1 .前言
虛擬加工過程仿真主要包括幾何仿真和物理仿真，如圖1 所示。幾何仿真不考慮切削參數(shù)、切削力及其他物理因素的影響，只仿真刀具-工件幾何體的運動。通過翻譯數(shù)控代碼以模擬車削加工能夠完成的各種工作如加工外圓、端面、倒角、螺紋、曲線等來驗證NC代碼的合理性和正確性并檢查是否有碰撞、干涉，從而減少或者消除因程序錯誤而導(dǎo)致的機(jī)床損傷、夾具破壞及刀具損壞等現(xiàn)象。目前的仿真系統(tǒng)大多只進(jìn)行幾何仿真， 即對刀位軌跡、工件與刀具的干涉進(jìn)行校驗等，將幾何仿真與物理仿真相結(jié)合的仿真還比較少。
切削過程的力學(xué)仿真屬于物理仿真的一種。切削力是計算切削功率、選擇刀具、設(shè)計夾具和制定工藝等環(huán)節(jié)中不可少的數(shù)據(jù),對確定合理的金屬切削用量，優(yōu)化刀具的幾何參數(shù)，都具有非常重要的意義；它直接影響著切削熱的產(chǎn)生,并進(jìn)一步影響著刀具磨損、刀具耐用度和已加工表面質(zhì)量。將工件的受力分析實時應(yīng)用在虛擬加工過程當(dāng)中，不僅能模擬演示由于工件、刀具等的參數(shù)改變所帶來的受力改變，還能進(jìn)行及時調(diào)整，幫助選擇最合適的加工參數(shù)。
2.幾何仿真
（1）模型的建立
當(dāng)前主要的三維建模方法主要是有CSG（構(gòu)造的實體幾何法）方法，Brep（邊界表示）方法等，它們各有自己的特點。
CSG 法主要是將某些簡單的實體通過集合運算組合成所需要的物體，還可以通過掃描表示法產(chǎn)生一些實體，它的主要特點就是覆蓋域比較寬， 但是它能實現(xiàn)的形體有限， 可用于產(chǎn)生和修改實體的算法有限， 構(gòu)成圖形的計算量很大， 比較費時， 所以在切削過程中需要進(jìn)行大量的計算。
Brep方法根據(jù)頂點、邊和面構(gòu)成的表面來精確地描述三維模型實體， 按照體-面-環(huán)-邊-點的層次， 詳細(xì)記錄了構(gòu)成形體的所有幾何元素的幾何信息及其相互連接的拓?fù)潢P(guān)系。在各種運算和操作中， 可以直接取得這些信息。這種方法的優(yōu)點是，能快速地繪制立體或線框模型。此方法的缺點是它的數(shù)據(jù)空間占用量大， 修改設(shè)計不如CGS法簡單。
將CGS 和Brep方法相結(jié)合， 可以實現(xiàn)仿真技術(shù)中建模上的互補，可以實現(xiàn)普通的切削外圓、端面、切槽及切斷等功能，而對于比較復(fù)雜的實體如螺紋等，可用三角片逼近的方法實現(xiàn)仿真。
（2）刀具建模
刀具主要包含有刀具種類、刀具材料、刀具的幾何角度等信息。在車削過程當(dāng)中， 主要用到了外圓刀， 切斷刀， 螺紋刀等幾種刀具， 刀具的材料主要有高速鋼和硬質(zhì)合金等， 而刀具的角度則包含了主偏角、前角、刃傾角等眾多角度。根據(jù)實際需要建立刀具的使用數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中包含影響刀具使用性能和切削力大小的各種參數(shù)，在切削仿真加工以前根據(jù)實際需要可以進(jìn)行預(yù)先設(shè)定，如圖2所示。
（3）NC代碼編譯
NC代碼是由定義了一定功能的大寫字母附上數(shù)據(jù)后組合而成的，一般每條指令完成一個動作，若干條指令按一定結(jié)構(gòu)構(gòu)成一段程序。主要包括準(zhǔn)備功能G代碼、輔助功能M代碼及F（速度）、S（主軸轉(zhuǎn)速）、T（刀具號指令）等。
基于數(shù)控仿真的目的， 需要從數(shù)控程序中提取出仿真系統(tǒng)中工件和刀具有關(guān)的運動與狀態(tài)信息， 并轉(zhuǎn)化成演示過程中工件與刀具的相應(yīng)狀態(tài)。模塊主要完成以下功能：
1 NC程序的屏幕編輯或輸入，或者調(diào)入txt文件打開；
2 對NC代碼進(jìn)行語法分析，主要檢查是否存在指令搭配錯誤、指令順序錯誤或者書寫格式錯誤；
3 對NC程序的刀具選擇進(jìn)行核實；
4運行中的NC代碼程序行高亮度顯示，如遇到錯誤信息則自動報警,為修改NC程序提供幫助。
（4）仿真動畫顯示
