NCSIMUL在航空薄壁零件加工中的研究和应用

　 NCSIMUL作为制造业的软件解决方案，为数控加工提供了虚拟仿真平台，对于提升数控加工效率具有重要的作用。在NCSIMUL平台上进行数控加工工艺研究，并把研究成果应用于生产实践中，可极大地提升企业对复杂高精度零件的加工能力和效率。本文结合两个航空薄壁类零件数控加工的典型实例展现了NCSIMUL8.7版本环境下数控加工仿真及优化的全过程。随着研究的深入，该虚拟制造技术将应用于更广泛的领域。  

　　数控加工仿真是数控技术、仿真技术与虚拟现实技术等先进技术的交叉应用。

　　实际数控加工过程中，常常为了校验数控程序的正确性，需进行一次或多次试切，同时数控加工参数也需要不断调试，直到确认数控程序能够完成预定的加工要求。这样不仅浪费资源、效率低下，而且可能因操作过程中的碰撞或干涉等问题造成经济损失。数控加工过程仿真则可以很好地解决以上问题，在加工仿真领域，数控加工仿真既是目前理论研究的热点，又是制造业应用的重点。由于零件的三维形状越来越复杂，机床是多轴联动，在加工过程中，加工参数的选择是否合理，零件与机床是否干涉，是否存在过切等现象既相互关联又各自遵循自己的变化规律。

　　工艺人员以现有的工艺水平以及分析计算手段很难考虑到方方面面，所以必须给技术人员提供一种能综合考虑各种因素，能制定、优化数控工艺流程的辅助手段。为此迫切需要应用相对成熟的仿真技术对数控加工过程进行真实加工前的演示与分析，以便在早期及时发现解决问题，避免造成不必要的损失。同时也可以缩短产品的生产周期，提高生产效率，从而降低生产成本。制造业正在进行着以信息技术为载体的技术革命。

　　法国SPRING Technologies公司开发的NCSIMUL软件是世界上应用最广泛的专业数控加工仿真系统，具有强大的三维加工仿真、验证、优化等功能。2010年推出的最新版本8.8版为过程仿真提供了强有力的支持。NCSIMUL软件目前已广泛应用于汽车制造、航空航天、模具制造等行业，其最大特点是可仿真各种CNC系统，能仿真CAD／CAM后置处理的NC程序，其整个仿真过程包含程序验证、分析、机床仿真、优化和模型输出等。图1为NCSIMUL在整个数控加工生产中的定位。  

　　NCSIMUL的性能特点

　　NCSIMUL的产品结构是以客户所需要的高质量解决方案为目标而建立的。解决方案以标准形式提供了所有用于仿真数控机床运动状态、执行生产前检验和分析NC程序的功能。这些标准功能分为：NC程序分析；加工仿真；结果输出；程序优化-OPTITOOL。图2为NCSIMUL进行仿真校验的过程。

　　1 NC程序分析

　　为了最大限度地减少用户用于验证NC程序的时间，NCSIMUL被设计用于分析经过后置处理或手工编制的NC程序。为了广泛满足工业界的需要，NCSIMUL支持结构化的程序(客户编制的子程序)以及使用系统变量、循环、宏程序等。

　　在NCSIMUL的帮助下，没有必要因为确定某些程序问题而对工件加工进行仿真。从加工任务的上载起，NCSIMUL可提供以下功能：

　　（1）刀具轨迹显示

　　用户可自行设定刀具轨迹显示，允许进行可视化的分析，用于排除明显碰撞或可能的加工原点错误。

　　（2）错误报告

　　在实际加工过程仿真之前，NCSIMUL也可检测到所有语法类型的错误，如下所示：

　　（3）动态链接的窗口

　　所有的加工信息、3D视窗、程序窗口等被紧密地链接。任何信息的改变都将被动态更新，因此程序员可凭借远超过真实数控机床上的交互性对NC程序进行分析。

　　（4）刀具序列的循环时间

　　从程序被上载起，NCSIMUL将以表格的形式显示详细的报告，包括每个刀具和每个运动类型的不同时间(快速运动时间、实际加工时间以及总时间等)。NCSIMUL为每个轴计算进给速度、转速、加速度，这会在加工之前使操作人员获得对加工循环时间的精确估计。

　　（5）集成化编辑器下的交互式程序修改NCSIMUL的集成化程序编辑器可让程序员修正检查到的错误或对程序的即时修改进行测试。

　　2 加工仿真

　　（1）支持复杂运动仿真

　　在25年的研发成果基础上，NCSIMUL能够对任何加工中心或多通道铣削加工进行仿真，并无任何轴数目的限制。NCSIMUL以标准形式支持所有机床环境元素(如机床控制面板、传送装置、回转头等)。NCSIMUL被很多知名的大企业所采用，因为它具有能够处理并联机构的能力，尤其是机器人、TRICEPT机床等。

