基于虛擬制造技術(shù)的復(fù)雜曲面工件加工質(zhì)量分析*

崔浪浪　蒙　赟

(貴州航天林泉電機(jī)有限公司, 貴州 貴陽 550008)

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基于虛擬制造技術(shù)的復(fù)雜曲面工件加工質(zhì)量分析*

崔浪浪蒙赟

(貴州航天林泉電機(jī)有限公司, 貴州 貴陽 550008)

隨著航天、航空等技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜曲面零件的應(yīng)用日益廣泛，復(fù)雜曲面工件加工過程受力情況復(fù)雜，因此該類工件是公認(rèn)的制造工藝難題。將虛擬制造技術(shù)應(yīng)用到曲面工件加工中，并以“S”試件為例詳細(xì)建立了曲面工件的虛擬加工模型，最后通過五軸機(jī)床銑削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了虛擬加工模型的實(shí)用性與正確性。說明了虛擬加工技術(shù)為提高曲面工件加工精度及加工效率提供了有力的技術(shù)支撐。

虛擬制造；復(fù)雜曲面；“S”試件；五軸機(jī)床

虛擬制造技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)進(jìn)行的一種模擬產(chǎn)品完整制造生命周期的一體化仿真技術(shù)，其精髓在于利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造過程中各工序環(huán)節(jié)能夠達(dá)到的理想效果，并結(jié)合實(shí)時(shí)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，規(guī)避產(chǎn)品生產(chǎn)中各環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的加工風(fēng)險(xiǎn)以及對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化[1]。

復(fù)雜曲面零件被廣泛應(yīng)用于航空、航天以及船舶領(lǐng)域。由于其具有薄壁、材料去除量大、曲率不連續(xù)等特點(diǎn)，因此必須采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控計(jì)算進(jìn)行加工。但是，由于五軸數(shù)控機(jī)床中存在旋轉(zhuǎn)軸，使得機(jī)床各軸在進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算時(shí)無法避免非線性誤差，為保證工件加工精度，編程難度很大[2]。而且由于曲面曲率不連續(xù)因素的存在，在機(jī)床高速加工過程中會(huì)出現(xiàn)刀軸矢量突變的情況，從而造成刀具損壞或工件報(bào)廢。因此，將計(jì)算機(jī)虛擬制造技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜曲面工件加工實(shí)際對(duì)于提高加工精度大有裨益。我國重慶大學(xué)鄭太雄[3]等研究了虛擬制造中產(chǎn)品建模技術(shù)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)馬玉林[4]、姚英學(xué)[5]等對(duì)數(shù)控切削仿真技術(shù)及虛擬加工檢測(cè)單元進(jìn)行了研制。

“S”形檢測(cè)試件是由中行工業(yè)成飛提出的一種機(jī)床加工精度檢測(cè)試件[6]，如圖1所示，在試件形面中融入了復(fù)雜曲面所共有的薄壁特征，曲率不連續(xù)特征、扭曲角特征以及開閉角轉(zhuǎn)換特征。因此，筆者以“S”試件為例對(duì)基于虛擬制造技術(shù)的復(fù)雜曲面工件的加工仿真進(jìn)行分析與研究。

1　虛擬制造技術(shù)及流程

虛擬制造技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)平臺(tái)運(yùn)用虛擬加工仿真軟件對(duì)目標(biāo)工件進(jìn)行虛擬加工的一種先進(jìn)制造技術(shù)[7]。例如：VNC系統(tǒng)、NSee2000軟件以及VERICUT均為目前使用范圍較廣的加工仿真軟件。虛擬加工流程如圖2所示。首先，在CAD軟件中建立刀具模型、夾具模型、工件模型、機(jī)床部件幾何模型以及機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型，并將機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型及其幾何模型導(dǎo)入虛擬軟件中；其次，應(yīng)用CAM軟件，例如UG等，生成工件模型的數(shù)控加工代碼，結(jié)合已建立的機(jī)床模型，求取與機(jī)床結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的機(jī)床后置指令。將后置指令導(dǎo)入虛擬加工軟件中，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，例如原點(diǎn)坐標(biāo)系、刀具補(bǔ)償半徑等；加載數(shù)控程序，指定各加工程序所采用的刀具號(hào)；最后，仿真結(jié)果分析，將虛擬加工后的模型與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行比對(duì)，查看仿真誤差，并依據(jù)兩種模型的比對(duì)結(jié)論，對(duì)加工工序、加工程序、加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2　“S”試件為例的加工仿真分析

