板類工件切削參數(shù)優(yōu)化分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

鄭智貞 白云鑫 張余升 葛青建 秦慧斌

(①中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原030051;②上海航天設(shè)備制造總廠，上海200245;③四川華慶機(jī)械有限責(zé)任公司，四川 成都611930)

現(xiàn)代航空航天工業(yè)中，為減輕飛行器自重，提高飛行器的各項(xiàng)機(jī)械性能，飛行器零部件中越來越多的使用整體薄壁結(jié)構(gòu)件。但是薄壁板類零件通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工特征多、變型較多、數(shù)控編程效率較低，使得加工周期變長，影響飛行器的整體制造速度。直接用自動(dòng)編程軟件生成的數(shù)控加工程序進(jìn)行加工，加工時(shí)間長，機(jī)床利用率低。以本文中板類工件為例，工件三維模型如圖1 所示。材料為45#鋼，硬度較大、去除率高。因此，為了減少加工時(shí)間，對(duì)加工程序進(jìn)行優(yōu)化，提高加工效率是十分有意義的。

目前，國內(nèi)對(duì)VERICUT 優(yōu)化功能進(jìn)行了深入的研究，從建立仿真系統(tǒng)，優(yōu)化參數(shù)設(shè)置到操作流程等。但大多都是應(yīng)用VERICUT 中的優(yōu)化模塊對(duì)程序進(jìn)行單一的優(yōu)化，優(yōu)化后程序少有經(jīng)過機(jī)床實(shí)際加工的驗(yàn)證，因此在參數(shù)設(shè)置方面難以確定其合理性。優(yōu)化程序若應(yīng)用于實(shí)際機(jī)床加工，能否順利完成加工任務(wù)也未經(jīng)過驗(yàn)證。本文在VERICUT 仿真的基礎(chǔ)上，通過對(duì)切削參數(shù)的分析，合理地對(duì)加工程序進(jìn)行了優(yōu)化。并通過實(shí)際加工驗(yàn)證了優(yōu)化的可行性。解決了工件加工效率低的問題，并且通過工件加工表面粗糙度檢測(cè)，優(yōu)化后的程序加工質(zhì)量也有所提高。對(duì)同類工件加工效率的提高有很好的借鑒意義。

1 板類工件加工工藝分析

如圖1 模型所示，該工件是一種典型的板類工件，主要結(jié)構(gòu)是槽和筋。加工所使用的毛坯是一塊大小為244 mm×234 mm×12 mm，材料為45#鋼的板，毛坯的重量為5.135 kg，加工完成后重量為2.980 kg。加工時(shí)首先用Φ10 mm 的鉆頭鉆8 個(gè)直徑相同的通孔，然后將Φ10 mm 銑刀伸入孔內(nèi)，將孔銑至模型要求的大小。采用先鉆后銑的原因是鉆的效率比銑高的多，如果直接采用銑孔的加工方法將會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間。完成孔加工后，接下來繼續(xù)加工槽，槽加工是整個(gè)工序中材料去除多，時(shí)間耗用長的一道工序，因此選用直徑較大的Φ20 mm 銑刀。銑槽完成后，再將筋邊銑到指定高度。經(jīng)過前4 個(gè)工步的加工完成了工件粗加工過程。

進(jìn)行工件的精加工時(shí)考慮到加工效率和工件的結(jié)構(gòu)特征等因素，在精銑不同部位采用不同銑刀。由于槽周邊有小圓弧結(jié)構(gòu)，為了保證加工精度，需要使用小直徑(Φ6 mm)銑刀，在銑筋邊上表面時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可適當(dāng)增大刀具直徑(Φ10 mm)，來提高加工效率。最后精銑槽的底面和圓孔，完成整個(gè)工件的加工。具體加工順序和所需刀具如表1 所示。

