切削速度。以圖1為例，不管刀具切削是0.10mm，還是滿刀14mm切削，其進給速度始終是500mm/min。所以，在UG中這個進給速度就比較死板。進給速度若小，切削0.1mm時浪費時間；若大，14mm滿刀切削時會傷刀具和零件。而圖2所示為VERICUT仿真軟件速度優化設置，恰巧彌補了UG的不足。VERICUT根據切削條件，在切削過程中自動計算切削余量確定各個加工階段最佳的進給速度。其從加工主軸轉速、進給速度、切削深度和切削寬度等因素控制，給定適當的參數來獲得綜合的優化結果。如果編程人員將UG與VERICUT兩種軟件有機地結合使用，將使我們的程序達到事半功倍的效果。

圖1　UGNX6.0速度優化設置

圖2　VERICUT速度優化設置

（2）VERICUT優化原理。由圖3可以看出切削同樣一段余量不均勻的材料，單一進給速度和自動變化進給速度切削的不同。顯然，自動變化的進給速度，可以提高效率，保護刀具，保護機床。實際上，VERICUT優化只是根據切削余量，優化數控程序的進給速度，不改變程序的軌跡。當VERICUT優化時，發現一步NC程序路徑長，而且其切削余量是變化的，則需要優化調整切削速度，并按照設定的優化參數，將原一步數控程序劃分為許多小的運動段，給每段插入新的進給轉速。這些多段程序其軌跡與原程序段一樣，沒有發生任何改變。也就是說，它根據零件材料的去除余量，為被打斷的各小段切削設定最佳的進給速度。輸出了一個等效于原始程序文件，但又改善了進給速度的新的刀具軌跡文件，且沒有改變原來的刀具軌跡。

圖3　不同方式切削余量不均勻材料

2. 優化方法與數學模型

VERICUT優化問題可以作為一個數學模型來研究。該模型由設計變量、目標函數和約束條件三要素構成。

（1）優化目標的確定。當工件、刀具和機床參數都確定后，影響生產效率的主要因素為主軸轉速、進給速度、切削深度和切削寬度等。設定基于VERICUT優化設計所定義的目標函數為

式中，T為加工時間，是設計變量X的目標函數；s為主軸轉速；f為進給速度；l為切削深度；d為切削寬度。

（2）約束條件的確定。加工中，由于受所選機床的主軸額定轉速、進給量、切削轉矩、加工余量和機床功率等限制，加工時設計變量應該滿足以下約束條件。

切削速度應該滿足機床主軸轉速約束為

式中，s為機床主軸轉速；smin、smax分別為加工機床最低和最高主軸轉速；g1（X）、g2（X）分別為最低、最高切削速度。

進給速度要滿足機床額定進給量約束為

式中，f為加工進給量；fmin、fmax分別為加工最小和最大切削進給量；g3（X） g4（X）分別為最小、最大進給量。

銑刀切削約束g5（X）為

式中，d為銑削寬度；D為銑刀直徑。加工余量約束g6（X）為

式中，l為銑削深度；△為加工余量。

機床功率約束g7（X）為

式中，p為機床功率；pmax為機床最大有效功率。

在保證質量的前提下，希望獲得T（X）=（s f l d）最小化，才能提高效率。當然，還需要滿足gi（X）=g（s f l d）（i=1、2…6、7）的條件。VERICUT優化方案有專用的數據模塊來解以上的方程。其提供了6種加工優化方法：①切削厚度法。②體積切除率法。③主軸轉速法。④表面速度法與主軸功率法。⑤空刀進刀量法。⑥深度與切寬圖表復合法。這些方法大多是要配合使用，以得到最好的優化結果。如圖2所示，只要在軟件中設置好適當的參數就可以得到很好的優化數據。

3. 優化實例

機床：三軸立式加工中心U1000?？刂葡到y：FANUC 0i。零件：THJX-X噴管座。毛坯：截面為方形的規則毛料，如圖4所示。刀具：直徑D=14mm，底角r=1mm，合金銑刀。直徑D=10mm，底角r=3mm，合金銑刀。零件材料：45鋼。

圖4　毛坯

（1）在VERICUT中創建該零件的模擬項目，確保程序正確，模擬正確。

（2）創建優化庫。添加一個優化參數記錄表。選定優化方法：固定體積去除率與主軸轉速配合方式。在優化參數記錄表中，設定切削經驗參數D14R1與D10R3 刀具參數如圖5所示。

圖5　D14R1與D10R3參數設置

D14R1體積去除44 625mm3/min，轉速3 410r/min；D10R3體積去除42 862mm3/min，轉速4 500r/min。

設定設置參數。選擇增加更多切削步：25，解析度距離：5mm，最小速度變化：50，光刀速度：3 000 mm/min。

設定極限參數。最小切削速度：100mm/min。最大切削速度：2 000mm/min。

（3）調用優化庫進行程序優化。點擊菜單優化并選擇控制打開優化控制窗口，設置如下：優化模式On，材料（Material）鋼，機床（Machine）U1000，仿真程序，分析優化結果（見圖6和圖7）。

圖6　優化前單一進給切削結果

圖7　優化后不同進給切削結果

經過仿真模擬試驗，得到了以上兩種切削結果。比較優化程序前后切削模型結果來看，優化前（見圖6）進給速度單一，為照顧余量大的地方，進給給了最小的F250；而優化后（見圖7）的模型的不同顏色分析可以看出，在切削零件的過程中，根據部件余量的不同，被優化后給予不同的進給速度。最大F2000是優化前F250的8倍，而其中還有F100可以更好地保護刀具，防止崩刃和傷害主軸。

優化的結果不光是平衡刀具切削負荷，還應該提高刀具壽命和加工效率。通過以上仿真獲得最短的加工時間，如附表所示。

從附表可以看出，以THJX-X噴管座粗、精加工為例。通過對兩把刀具優化，說明兩把刀總共優化了8.43min，且刀具因為切削阻力均勻

優化前后加工時間比較表

4. 結語

隨著航宇公司的發展，精密加工車間的數控加工中心將越來越多，加工的零件也越來越復雜，客戶對產品的質量要求也越來越高。提高機床效率、降低加工成本是目前車間的首要任務。這就要求數控加工編程人員能夠盡可能創建最高效的加工環境。通過本文的研究，可以有效地避免極端保守的進給速度，以切削速度進給的空刀運動，以硬質合金刀具切削很薄或很少材料時引起的表面質量差、刀具壽命短及破壞刀具等情況的發生。從優化實例可以看出，通過優化切削參數，獲得合理的進給量和主軸轉速，提高了產品加工質量和效率，為降低加工成本提供了有效途徑。

參考文獻：

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收稿日期：（20150315）