　　（2）接近真实环境的仿真

　　基于创新的技术，NCSIMUL能够在仿真机床运动的同时仿真材料的去除。其具有的3DOpenGL技术能够在不　　中断仿真过程和不影响仿真性能的情况下轻松进行3D操作(缩放、旋转和平移)，或者在多个视窗中动态切换。在任何时候，都可以自动 (如每次报警、换刀等)或手动地中断仿真，以查看被加工工件。

　　（3）探测

　　NCSIMUL以标准形式管理所有的探测工作周期。

　　• 工件探测：原点获取，不对中补偿，测量；

　　• 刀具探测：机械或激光。

　　（4）加工事故的检测

　　在仿真过程中，可以设置对所有类型的碰撞和切削事故(刀具不匹配、主轴停转，刀具在加工工件中的快速移动等)进行检测报警，并在3D视窗中以红色显示报警区域，如图3所示。

　　（5）刀具相对于夹具的伸出长度优化

　　NCSIMUL集成了刀具伸出长度优化功能，此功能被用于：

　　•为每个刀具确定允许的最小伸出长度，以避免刀架和加工环境中的元素(毛坯、夹具)间出现可能的碰撞；

　　• 最小化每个刀具的挠度效应，在提升刀具寿命的同时提高工件表面的加工质量。

　　3 重新定位仿真结果

　　(1）测量

　　NCSIMUL提供所有的测量功能，让用户可在加工中和加工后检查被加工工件。NCSIMUL也支持钻和镗功能，能够执行所有的直径、中心距或镗孔的测量。

　　（2）3D比较

　　NCSIMUL可执行被加工工件与理论CAD模型的比较。用户可以自行设定检查公差，进而以不同颜色动态显示公差范围之外的加工区域(如过切、残余料等)，如图4所示。

　　（3）动态剖面图

　　用户可通过在被加工工件上创建动态剖面，实现内部结构尺寸分析。这些剖面能被转换成在NCSIMUL中用于测量的2D图，或者直接输出到CAD软件，用于其他用途（工艺文档2D图，在其他系统中测量等）。

　　（4）3D结果输出

　　任何情况下，加工工件可以3D格式输出，用于NCSIMUL下的其他加工操作，或在CAM系统中使用。

　　4 程序优化—OPTITOOL

　　基于NCSIMUL的优化设计，是指通过NCSIMUL的优化模块OPTITOOL重新计算进给速度或主轴转速来产生一个优化的刀具加工轨迹文件。优化刀具轨迹并不改变刀具加工的路线，而是确保所产生的优化轨迹文件拥有最佳的进给速度或主轴转速，这样会在最少的时间里生产出高质量的产品。通过选择毛坯和刀具的材料，由OPTITOOL后台的TMP(刀具材料对)数据库对进给速度和主轴转速做最优分析，给加工者提供切削参数的设置指导。TMP数据库是SPRING Technologies给用户提供NC加工解决方案的20多年中积累的宝贵经验，如图5所示。

　　（1）切削条件的分析

　　对刀具轨迹进行分段并计算切削条件，依据特定条件对切削条件进行分析。

　　（2）空行程优化

　　通过设置进退刀的切削参数，在保证安全的前提下减少进刀和退刀运动，提高切削效率。

　　（3）切削条件优化

　　依据刀具与切削区域接触面积的大小调整进给速度，使材料去除率保持恒定。该种方法主要用于粗加工，毛坯余量较大的情况，用此方法优化后的数控加工程序可以高效率地去除零件余量，同时使机床在切削过程中运行平稳。它也可用于对一般要求的精加工程序优化，获得较好的加工表面质量和较高的加工效率。图6所示为针对切削条件的优化。

　　NCSIMUL在航空薄壁类零件加工中的应用实例

　　3.1 NCSIMUL在某航空发动机整体叶轮加工中的应用首先以某航空发动机制造企业叶轮(如图7)的加工为例，介绍基于NCSIMUL8.7环境的加工仿真过程。整体叶轮作为发动机的关键薄壁类部件，对发动机的性能影响很大，它的加工成为提高发动机性能的一个关键环节，其质量直接影响其空气动力性能和机械效率。但是由于整体叶轮结构的复杂性，其数控加工技术一直是制造行业的难点。

　　此型发动机叶轮结构复杂，精度要求很高，采用配置西门子SINUMERIK 840D数控系统、瑞士斯达拉格海科特（StarragHeckert）产的型号为STC1250的带A摆轴、B旋转工作台的卧式五轴铣加工中心进行加工。