根據(jù)制定的工藝方案，在UG 軟件中生成初始加工程序。

2 板類工件仿真加工

在制定好工藝方案，生成加工程序之后，首先進(jìn)行一次加工仿真。根據(jù)仿真結(jié)果可以觀察工件在加工過程中的碰撞和干涉情況，以及進(jìn)行過切和欠切的檢查。保證工件在用加工中心加工時(shí)能夠更加安全可靠［1］。具體的仿真加工流程如圖2 所示。

在構(gòu)建VERICUT 仿真加工系統(tǒng)時(shí)，首先創(chuàng)建虛擬機(jī)床模型，由于在之后的實(shí)際加工時(shí)采用的加工中心型號(hào)為“hass_vf6”，因此該工件的仿真機(jī)床模型可調(diào)用系統(tǒng)自帶的同一系列名為“hascnc”機(jī)床模型。

然后再導(dǎo)入控制該機(jī)床的控制系統(tǒng)，相應(yīng)地可調(diào)用系統(tǒng)自帶的與機(jī)床模型相匹配的名為“hass_vf2”的控制系統(tǒng)。接下來創(chuàng)建毛坯和夾具，用來檢測(cè)機(jī)床與夾具、機(jī)床與毛坯直徑或者其他運(yùn)動(dòng)部件之間是否存在干涉或者碰撞，保證加工過程的安全。最后創(chuàng)建加工所用的刀具庫，刀具構(gòu)建主要是刀柄和刀具的創(chuàng)建，創(chuàng)建刀柄主要是檢測(cè)在加工過程中是否會(huì)和夾具、工件等發(fā)生碰撞，以更真實(shí)地呈現(xiàn)加工環(huán)境。

仿真過程中若出現(xiàn)問題，則需要返回UG 環(huán)境中重新生成NC 代碼，直到程序在仿真系統(tǒng)中得到充分驗(yàn)證，即完成了工件的加工仿真。通過仿真環(huán)境驗(yàn)證后的程序，再放到加工中心中加工工件，不僅避免了機(jī)床不必要的損害，減少了加工過程中經(jīng)常停機(jī)觀察加工情況的次數(shù)，一定程度上還提高了加工效率。

表1 加工工序表

3 板類工件程序優(yōu)化

3.1 刀具銑削參數(shù)關(guān)系的確定

程序優(yōu)化過程首先研究刀具參數(shù)的變化關(guān)系，為進(jìn)一步程序優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

3.1.1 設(shè)計(jì)變量

從UG 導(dǎo)出的數(shù)控加工程序，已生成了相對(duì)固定的切削深度、切削寬度和進(jìn)給速度值，整個(gè)數(shù)控加工過程的走刀速度相對(duì)固定。

在毛坯、機(jī)床、刀具等都確定后，刀具銑削參數(shù)的設(shè)定就成了影響加工速度的主要因素。主要的銑削參數(shù)包括主軸轉(zhuǎn)速S、進(jìn)給量F、切削深度Ap和切削寬度Aw等。如果忽略次要因素的影響，工件的加工時(shí)間T可表示為

理論上講，式(1)內(nèi)參數(shù)取值越大，加工效率也越高。但是在實(shí)際加工中每把刀具在加工一定材料時(shí)都有其極限參數(shù)值，無限地提高每個(gè)切削參數(shù)明顯有違實(shí)踐操作。因此每個(gè)參數(shù)都設(shè)定合理的范圍值，不至出現(xiàn)參數(shù)設(shè)置過大和過小等偏離實(shí)際的情況［2-3］。

3.1.2 優(yōu)化原理

如果僅僅確定單個(gè)變量的變化范圍，則在進(jìn)行程序優(yōu)化時(shí)，軟件優(yōu)化模塊進(jìn)行程序優(yōu)化時(shí)為了單純地追求最高加工效率，會(huì)將程序參數(shù)修改為最高值，這樣就失去了程序優(yōu)化的意義。因此，需要設(shè)定另外的參數(shù)關(guān)系，保證變量變化的合理性。VERICUT 優(yōu)化模塊中的多種優(yōu)化方式，為我們提供了這樣一個(gè)確定變量變化關(guān)系的平臺(tái)。其中包括恒定體積去除率切削方式，恒定切屑厚度方式優(yōu)化以及兩種方式結(jié)合優(yōu)化。

