铣削仿真系统的开发与应用_万敏

铣削仿真系统的开发与应用

万敏，杨昀，张卫红

（西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，陕西西安 710072）

摘要：铣削工艺过程的仿真已成为当今先进铣削加工技术的重要研究方向。本文基于本课题组对铣削工艺过程力学建模和仿真的理论成果，应用C#与MATLAB 混合编程技术，开发出具有铣削力系数标定、铣削力计算、加工误差分析、表面形貌仿真等功能的铣削工艺过程仿真系统，并对该系统的铣削力计算和铣削力系数标定功能进行了简要介绍。该系统可快速有效地预测铣削过程中的铣削力、加工零件的表面误差和表面形貌，结果可靠，具有一定的工程参考价值。

关键词：铣削；仿真；C#；MATLAB

Development and application of milling

simulation system

WAN Min, YANG Yun, ZHANG Weihong

(Key Laboratory of Contemporary Design & Integrated Manufacturing Technology, Ministry of Education, Northwestern Polytechnical University, Xi'An, Shaanxi710072, China)

Abstract: Milling simulation has become a key issue for performing advanced machining technology. Based on the theoretical results, C# and MATLAB codes are integrated to develop a milling simulation system, which includes the modules of cutting force coefficient calibration, cutting force prediction, form errors prediction and surface topography simulation. As an example, a brief introduction to the cutting force prediction module and cutting force coefficients calibration module is given. This system can effectively predict the cutting force, the form error and the surface topography, etc. The prediction results are reliable and useful for practical engineering case.

Key words: milling; simulation; C#; MATLAB

1 引言

随着数控技术的不断普及和应用，切削加工的加工效率和加工质量已经比早些年有大幅度的提高。为进一步提高切削加工效率和加工质量，近年来，国内外研究者将数控技术与计算机技术相结合，致力于切削过程仿真的研究[1]。因此切削过程仿真已成为先进铣削加工技术的研究核心。目前，切削过程仿真主要集中在切削力、加工误差、表面形貌、切削稳定性和误差控制等方面。本文基于所在课题组前期在铣削力建模、加工误差分析和表面形貌仿真等方面所做的研究[2-15]，利用C#与MATLAB混合编程技术，开发出铣削过程仿真系统软件。该软件具有铣削力计算、加工误差分析、表面形貌仿真和铣削力系数标定等功能，并且仿真结果可靠。

2 软件结构功能

该软件以Visual C#为开发平台，利用C#与MATLAB混合编程开发[16,17]。MATLAB编写仿真系统中的核心算法，具有高效、方便的特点。Visual C#编写软件的

界面，方便快捷，调用MATLAB中集成的编译工具箱编译的dll文件。整个软件采用模块化设计思想进行设计，主要包含“参数输入”、“铣削力计算”、“变形分析”、“形貌分析”、“铣削力系数”和“结果查看”六个模块，如图1所示。

图 1 铣削过程仿真系统结构功能

六个模块通过模块间的接口传递参数，

互相关联，功能又相对独立，并集成于软件

主界面中。“参数输入”模块输入刀具参数、

切削参数、铣削力系数和偏心参数等参数；

“铣削力计算”模块可进行铣削力的计算和

结果查看；“变形分析”模块根据刀具网格

将铣削力离散到网格节点上，再调用

SAMCEF求解器，可分析表面误差；“形貌

分析”模块可进行球头铣的表面形貌仿真；

“铣削力系数”模块可进行瞬时铣削力系数

和常值铣削力系数的标定、查看及输入；“结

果查看”模块可查看铣削力和形貌仿真的结

果。

3 软件功能举例

该软件具有较多的力学仿真功能，如

“铣削力计算”、“变形分析”、“球头铣刀表

面形貌分析”和“铣削力系数标定”等。在

进行这些仿真计算之前都需要对公用的仿

真参数进行设置，如图2所示，之后才能进

行仿真计算。下面将简要介绍软件中的两个

功能。

3.1 铣削力计算

切削力是描述可加工性、刀具磨损/断

裂、颤振、零件尺寸精度和表面质量等相关

图 2 “参数输入”窗口

加工信息的重要物理量。研究切削力对

合理选择切削用量、刀具几何参数、提高切

削加工效率和降低生产成本的有着积极的

指导作用。本软件中的“铣削力计算”模块

可根据常值铣削力系数或瞬时铣削力系数，

分别计算考虑刀具偏心的任意轮廓铣刀的

铣削力。

首先，在图2所示的“参数输入”窗口

中设置计算铣削力所需的参数。然后根据输

入的“铣削力系数模型”选择相对应的铣削

力计算模型。此例中选择了“瞬时铣削力系