在加工仿真過程中，刀具根據(jù)NC代碼相應(yīng)程序中的數(shù)據(jù)進(jìn)行移動。在刀具和工件相交的時候， 程序通過計算重新編輯工件實體的模型數(shù)據(jù)， 工件的交互部分被切削掉并在極短時間內(nèi)進(jìn)行重繪、記錄當(dāng)前位置。同時運用OPENGL的雙緩沖技術(shù)， 在前臺緩存顯示動畫中的一幀畫面時， 后臺緩存正在繪制下一幅畫面， 這樣可以使加工過程連貫進(jìn)行， 從而使不連續(xù)的刀具加工軌跡顯示出近似連續(xù)的仿真效果， 執(zhí)行實體顯示的時間也大大地縮短了。
3.切削力、切削功率仿真
（1）切削力仿真在切削力仿真的過程中， 主要是應(yīng)用切削力的經(jīng)驗公式。經(jīng)驗公式主要可分為兩類： 一類是指數(shù)公式， 另一類是按照單位切削力進(jìn)行計算。在金屬切削中， 用指數(shù)公式計算切削力得到了廣泛的應(yīng)用。常用的指數(shù)形式的經(jīng)驗公式如下：
式中： 
為切削力， 
為背向力， 
為進(jìn)給力。 
、 
、 
決定于被加工金屬和切削條件的系數(shù)。 
、 
分別為當(dāng)實際加工條件與所求得經(jīng)驗公式不符合時， 各種因素對切削力的修正系數(shù)的積。
切削螺紋時背吃刀量需遵循遞減原則，即后一刀背吃刀量需小于前一刀， 切削力計算公式為：
其中， 
為螺距，N為走刀的次數(shù)。
�。�2）切削功率仿真
切削功率主要是 
和 
消耗的功率， 
方向并沒有位移，所以不消耗功率。
切削功率 
是工件的轉(zhuǎn)速。
在切削過程當(dāng)中，根據(jù)預(yù)先選擇的工件材料、刀具材料、刀具幾何參數(shù)，通過NC代碼，程序自動查詢主軸轉(zhuǎn)速、刀具的切削用量、進(jìn)給速度及數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的系數(shù)和指數(shù)，并代入切削力、切削功率經(jīng)驗公式中，在刀具切削工件的同時，同步演示切削力、切削功率情況。
4.模擬切削加工實例
以硬質(zhì)合金刀具加工強度為0.65GMPa結(jié)構(gòu)鋼工件為例，工件的長度為300mm，直徑為81mm，車刀的幾何角度分別為：主偏角 ，前角 ，刃傾角 。經(jīng)過粗加工和精加工并最終獲得如下工件（圖5），切削力和切削功率示意圖分別見圖6 和圖7。
在模擬切削過程中，在切削同時，程序自動從數(shù)據(jù)庫中查找各相關(guān)系數(shù)并代入公式，參數(shù) 通過NC代碼中刀具的切入點、主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給速度來獲得。在模擬切削的過程當(dāng)中，系統(tǒng)界面良好， 使用方便，通過平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等功能，可以清楚的看到加工的過程，起到了良好的演示加工作用。切削力和切削功率曲線始終與加工過程同步，通過右上角的數(shù)字可以清楚的看到當(dāng)前的受力和功率情況。這樣，就可以在保證質(zhì)量的前提下，通過對切削力和切削功率曲線的研究來獲得高生產(chǎn)率和低加工成本的切削用量。
5.結(jié)論
數(shù)控車床切削仿真系統(tǒng)的研究，主要實現(xiàn)了以下幾個功能：
（1）驗證了NC代碼的合理性，對加工過程中可能出現(xiàn)的干涉、過切、碰撞等情況進(jìn)行了檢驗，減小了數(shù)控機(jī)床的試切風(fēng)險；
（2）初步建立了關(guān)于一些刀具和工件材料的數(shù)據(jù)庫，能夠模仿切削加工過程中的各種狀態(tài)并實時顯示各種切削參數(shù)。
（3）在對切削力、切削功率進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)生產(chǎn)實際需要從經(jīng)濟(jì)角度、生產(chǎn)效率等方面對切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計，達(dá)到最佳車削加工過程的目的。