恒定體積去除率切削方式優(yōu)化，當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)刀具去除材料體積變化時(shí)，進(jìn)給速度也相應(yīng)的發(fā)生變化。恒定切屑厚度方式優(yōu)化，通過變化進(jìn)給率保持恒定的切屑厚度。兩種方式結(jié)合優(yōu)化，這種優(yōu)化方式下，VERICUT 會(huì)分別按照兩種優(yōu)化方式優(yōu)化速度然后從兩個(gè)結(jié)果中選擇較小的那個(gè)進(jìn)給速度作為最終優(yōu)化速度［4］。

本文中所加工的工件材料去除率大，且多為直線走刀，以恒定體積去除率切削方式優(yōu)化為例，論述確定變量變化的方法。

在銑削加工中體積去除率可表示為

式中:F為進(jìn)給速度，mm/min;Ap為切削深度，mm;Aw為切削寬度，mm;V為體積去除率，mm3/min。

在限定體積去除率V的值后，加工過程中若切削體積發(fā)生變化，程序會(huì)改變進(jìn)給速度以保證體積去除率的值不發(fā)生過大變化。當(dāng)切削體積小于設(shè)定V時(shí)，程序會(huì)提高進(jìn)給速度，反之切削體積大于V時(shí)，程序會(huì)降低進(jìn)給速度［5］。

3.2 程序優(yōu)化

應(yīng)用上面介紹的優(yōu)化原理，通過創(chuàng)建刀具優(yōu)化庫，設(shè)置相應(yīng)加工參數(shù)，對(duì)UG 直接生成的程序進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.1 建立刀具優(yōu)化庫

VERICUT 優(yōu)化庫是建立在刀具庫上的，在機(jī)床、工件材料確定的情況下，根據(jù)刀具參數(shù)的設(shè)定原則，針對(duì)每把刀不同的切削情況，根據(jù)前面所述的刀具參數(shù)設(shè)置原則對(duì)每把刀進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置的具體操作如圖3 所示。

(1)首先在極限選項(xiàng)卡中設(shè)定切削進(jìn)給率的極大和極小兩個(gè)極限值，以保證進(jìn)行程序優(yōu)化時(shí)切削進(jìn)給率F值的合理性。表2 為本工件加工過程中不同刀具設(shè)定的進(jìn)給率F的極限值。

表2 刀具進(jìn)給率F 設(shè)定極限值 mm/min

(2)其次在設(shè)定選項(xiàng)卡中主要設(shè)置解析度距離，解析度距離是長切削步分為短切削步的參數(shù)基礎(chǔ)，在需要進(jìn)行程序優(yōu)化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將程序按設(shè)定的解析度距離值等間隔打斷，然后在每個(gè)短切削步上附以最優(yōu)的進(jìn)給率F值。

(3)最后在進(jìn)給/轉(zhuǎn)速選項(xiàng)卡中選擇體積去除，即等體積去除的優(yōu)化方式，并設(shè)置合理的體積去除值，作為約束程序優(yōu)化時(shí)添加進(jìn)給率F值的約束條件。

(4)另外，再根據(jù)切削條件設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速、軸向切深和圓弧形切寬的值。

用以上介紹的方法依次為刀庫中有需要的刀具創(chuàng)建各自的優(yōu)化庫，完成所有刀具優(yōu)化庫的創(chuàng)建。

3.2.2 程序優(yōu)化過程及結(jié)果

完成刀具優(yōu)化庫的創(chuàng)建之后，使用VERICUT 的優(yōu)化模塊進(jìn)行程序的優(yōu)化。啟動(dòng)優(yōu)化模塊，打開優(yōu)化控制如圖4 所示，將優(yōu)化方式打開，在優(yōu)化文件下面設(shè)置用戶自定義的輸出路徑。材料和機(jī)床使用默認(rèn)的名字即可，這不會(huì)對(duì)程序的優(yōu)化產(chǎn)生影響。然后單機(jī)應(yīng)用和確定按鈕，之后對(duì)工件進(jìn)行加工仿真。