　　该叶轮所采取的加工策略为：采用3+2定位五轴加工，尽量减少联动轴数，提高加工的稳定性。采用三维区域清除策略，粗加工留余量0.5mm，下切为3mm，主轴转速 8000r/min，进给速度为1200mm/min。采用赛车道加工，光顺余量，下切方式为螺旋，充分发挥高速加工的效率。也可考虑采用五铀联动方式加工，好处是可以给后续的加工留下更均匀的余量，缺点是联动时切削不如定位五轴稳定。

　　当采取五轴联动加工时，在加工过程中机床、刀具、夹具、毛坯等之间发生碰撞干涉的可能性会更大，所以在加工之前利用NCSIMUL进行仿真就更加有必要了。

　　在NCSIMUL8.7中建立该叶轮加工仿真的步骤如下：

　　（1）开始新建一个工作

　　启动NCSIMUL8.7，新建一个工作任务，在此任务中可添加仿真所必需的所有元素，如机床、控制器、夹具、刀具库、毛坯、程序等等。

　　（2）虚拟数控机床建模

　　在NCSIMUL中，使用NCMOTION模块来构建机床的运动学模型。因此，可以先建立机床的构建树模型，然后再建立几何模型，从而得到机床的仿真模型。在运动学模型的基础上，依运动链的顺序按实际的外形尺寸为每个运动部件添加表示其形状特征的几何模型。NCSIMUL本身提供一些基本体(如长方体、圆锥和圆柱体等的模型。大多数机床部件由这些规则形状的基本体经过交、并、差等集合运算即可表示，因此可利用NCSIMUL本身提供的建模功能来绘制机床部件的几何模型：先添加所需的基本体，然后利用平移、旋转、面配合和面齐平等操作来实现各基本体间以及各零部件间的相对装配关系，这些操作本质上都是通过基本体和零部件的局部坐标的平移和旋转来实现的。如果机床零部件包含不规则的复杂形状，则可通过NCSIMUL的模型文件导入功能引入用CAD系统生成的零部件模型(格式如IGES、STL和STEP等)来对特殊形状部件进行描述。在NCSIMUL 8.7中对该五轴加工中心建立的运动学关系树和相应的机床几何实体模型如图8、图9所示。

　　（3）指定机床控制系统文件

　　调用NCSIMUL 8.7中已集成的西门子SINUMERIK 840D系统。NCSIMUL软件本身提供了近百个数控系统文件，包括了从两坐标到五坐标、从FANUC、HEIDENHAIN到SIMENS的各种数控系统，完全可以满足实际应用的需要。

　　（4）刀具库建模

　　添加一个刀具库，定义加工该叶轮所需的所有刀具，类型可包括铣刀、车刀、镗刀、螺纹铣刀和探头等，对于结构复杂的刀具，NCSIMUL还提供了NCProfile 模块来进行任意形状刀具的定制。针对该叶轮加工的刀具库构建如图10所示。

　　（5）工件毛坯和夹具建模

　　夹具建模的主要目的是检测夹具和机床的其它运动部件之间的干涉和碰撞，毛坯和夹具的建模可利用NCSIMUL本身提供的建模工具进行构建，也可通过NCSIMUL提供的接口导入由其它CAD软件建好的模型。

　　（6）选择用于该叶轮加工的NC程序，NCSIMUL可支持子程序或者宏程序。

　　（7）使用NCSIMUL提供的初始化功能选项来进行叶轮加工原点的设置，也可添加一些地板、灯光等辅助选项，以使仿真更能贴近现实。

　　（8）开始进行仿真，NCSIMUL对于仿真的速度显示有多种控制，可连续仿真、跳行仿真、不显示中间过程快速仿真，也可灵活设置断点进行程序的调试等。界面如图11所示。

　　3.2 NCSIMUL在某航空主机厂翼肋加工中的应用

　　下面再对某航空主机厂翼肋(如图12)的加工为例，介绍基于NCSIMUL8.5环境的加工仿真过程。

　　翼肋属于薄壁零件，具有刚性好、比强度高等优点，主要由若干侧壁和腹板组成，结构形状复杂，尺寸大但截面积较小，加工工艺性差。在薄壁零件的加工过程中，除了加工变形难以控制外，还会产生切削振动。刀具与工件间的切削相对振动，不仅会影响零件的表面加工质量，降低机床、刀具的使用寿命，还会产生危害操作人员的噪声，严重时使铣削加工无法正常进行。铣削振动是影响薄壁零件加工质量和加工中心铣削效率的关键因素之一。

　　在NCSIMUL最新要推出的9.0版本中，已经集成了有限元分析模块，将在加工过程中薄壁零件的变形、刀具与机床的振动等因素考虑进来，通过对这些因素进行综合调节，可改善翼肋加工后的表面粗糙度，提高刀具、机床的工作寿命，更加符合实际加工的需要。

