近年来，采用数控加工过程仿真技术对切削工艺和参数进行优化，从而减少切削加工时间，已成为高效数控加工技术应用的重要趋势。

从零件材料与结构特点及其对加工工艺的要求方面分析，现代飞机零件加工呈现出新的特点。在材料选用方面，钛合金、高强钢以及高温合金等难加工材料用量有较大增加，而铝合金用量将明显减少，复合材料用量大幅度增加；在零件结构方面，由于高性能、轻量化和高可靠性的要求，采用整体结构和复杂型面结构的设计大大增加，如整体壁板/梁/框/肋等结构零件；在加工工艺方面，呈现出几何尺寸大、加工精度高、型面复杂、工艺特征多、壁厚小、切削加工过程材料去除量大和加工变形控制难度大等特点。因此，对数控加工过程中的加工精度、变形控制和加工效率要求高，从而对数控机床性能、切削刀具、加工工艺提出了很高的要求。

“优质、高效、低耗、绿色”是制造业长期追求的总体目标，各种零件数控加工过程优化都是围绕上述目标进行的，在加工工艺、切削参数等方面进行优化，从而在满足零件加工质量要求的前提下，获得加工效率高、成本低以及绿色环保的加工过程，也就是实现高效的数控加工。其中，加工效率主要受到以下三个相关时间的影响：

（1）切削时间：刀具从工件上按设计和工艺要求切除多余的材料所用的时间；

（2）辅助时间：机床空运转和上下料等占用的时间；

（3）生产准备时间：用于机床刀(夹、工、模)具准备或更换、机床调整、工件准备、试切、检测等的时间。

实现数控机床加工过程的优化与高效，就是要在保证加工质量要求的前提下，尽可能地减少切削时间、辅助时间和生产准备时间，从而最终减少总的加工时间。近年来，采用数控加工过程仿真技术对切削工艺和参数进行优化，从而减少切削加工时间，已成为高效数控加工技术应用的重要趋势。

数控加工过程仿真可分为几何仿真和物理仿真两个方面。其中，加工过程的物理仿真亦即力学/动力学仿真，是采用数学模型(包括有限元模型)描述切削过程中主要物理因素的变化及其相互关系，在实际加工之前分析和预测各切削参数变化以及干扰因素对加工过程的影响。数控加工过程物理仿真主要包括切削力仿真、切屑生成过程仿真、刀具磨损仿真、切削温度仿真、加工表面形貌及表面完整性仿真、加工稳定性仿真以及机床/刀具/零件变形仿真以及加工精度仿真等，仿真结果可作为调整和优化切削参数的依据。国内外已开发多个实用型的数控加工过程力学/动力学仿真优化系统，如加拿大不列颠哥伦比亚大学制造自动化实验室的Cutpro、ShopPro和MACHpro仿真优化系统，以及北京航空航天大学高效数控加工技术研究应用中心在“千台数控机床增效工程”中自主研究开发的e-Cutting、X-Cut仿真优化系统，它们已在航空航天、电子、模具等制造行业零件加工和科研过程中得到了成功的实际应用。

图1 北京航空航天大学机械工程及自动化学院教授、博士生导师刘强

数控铣削加工参数的优化方法

数控切削参数的优化，是指在给定的机床、刀具、零件等实际约束条件下，针对选定的切削效率、经济性、质量或综合性的目标函数，采用优化方法，获得主轴转速度、进给速度、切削宽度等参数，实际应用于数控加工。对于铣削过程，采用前述铣削力学/动力学模型，可实现对机床、刀具和零件三个方面的相关约束变量进行计算和预测，进一步引入切削力、加工稳定性、切削功率、主轴扭矩、刀具变形量、切削线速度、每齿进给量、刀具耐用度和切削温度等约束，从而实现对铣削加工切削参数进行优化。

本研究重点是通过对铣削加工过程的切削力学、动力学的仿真，进行切削参数的优化，因此，对机床、刀具及工件等的力学、动力特性的测试是其主要基础。

基于铣削加工过程力学/动力学仿真过程主要包括：基于对机床主轴及刀具系统动力学特性进行“锤击实验”和对工件材料进行“材料切削力系数实验”，经过信号采集与处理，获得的机床模态参数(或频响函数)和切削力模型中的系数，将有关参数和系数送入“动力学仿真”和“力学仿真”模块，经过仿真计算，得到切削过程“稳定域曲线”和切削参数“约束区域”，在此基础上进行“切削参数优化”，实现“优化切削加工实际应用”，并还可将参数提供给切削参数数据库。

数控切削动力学仿真与优化系统开发

基于数控切削过程力学、动力学模型和仿真优化方法，北航高效数控加工技术研究应用中心研究团队在成熟应用的“X-Cut”基础上，研究开发了“e-Cutting”数控切削动力学仿真与优化系统，并已实现了与国外Cutpro仿真系统的无缝嵌入，其主要功能模块如下：

1.频域仿真功能模块

颤振稳定域曲线仿真：仿真预测给定切削条件下的数控铣削加工过程中的颤振稳定域曲线(Stability Lobes)。

3D颤振稳定域图：对加工过程中变切宽情况下的颤振稳定域进行仿真计算，进而预测出切削加工时变切宽情况下的颤振稳定域图（主轴转速-切宽-临界切深），并可在 “主轴转速-切宽-临界切深” 中给定一个参数的截面上确定另两个参数的关系。

颤振频率仿真：仿真预测给定切削条件下发生颤振时所对应的颤振频率。

图2 基于铣削加工过程仿真优化过程示意图

2.时域仿真功能

切削力学仿真：对整体和镶齿两类铣刀，仿真预测给定切削条件下的数控铣削加工过程切削力、主轴转矩、切削功率等切削过程变量。

切削力学批量化仿真：对整体和镶齿两类铣刀，批量化仿真预测多组切削条件下的数控铣削加工过程切削力、主轴转矩、切削功率等切削过程变量。

3.切削参数优化功能

通过设定优化目标（材料去除率、加工成本、综合优化）、约束条件（刀具属性、工件属性和约束设置）、优化区间（主轴转速范围、进给速度范围、轴向切深范围、径向切宽范围）和待优化参数（主轴转速、进给速度、轴向切深、径向切宽组合）后，通过仿真计算获得满足约束条件下的参数可选区域。

4.工件材料切削力系数及辨识功能

提供了典型和常用工件材料切削性能参数库，用户在仿真和优化时可以直接调用，并允许用户采用从系统材料库中选择或自己添加工件材料切削性能数据，构建用户材料库，便于用户快捷、方便地查找和应用。

此外，可在对工件材料进行切削力测试实验基础上，采用切削力辨识功能模块处理获得工件的切削力系数，该模块具有“基本信息”、“数据处理”、“参数辨识”和“切削力还原”等功能。

Cutpro系统除了具有普通铣削加工过程力学/动力学仿真优化的功能外，还可对车削、镗削、插铣和钻削等切削加工过程进行力学动力学仿真和切削参数优化。基于Cutpro和CAD/CAM数控程序仿真功能进一步开发的MACHpro则可以在加工零件的数控程序代码基础上，对与零件铣削过程走刀路径相关的切削力学/动力学进行仿真，优化切削参数和数控程序。此外，数控加工过程力学/动力学仿真优化系统还可与数控切削工艺数据库相结合，一方面可实现已有基础工艺数据的快速查询、获取及利用，另一方面还可解决数据库中的工艺参数的优化、更新和进化。