2.1“S”試件工藝規(guī)劃

“S”試件的尺寸如圖3所示，由于“S”試件的曲面的幾何特征為直紋面，且存在開閉角轉(zhuǎn)換特征，因此，三軸機(jī)床無法加工，必須采用五軸機(jī)床進(jìn)行加工[8]。考慮到試件底座為矩形結(jié)構(gòu)，故選擇矩形毛坯對(duì)其進(jìn)行加工，加工工序流程卡如表1所示。首先以矩形毛坯的兩相鄰邊為基準(zhǔn)，確定毛坯的坐標(biāo)系原點(diǎn)，即圖3中距兩條邊分別為100mm和120mm的點(diǎn)；之后以毛坯原點(diǎn)為基礎(chǔ)加工4個(gè)φ20mm的沉孔作為試件的裝夾孔；最后用四顆螺釘通過4個(gè)φ20mm的沉孔將毛坯裝夾在機(jī)床上進(jìn)行“S”緣條粗加工、精加工及中心孔的加工(測(cè)量基準(zhǔn))。

表1　“S”試件加工工序卡

2.2“S”試件數(shù)控指令編制

2.2.1“S”試件前置指令編制

“S”試件的數(shù)控前置指令(刀具軌跡)以加工工序卡為指導(dǎo)基于UGCAM環(huán)境編制。工序1采用型腔銑的加工方法，銑削模式為跟隨周邊銑；工序2、工序3及工序7在鉆削加工環(huán)境中完成，針對(duì)工序2、3然后鉆通孔，最后锪沉頭孔，完成加工。工序4和工序5是“S”試件加工的重點(diǎn)工序，考慮到該試件由直紋面構(gòu)成，直紋面母線上各點(diǎn)的法矢量方向各異，在機(jī)床加工過程中，只能在某一點(diǎn)處保證刀具曲面與“S”試件形面具有相同的法矢，這將導(dǎo)致在計(jì)算刀位數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生誤差。因此，工序4和工序5采取分層側(cè)銑的加工方法，將刀具軌跡誤差減小。其中工序4沿刀軸方向分為4層，工序5沿刀軸方向分為5層，銑削模式為可變輪廓銑。各工序的加工方法確定之后，按照表1所示，為每道工序定義刀具參數(shù)，并完成各工序切削參數(shù)及進(jìn)給速度的設(shè)置，即可在UGCAM中生成加工“S”試件的刀具軌跡。加工刀具軌跡如圖4所示，刀具軌跡由刀心點(diǎn)坐標(biāo)(x,y,z)和刀軸矢量(i,j,k)構(gòu)成。

2.2.2“S”試件后置指令編制

“S”試件的幾何曲面特征必須采取五軸機(jī)床進(jìn)行加工。五軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軸由3根平動(dòng)軸和2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸組成，三根平動(dòng)軸分別為X軸、Y軸、Z軸，繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的為A軸，繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的為B軸，繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的為C軸，任意選兩根轉(zhuǎn)動(dòng)軸與三根平動(dòng)軸組合即構(gòu)成了五軸機(jī)床。不同的組合可以得到不同的機(jī)床拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每種機(jī)床拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只能識(shí)別與之相適應(yīng)的后置指令(NC代碼)。后置指令由刀具軌跡反解出的五軸運(yùn)動(dòng)參數(shù)構(gòu)成。本文主要對(duì)AB擺類型機(jī)床的后置指令進(jìn)行推導(dǎo)，其他類型機(jī)床的后置指令可以通過文中所闡述的方法得到。

在加工過程中AB擺機(jī)床涉及到三類坐標(biāo)之間的變換，如圖5所示，圖中OW-XWYWZW為工件坐標(biāo)系，Ot-XtYtZt為刀具坐標(biāo)系，Om-XmYmZm為機(jī)床定軸坐標(biāo)系。在Ot-XtYtZt坐標(biāo)系中刀心點(diǎn)的位置為[0 0 0]T，刀軸矢量為[0 0 1]T，假設(shè)Rh(hx,hy,hz)為工件坐標(biāo)系中的刀心點(diǎn)位置，U(ux,uy,uz)為工件坐標(biāo)系中的刀軸方向，則工件的切削成型函數(shù)如式(1)、(2)所示。

[uxuyuz0]T=T(rs+rm)·RY(φB)·

RX(φA)·T(-rm)[0 0 1 0]T

(1)

[hxhyhz1]T=T(rs+rm)·RY(φB)·

RX(φA)·T(-rm)[0 0 0 1]T

(2)

式中：

其中：sx、sy、sz分別為X軸、Y軸、Z軸的初始位置；φA和φB分別為A軸、B軸的初始位置；L為刀心點(diǎn)至A軸、B軸交點(diǎn)距離(即刀具擺長)。

將T和R代入式(1)、(2)可得BA擺頭機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：

(3)

(4)

求解式(3)、(4)即可得到機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸的位移量：

φA=arcsin(-uy)-π/2≤φA≤π/2

(5)

φB=arctan(ux/uz)-π/2≤φB≤π/2

(6)

sx=hx+L·cosφAsinφB

(7)

sy=hy-L·sinφA

(8)

sz=hz+L·cosφAcosφB-L

(9)

