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、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致的機床損傷、夾具破壞及刀具損壞等現象。目前的仿真系統大多只進行幾何仿真， 即對刀位軌跡、工件與刀具的干涉進行校驗等，將幾何仿真與物理仿真相結合的仿真還比較少。
切削過程的力學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、設計夾具和制定工藝等環節中不可少的數據,對確定合理的金屬切削用量，優化刀具的幾何參數，都具有非常重要的意義；它直接影響著切削熱的產生,并進一步影響著刀具磨損、刀具耐用度和已加工表面質量。將工件的受力分析實時應用在虛擬加工過程當中，不僅能模擬演示由于工件、刀具等的參數改變所帶來的受力改變，還能進行及時調整，幫助選擇最合適的加工參數。
2.幾何仿真
（1）模型的建立
當前主要的三維建模方法主要是有CSG（構造的實體幾何法）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， 但是它能實現的形體有限， 可用于產生和修改實體的算法有限， 構成圖形的計算量很大， 比較費時， 所以在切削過程中需要進行大量的計算。
Brep方法根據頂點、邊和面構成的表面來精確地描述三維模型實體， 按照體-面-環-邊-點的層次， 詳細記錄了構成形體的所有幾何元素的幾何信息及其相互連接的拓撲關系。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據空間占用量大， 修改設計不如CGS法簡單。
將CGS 和Brep方法相結合， 可以實現仿真技術中建模上的互補，可以實現普通的切削外圓、端面、切槽及切斷等功能，而對于比較復雜的實體如螺紋等，可用三角片逼近的方法實現仿真。
（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。根據實際需要建立刀具的使用數據庫，數據庫中包含影響刀具使用性能和切削力大小的各種參數，在切削仿真加工以前根據實際需要可以進行預先設定，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據后組合而成的，一般每條指令完成一個動作，若干條指令按一定結構構成一段程序。主要包括準備功能G代碼、輔助功能M代碼及F（速度）、S（主軸轉速）、T（刀具號指令）等。
基于數控仿真的目的， 需要從數控程序中提取出仿真系統中工件和刀具有關的運動與狀態信息， 并轉化成演示過程中工件與刀具的相應狀態。模塊主要完成以下功能：
1 NC程序的屏幕編輯或輸入，或者調入txt文件打開；
2 對NC代碼進行語法分析，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NC代碼相應程序中的數據進行移動。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據， 工件的交互部分被切削掉并在極短時間內進行重繪、記錄當前位置。同時運用OPENGL的雙緩沖技術， 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行， 從而使不連續的刀具加工軌跡顯示出近似連續的仿真效果， 執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， 主要是應用切削力的經驗公式。經驗公式主要可分為兩類： 一類是指數公式， 另一類是按照單位切削力進行計算。在金屬切削中， 用指數公式計算切削力得到了廣泛的應用。常用的指數形式的經驗公式如下：
式中： 
為切削力， 
為背向力， 
為進給力。 
、 
、 
決定于被加工金屬和切削條件的系數。 
、 
分別為當實際加工條件與所求得經驗公式不符合時， 各種因素對切削力的修正系數的積。
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。
（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 
是工件的轉速。
在切削過程當中，根據預先選擇的工件材料、刀具材料、刀具幾何參數，通過NC代碼，程序自動查詢主軸轉速、刀具的切削用量、進給速度及數據庫中對應的系數和指數，并代入切削力、切削功率經驗公式中，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
以硬質合金刀具加工強度為0.65GMPa結構鋼工件為例，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，程序自動從數據庫中查找各相關系數并代入公式，參數 通過NC代碼中刀具的切入點、主軸轉速及進給速度來獲得。在模擬切削的過程當中，系統界面良好， 使用方便，通過平移、縮放、旋轉等功能，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，通過右上角的數字可以清楚的看到當前的受力和功率情況。這樣，就可以在保證質量的前提下，通過對切削力和切削功率曲線的研究來獲得高生產率和低加工成本的切削用量。
5.結論
數控車床切削仿真系統的研究，主要實現了以下幾個功能：
（1）驗證了NC代碼的合理性，對加工過程中可能出現的干涉、過切、碰撞等情況進行了檢驗，減小了數控機床的試切風險；
（2）初步建立了關于一些刀具和工件材料的數據庫，能夠模仿切削加工過程中的各種狀態并實時顯示各種切削參數。
（3）在對切削力、切削功率進行分析的基礎上，可以根據生產實際需要從經濟角度、生產效率等方面對切削參數進行優化和設計，達到最佳車削加工過程的目的。