表2 優(yōu)化前后部分程序?qū)Ρ?/p>

在仿真的過程中，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)置的參數(shù)自動(dòng)對(duì)程序進(jìn)行修改，仿真完成后也就完成了程序的優(yōu)化。優(yōu)化后的程序會(huì)自動(dòng)保存在之前設(shè)置的優(yōu)化文件輸出路徑。表2 所示為部分程序優(yōu)化前后的對(duì)比結(jié)果［6］。

比較表2 中優(yōu)化前后的程序，可以看出切削加工進(jìn)給速度變化頻繁，在切削量大時(shí)保證正常走刀，在切削量變小時(shí)提高過于保守的進(jìn)給速度，提高空走刀的進(jìn)給速度。充分保證刀具時(shí)刻工作在最佳狀態(tài)。

4 實(shí)例驗(yàn)證及分析

4.1 實(shí)例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化后的程序，能夠滿足實(shí)際加工的要求。在Haas vf-6 立式加工中心上進(jìn)行了優(yōu)化程序的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

驗(yàn)證方法:

(1)用未優(yōu)化的程序加工1 個(gè)工件。加工過程中統(tǒng)計(jì)加工時(shí)間。

將未優(yōu)化程序?qū)爰庸ぶ行?，?duì)刀找準(zhǔn)坐標(biāo)零點(diǎn)，開始自動(dòng)加工，加工過程記錄每個(gè)工步加工所消耗的時(shí)間。加工過程如圖5 所示。

(2)第1 件加工完成后，用優(yōu)化后的程序加工第2件，導(dǎo)入優(yōu)化后的程序到加工中心，用相同的方法再次加工1 件工件，同樣記錄加工時(shí)間。

(3)加工完成后比較兩工件的質(zhì)量。如圖6 所示分別為2 次加工工件的成型實(shí)物圖。

測(cè)量2 工件的表面粗糙度，比較2 種程序加工工件的加工質(zhì)量。圖7、圖8 所示為2 工件筋邊的表面粗糙度測(cè)量結(jié)果。

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)加工過程中記錄的每個(gè)工步的2 種加工時(shí)間，計(jì)算出時(shí)間優(yōu)化效率(即優(yōu)化后節(jié)約時(shí)間與未優(yōu)化程序加工時(shí)間的比值)，結(jié)果如表3 所示。

分析表3 數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化后程序從加工時(shí)間上看每個(gè)工步加工時(shí)間都有所減少。很大程度上提高了加工效率。綜合圖6 實(shí)物圖的加工效果和圖7、圖8的表面粗糙度測(cè)量結(jié)果。優(yōu)化后的程序不僅減少了加工時(shí)間，而且提高了加工質(zhì)量，對(duì)于提高工作效率有十分重要的意義。

表3 程序優(yōu)化前后加工時(shí)間對(duì)照表

5 結(jié)語

本文針對(duì)航空工件中板類工件加工費(fèi)時(shí)費(fèi)工的問題，以一種材料為45#鋼的板工件為例，使用VERICUT軟件對(duì)零件進(jìn)行加工仿真，并在分析優(yōu)化原理的基礎(chǔ)上，確定了各切削參數(shù)的設(shè)置方法，完成了對(duì)原始程序的優(yōu)化，生成了合適的優(yōu)化程序，并經(jīng)過機(jī)床的實(shí)際加工驗(yàn)證，優(yōu)化后的程序能應(yīng)用到實(shí)際加工中。優(yōu)化后的程序充分利用加工中心，在更短的時(shí)間完成對(duì)工件的加工，經(jīng)實(shí)際加工確定，同未優(yōu)化的程序相比，優(yōu)化后的程序使工件的加工時(shí)間縮短了29.1%，較大地提高了板工件的加工效率。該方法可以應(yīng)用到類似工件的加工中，為提高加工效率、降低加工成本提供了有效的途徑。

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