2.2.3“S”試件加工仿真

“S”試件數(shù)控程序生成之后，需要驗(yàn)證其正確性，以及模擬該試件的加工過程，發(fā)現(xiàn)加工過程中的薄弱環(huán)節(jié)，并對(duì)加工誤差進(jìn)行分析。“S”試件的所有加工仿真過程均在VERICUT機(jī)床仿真環(huán)境中完成。首先在VERICUT中建立起B(yǎng)A擺頭機(jī)床的虛擬加工環(huán)境[9]，如圖6所示。然后給虛擬機(jī)床添加刀具庫及定義加工過程中的三類坐標(biāo)系；最后加載所生成的后置指令，即可對(duì)“S”試件進(jìn)行加工仿真。仿真過程如圖7所示。

仿真加工過程中可以觀察走刀過程是否出現(xiàn)碰刀、干涉等情況來判斷后置指令的正確性。仿真結(jié)束后可以測(cè)量試件的加工誤差來判斷后置指令的精確性。

3　切削實(shí)驗(yàn)

切削實(shí)驗(yàn)所在型號(hào)為V5-1030-ABJ的國產(chǎn)五軸AB擺頭機(jī)床上進(jìn)行，機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖8所示。該機(jī)床配備AB擺頭，能夠?qū)崿F(xiàn)一次裝夾完成復(fù)雜曲面的加工，在提高加工精度的同時(shí)，也提高了機(jī)床的加工效率。

按表1所示“S”試件的加工工藝流程，將刀具安裝入庫，并將試件毛坯安裝到機(jī)床工作臺(tái)上，將上節(jié)所仿真的數(shù)控程序?qū)氲綑C(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中，便可實(shí)現(xiàn)“S”試件的加工。試件加工過程如圖9所示，加工成型試件如圖10所示。

曲面法向誤差是衡量曲面類工件加工精度的主要指標(biāo)，其定義是指工件加工成型的輪廓與工件的設(shè)計(jì)輪廓在加工面法向上的距離[10]。利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)“S”試件的法向誤差進(jìn)行測(cè)量，依次取“S”緣條10mm、22.5mm、30mm高度上的25個(gè)點(diǎn)共75個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)如圖11所示，測(cè)量過程如圖12所示。

圖13為仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖，從圖中可以看出仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在量值上有一定的差異，但是兩者的演變趨勢(shì)卻是一致的。因此，本文所述的仿真流程能夠?qū)庸みM(jìn)行指導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)工件加工的薄弱環(huán)節(jié)與難點(diǎn)，對(duì)工件的加工程序進(jìn)行優(yōu)化。

4　結(jié)語

基于“S”試件這一典型復(fù)雜曲面，詳細(xì)說明了曲面類工件的虛擬加工技術(shù)。文章從“S”試件的加工工藝流程，數(shù)控加工后置指令算法，VERICUT數(shù)控加工仿真環(huán)境等方面詳細(xì)論述了“S”試件曲面的虛擬仿真技術(shù)，并通過數(shù)控銑削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該技術(shù)的正確性和精確性。虛擬仿真技術(shù)的成功運(yùn)用能夠極大地降低工件的報(bào)廢率。為保障機(jī)床的加工精度，提高機(jī)床的加工效率提供了技術(shù)支撐。

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Complexsurfacepartsprocessingqualityanalysisbasedonvirtualmanufacturingtechnology

CUILanglang，MENGYun

(GuizhouAerospaceLinquanMotorCo.,Ltd.,Guiyang550008,CHN)

Withthedevelopmentofaerospace,aviationandothertechnology,theapplicationofcomplexsurfacepartswidespread.Theprocessingforceofcomplexsurfacepartsiscomplex,andthereforesuchpartsareproventohardtoprocess.Inthispaper,virtualmanufacturingtechnologywillbeappliedtosurfacepartsmachining,andthe“S”specimenofthevirtualmodelisestablished.Through5-axismillingmachineexperimentstoverifythepracticalityandthecorrectnessofthevirtualprocessmodel.Itdescribesvirtualprocessingtechnologytoprovideastrongtechnicalsupportforimprovingthesurfacemachiningaccuracyandprocessingefficiency.

virtualmanufacturing;complexsurfaces; "S"specimen;five-axismachine

TH161+.5

A

崔浪浪，男，1987年生，助理工程師，碩士，主要從事航天用高效率風(fēng)機(jī)葉輪葉片，高功率密度、低噪聲電機(jī)技術(shù)研究。

(編輯譚弘穎)(2015-10-08)

160209

*國家科技重大專項(xiàng):國產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床與數(shù)控系統(tǒng)在飛機(jī)筋肋梁等加工單元中的應(yīng)用(2013ZX0401-021)