　　在NCSIMUL8.7中建立该翼肋加工仿真的步骤如下：（基本步骤与前述叶轮的加工相似）

　　（1）开始新建一个工作

　　启动NCSIMUL8.7，新建一个工作任务，在此任务中可添加仿真所必需的所有元素，如机床、控制器、夹具、刀具库、毛坯、程序等等。

　　（2）机床建模

　　在NCSIMUL中，使用NCMOTION模块来构建机床的运动学模型。在NCSIMUL 8.7中对加工该翼肋的MAKINO MAG3五轴加工中心建立的运动学关系树和相应的机床几何实体模型如图12、图13所示。

　　（3）指定机床控制系统文件

　　调用NCSIMUL 8.7中已集成的Fanuc 30m系统。NCSIMUL软件本身提供了近百个数控系统文件，包括了从两坐标到五坐标、从FANUC、HEIDENHAIN到SIMENS的各种数控系统，完全可以满足实际应用的需要。

　　（4）刀具库建模

　　添加一个刀具库，定义加工该翼肋所需的所有刀具，类型可包括铣刀、车刀、镗刀、螺纹铣刀和探头等，对于结构复杂的刀具，NCSIMUL还提供了NCProfile 模块来进行任意形状刀具的定制。针对该翼肋加工的刀具库如图14所示。

　　（5）工件毛坯和夹具建模

　　夹具建模的主要目的是检测夹具和机床的其它运动部件之间的干涉和碰撞，毛坯和夹具的建模可利用NCSIMUL本身提供的建模工具进行构建，也可通过NCSIMUL提供的接口导入由其它CAD软件建好的模型。

　　（6）选择用于该翼肋加工的NC程序，NCSIMUL可支持子程序或者宏程序。

　　（7）使用NCSIMUL提供的初始化功能选项来进行翼肋加工原点的设置，也可添加一些地板、灯光等辅助选项，以使仿真更能贴近现实。

　　（8）开始进行仿真，NCSIMUL对于仿真的速度显示有多种控制，可连续仿真、跳行仿真、不显示中间过程快速仿真，也可灵活设置断点进行程序的调试等。翼肋加工过程中的NCSIMUL仿真主界面如图15所示，毛坯精加工仿真后的状态如16所示。

　　(9) 仿真结束后，可以对仿真结果进行各种分析。NCSIMUL对于加工过程中碰撞干涉的部位以红色进行显示，还可对仿真结果进行尺寸测量，各种剖面分析，以判断仿真的结果是否符合实际设计的需求，以便在实际加工前对刀具、程序等做出调整。如图17所示。

　　(10) 在将仿真过程中可能的碰撞干涉等进行修正之后，可以利 用NCSIMUL中的OPTITOOL模块对NC程序进行优化，图18所示为利用OPTITOOL模块对加工翼肋所用到的1号刀具进行进退刀优化，在保证安全的前提下尽可能减少刀具的非切削时间，可以看到，优化后可提高加工效率16%左右。同时，OPTITOOL还可以针对主轴转速、刀具进给率等进行优化，在提高加工效率的同时还能延长机床、刀具的使用寿命。

　　以上两个在航空制造领域中的典型薄壁类零件，都是在五轴加工中心上进行加工，五个轴同时参与加工运动时所合成的运动，对于一般的编程人员是很难确定的，但是NCSIMUL机床仿真软件就很好的解决了这个问题。特别是对于做五轴联动机床的后置处理程序是一个难点，而如果我们有了机床仿真，就能很好的验证后置处理程序，避免了直接在机床上去验证后置处理程序，从而节约了财力、人力和工时。对于五轴联动的数控加工程序，通过仿真能成功避免因五轴联动的各轴运动优先级不同而引起的碰伤工件事件。同时我们应该在整个加工过程中贯穿程序优化的思想，对于粗加工，目的是尽快的去掉多余的材料，优化能使得在不断变化的切削条件下，保证刀具以最大安全速度切入材料。对于半精加工和精加工，经过粗加工后，切削抗力很大，优化技术会考虑刀具在何处切入材料，从而调节进给率以维持稳定的切削抗力，这将延长刀具寿命并得到更高质量的表面粗糙度。对于高速加工，刀具切入材料的方式至关重要。进给率太低会产生磕碰声、振动和工件硬化，这将导致表面粗糙度降低，刀具过早损坏。切削抗力过高会造成切削压力过大及不良的切削条件，从而引起刀具、主轴、夹具或机床的损坏。调节进给率能保持稳定的切削抗力或体积切削率。综上所述，运用NCSIMUL软件对数控加工进行仿真，验证了其在实际应用中的可行性，解决了数控编程和实际制造加工过程中的过切、欠切，以及刀具、工件与机床部件和工夹具的碰撞问题，降低了材料消耗和生产成本，提高了工作效率。作为今后的一个重要发展方向，数控加工仿真可进一步提高仿真精度和效率，并有利于实现制造系统的集成，将为我国制造业的信息化起到很大的推动作用。