关键词：数控车床；虚拟制造环境；全景仿真；切屑仿真；加工质量仿真

目前CADö CAM 集成化系统受软件模型封闭性及刚性化限制，难于解决数控机床的高效、高功能与用户使用的低效、低功能的矛盾，更不适应虚拟制造系统高度拟实要求。主要表现为①几何仿真的“仿”而难“真”——数控加工图形仿真实体去除由布尔减运算实现，由于运算量大，仿真环境只能对单个工件进行操作，无法实现含整个工艺系统的数控加工全景仿真，因此不能正确断定刀轨干涉与碰撞，更不能对用户产生虚拟现实(VR )所需的沉浸感[ 1 ]；②加工过程仿真的不“仿”不“真”——数控加工仿真忽略(或淡化) 了“过程”，没有考虑工艺系统中物体相互作用时各种几何现象与物理现象(如切屑生成等) ，即对加工过程不进行实质性仿真[ 2 ]；③加工质量仿真的“真”而难“仿”——几何造型系统基本元素均由理想形状几何形体构成，不包含任何物理性质，不可能由工件切削机理出发获得工件实际形状，因此仿真结果失真。误差对加工精度影响的研究工作尚处于定性、离散状况，研究成果难以在实际生产中推广应用[ 3 ]。为解决上述问题，我们选择量大面广的数控车床作为研究对象，围绕虚拟制造基础——数控加工过程仿真开展研究工作，使虚拟制造这一学科前沿研究与我国数控机床技术问题结合起来，为数控加工过程仿真开辟一条新途径。

1 数控车削几何仿真

1. 1 数控车削特征体参数化造型方法

目前数控加工仿真图形一般由CSG (构造实体图形) 体素、B- rep (边界表示) 及特征造型等方法表示。由于CSG 体素的形体边界几何元素(点、线、面) 隐含在体素中，故显示与绘制体素需很长时间，而B- rep 表示法数据结构复杂，需大量数据存储空间，因此本文以特征造型表现3 维实体。为此基于车削性质对回转体构型特征进行几何形状细分，将其抽象为由4 个基本几何体素——圆柱面、圆锥面、球面(含组成复杂回转曲面的球冠)及螺纹面组成(无孔零件可视为孔类零件内孔为零时的特例)。为实现任意形状数控车削加工几何仿真，提出特征体参数化造型方法，该方法核心内容如下：将加工工件抽象成系列单件实体特征，参数化驱动实体特征尺寸以形成相关图形特征，仿真时对工件相关特征按加工序列依次组合，即可完成整个工件加工过程仿真。图1a 为图1b 的单体特征(球冠) ，改变尺寸L 并经序列组合，即可生成图1b 所示的回转曲面。

(a) 单体特征(b) 单体特征构成实体
图1实体参数化造型

1. 2数控车削全景仿真实现

特征体参数化造型技术显著提高了数控车削仿真图形生成速度，使含整体数控车床(包括卡盘、转塔刀盘、导轨及床身等) 的全景仿真成为可能。本文以沈阳新阳机器制造公司数控车床为对象，制作出虚拟数控车床，见图2a。由于摒弃了传统的菜单条控制(各种加工信息均可由图2b 所示虚拟面板输入，并获得虚拟车床执行机构的相应反应) ，因此制作出的虚拟加工环境具有适度沉浸感。

(a) 虚拟数控车床(b) 控制面板
图2数控车削全景仿真

图3 为全景环境下基于特征体参数化造型技术所实现的任意零件车削加工仿真。图3a 为齿轮轴加工，主要仿真车削圆柱面、锥面、端面、切槽、车螺纹和倒角等。图3b 为手柄加工，主要仿真车削任意回转曲面。

(a) 齿轮轴加工仿真(b) 手柄加工仿真
图3数控车削全景仿真实例

2 数控车削切屑仿真

2. 1切屑的形态

切削加工过程中，切屑经刀具卷屑槽卷曲变形后流出，形成一个等螺距螺旋体，其形态由螺旋外径2ρ、螺距p、螺旋面与轴的夹角θ确定。设切屑上卷曲率为1/ρx，横卷曲率为1/ρz，流出方向与切削刃法向夹角(即流屑角) 为η，则上述3 个参数可表示为[ 4 ]

由切屑流出后的受阻及折断情况，可将其分为如下4 种基本类型:

(1) 连续螺旋屑切屑沿刀具卷屑槽流出时，没有碰到阻碍，形成不同形态连续螺旋屑，根据螺旋外径及螺距的大小可将其分为松散螺旋屑和螺管屑。

(2) 发条屑流屑角η较小时，切屑上卷碰到工件，由于工件旋转使切屑向下弯曲，曲率半径变小，随着切屑的继续流出，后续切屑包在外面，其直径不断加大，到一定程度使切屑折断，形成发条状切屑。

(3)C 形屑或弧片屑流屑角G较大时，切屑卷曲后让过工件并向下流动碰到后刀面，继续流出的切屑使其卷曲半径加大，最终折断形成C 形切屑或弧片形切屑。

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