摘要：针对当前使用VERICUT软件中的数控仿真优化功能，在进行切削力优化时工作效率低的问题，提出了一种能快速标识不同加工工况、调用相应参数进行NC代码优化的方法，结合加工经验、切削参数以及切削试验数据，系统建立了典型场景的切削优化参数库，实现了仿真优化过程的快速调
针对当前使用VERICUT软件中的数控仿真优化功能，在进行切削力优化时工作效率低的问题，提出了一种能快速标识不同加工工况、调用相应参数进行NC代码优化的方法，结合加工经验、切削参数以及切削试验数据，系统建立了典型场景的切削优化参数库，实现了仿真优化过程的快速调用，提高了优化效率和加工 准确性。
01 序言在目前的航空零件数控加工中，普遍采用CAM软件进行数控编程，该软件仅能根据进退刀以及抬刀速度等固定加工参数、结合加工策略定义生成加工程序，不具备在恒定切削量、切削力条件下进行瞬时切削参数调整的能力。数控程序无法根据每一条加工刀路所在状态下的切削余量及受力状态不同进行进给速度的适应性调整，在实际加工中经常会出现因局部位置的切削余量过大造成主轴负载过高，从而导致零件加工精度受到影响，甚至出现刀具折断、崩刃或主轴闷停、受力保护等现象。为保证所有加工部位能够顺利完成加工，有时设定的切削参数会趋于保守，复杂腔体在加工中会出现大量的空走刀路径，此类空走刀路径多以加工速度运行，这类情况会造成加工时间显著增加，虽然主轴运转率很高，但机床平均材料去除率低，低效率切削易造成数控设备资源的浪费，增加生产成本[1]。 针对此情况，在数控加工领域出现了两种提高数控程序加工效率的方法：①根据实时采集的主轴功率等参数进行进给速度优化，使用安装在机床端的OMATIVE自适应控制系统[2]。②通过离线优化软件进行仿真优化[3]，如国际上主流的数控仿真软件VERICUT和NC SIMUL等，均推出了基于原有切削仿真功能基础上的数控程序优化功能，仿真优化功能在切削加工领域得以应用[4]。以VERICUT软件为例，最新的FORCE优化功能针对设定好的材料、刀具和加工条件，通过保持现有的刀具轨迹和最大切削厚度，合理计算出当前每一条程序段的进给速度值，同时要保证将切削力及优化程序中的空切行程速度控制在限定范围内，优化完成后还可以查看进给速度、切削力、材料去除率、功率、扭矩以及刀具偏摆情况，评估当前优化状态，最终得到运行更安全、加工更高效的数控程序[5-9]。在使用FORCE优化功能时，需要预先对加工材料和刀具信息进行准备，并对刀具可承受的最大切削力、切削厚度等加工条件进行评估，在基础优化参数库不完善的情况下，重复性工作量大、优化效率低且优化参数选择合理性差。FORCE优化功能虽然将每把刀具的优化参数管理并形成优化参数库，并提供了区别粗、精加工，不同材料等条件的管理及调用优化方法，但便利性和直观性不足。
本文以刀具种类、刀具号等及切削性能基本保持不变的典型柔性生产线应用场景为研究对象，研究VERICUT软件中基于刀具优化参数库构建方法的FORCE优化功能，以及在不同切削材料、加工状态下自动识别及直观显示的方法。目标通过系统构建优化参数库并优化调用方法的方式，提升工艺优化效率和优化结果准确性。
02 VERICUT刀具库的优化参数及管理调用方法在VERICUT软件的FORCE功能中，已提供了大量的常用材料基础优化库，可以结合当前特定数控设备中的各类材料和规格的刀具切削参数积累加工经验，在FORCE功能中经过分析、筛选并结合必要的针对性切削试验，可筛选形成刀具的初步优化参数推荐值，在实际编程优化应用中，对参数进行不断的迭代优化。VERICUT软件将这些优化参数与刀具库中的刀具关联，既能管理这些优化参数，又方便调用[10]。 当使用的机床、刀具规格、切削材料以及加工状态等工况发生变化时，相应优化参数都会不同。VERICUT软件中的管理优化参数如图1所示，对应T10号刀具，可在其下管理7075、2024铝合金在粗、精加工时的优化参数，其他刀具均可按照此方 法在同一刀具库中进行管理。在激活优化功能时，可在数控程序中通过定义VERICUT软件专用的命令调用指令来控制优化过程。例如定义注释性语句： （VERICUT-OPTIPATH DESC= T10 End Mill D 10R1_AF1250-rough）来选择激活调用4组优化参数中的第1组优化参数。
为便于工艺人员进行优化参数调用，可将不同机床和材料的优化参数独立形成刀具优化参数库。对于优化工况的便捷识别，由于常规数控机床一般只需几十个刀具位置，可将刀库位置号分成3类，在优化仿真时，粗加工使用1～100刀位，半精加工使用101～200刀位，精加工使用201～300刀位，这样就可以将同一规格刀具的不同加工工况对应到不同刀具号中。为实现以上管理方式，需要结合VERICUT软件中的指令定制开发功能，并在数控程序中增加必要的注释性辅助指令。3.1 发那科数控系统优化参数改（1）刀具库中刀具定义在刀具库中，每把刀具由定义1个刀具号改为定义3个刀具号，现需定义T1（半精加工刀具）、T101（精加工刀具）和T201（粗加工刀具）3个刀具号，不同工况下的优化参数在不同刀具号中的管理如图3所示。将粗加工、半精加工及精加工的优化参数分别设定在各刀具号的相应参数中。
图5新处理方式下的优化结果及刀具使用情况显示3.2 海德汉数控系统优化参数改进在海德汉系统中，在刀具库中刀具定义和程序标识的处理方式与发那科数控系统中的处理方式基本一致，采用海德汉CALL PGM的调用方式实现，海德汉系统子程序调用如图6所示。
BEGIN PGM O9103 MMQ1 = 200 FN 1: Q2 = Q1+CGT_SELECTED_TOOL FN 9: IF +Q2 EQU 201 GOTO LBL 1 FN 9: IF +Q2 EQU 202 GOTO LBL 2 ...... FN 9: IF +Q2 EQU 215 GOTO LBL 15 ...... LBL 1 TOOL CALL 201 Z GOTO LBL 100 LBL 0 LBL 2 TOOL CALL 202 Z GOTO LBL 100 LBL 0 ...... LBL 15 TOOL CALL 215 Z GOTO LBL 100 LBL 0 ...... LBL 100 END PGM O9103 MM04 结束语
基于切削力的仿真优化是一种提升数控加工效率、提高加工过程安全性和稳定性的先进的物理仿真优化技术，目前机械加工行业中的各制造企业都在关注该技术的发展，一些企业已经开展了初步应用。 针对在数控加工中使用VERICUT软件中的FORCE功能，进行切削力仿真优化时的实际应用需求，探讨了结合刀具库的切削力仿真优化参数库的构建和快速调用、便捷分析的实现方法，实现了刀具优化参数的系统化管理以及不同加工工况下仿真 优化结果的直观显示，可有效提高工艺人员的工作效率，助力切削力仿真优化技术在数控加工中的应用，可广泛应用于机械加工柔性生产线，具有一定的应用推广价值。参考文献：
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本文发表于《金属加工（冷加工）》2025年第8期60~63页，作者：哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 张永岩，方芳，王振林，王庆有，李福春，杨双，原标题：《切削力仿真快速精确优化技术应用》。
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来源：金属加工
