新型數(shù)控機(jī)械加工進(jìn)刀工藝探究

萬端威

（杭州航天電子技術(shù)有限公司，浙江杭州 311400）

0 引言

在數(shù)控機(jī)械的實(shí)際應(yīng)用過程中，對(duì)進(jìn)刀工藝參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)確定，是確保加工質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。特別是在一些特殊的精密零件加工中，通常涉及進(jìn)刀工藝參數(shù)的優(yōu)化改進(jìn)，因此需要對(duì)此問題展開深入探究。

1 案例概況

某廠主要生產(chǎn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)所需的葉盤器件（圖1）。為提升渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能，其葉片部件采用復(fù)雜空間自由曲面模式，對(duì)葉片的壓力面與吸力面進(jìn)行設(shè)計(jì)。在這種設(shè)計(jì)模式下，葉盤的結(jié)構(gòu)與形狀均具有較高的復(fù)雜度，且葉片厚度較低，承受的彎扭也相對(duì)較高，進(jìn)而導(dǎo)致相鄰葉片之間存在較窄且較深的通道。基于葉盤的上述特點(diǎn)，其對(duì)于數(shù)控加工的要求也相對(duì)較高。結(jié)合以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可知，基于以往的進(jìn)刀工藝參數(shù)，葉盤的加工效率相對(duì)偏低，且刀具磨損速度較快，帶來了較高的額外成本。為有效解決此類問題，技術(shù)部門決定對(duì)加工葉盤的數(shù)控機(jī)械進(jìn)刀工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 葉盤模型

2 進(jìn)刀工藝參數(shù)優(yōu)化流程

2.1 刀具尺寸和轉(zhuǎn)角參數(shù)最優(yōu)值的求解

為實(shí)現(xiàn)葉盤加工效率和質(zhì)量的提升，參考已有經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況，確定最大適用刀具半徑和最優(yōu)轉(zhuǎn)角是解決上述問題最為有效的兩個(gè)參數(shù)。而在這兩個(gè)參數(shù)的優(yōu)化過程中，又涉及到多個(gè)變量，包括葉盤轉(zhuǎn)角以及若干個(gè)復(fù)雜空間自由曲面上的檢查點(diǎn)，使得本文優(yōu)化求解屬于典型的復(fù)雜非線性約束優(yōu)化問題。針對(duì)此類問題，選擇LSA 線性搜索算法（下文簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)SA算法）對(duì)最大適用刀具半徑與最優(yōu)轉(zhuǎn)角進(jìn)行求解。

基于已有理論，確定LSA 算法的運(yùn)行流程如下：①輸入轉(zhuǎn)角搜索的初始左、右邊界BL、BR，同時(shí)輸入機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的定位精度BP；②計(jì)算初始左右邊界的適用刀具半徑，其存在最大值和最小值，分別用rmax（BL）、rmin（BL）、rmax（BR）、rmin（BR）表示；③取初始左、右邊界BL、BR的中點(diǎn)，將其標(biāo)記為BM，計(jì)算該中點(diǎn)的適用刀具半徑的最大值、最小值，分別用rmax（BM）、rmin（BM）表示；④計(jì)算初始左、右邊界BL、BR的差值，如計(jì)算結(jié)果小于Bp，則以BM為最優(yōu)轉(zhuǎn)角，并取rmax（BM）和rmin（BM）的最小值作為最大適用刀具的半徑值，即rmax=min（rmax（BM），rmin（BM）），而后輸出最優(yōu)轉(zhuǎn)角和rmax，算法結(jié)束，否則轉(zhuǎn)入步驟⑤；⑤對(duì)沿葉盤軸線正向的被加工曲面和約束曲面的位置關(guān)系進(jìn)行判斷，如果被加工曲面在約束曲面的順時(shí)針方向則轉(zhuǎn)移到步驟⑥，逆時(shí)針方向則轉(zhuǎn)移至步驟⑦；⑥如果rmax（BM）＞rmin（BM）則令BR=BM，反之則令BL=BM，同時(shí)轉(zhuǎn)到步驟②；⑦如rmax（BM）＞rmin（BM）則令BL=BM，反之則令BR=BM，同時(shí)轉(zhuǎn)到步驟②。

該算法的基本流程如圖2 所示。

圖2 LSA 算法基本流程

2.2 刀具選擇及加工區(qū)域劃分

根據(jù)實(shí)際情況可知，在優(yōu)化最大適用刀具和最優(yōu)轉(zhuǎn)角的過程中，刀具的錐度、圓角半徑、頸長(zhǎng)等參數(shù)均為固定值，如果上述參數(shù)發(fā)生改變，則會(huì)導(dǎo)致最大適用刀具在形式和規(guī)格兩方面發(fā)生改變。而在本文葉盤加工過程中，涉及到的刀具種類較多，不能以統(tǒng)一輸入?yún)?shù)計(jì)算所有切觸點(diǎn)的最大適用刀具半徑后，再直接進(jìn)行區(qū)域劃分。根據(jù)上文所述的算法步驟，預(yù)先確定加工刀具所處的尺寸范圍，按照由大到小的順序共計(jì)選擇K 把刀具，這些刀具的直徑、錐度、圓角半徑、頸長(zhǎng)各不相同，因此得到4 個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的4 個(gè)集合分別標(biāo)記為Dr（k）、φ（k）、rc（k）、H（k），然后基于以下步驟對(duì)加工過程中單個(gè)接觸點(diǎn)所需使用的刀具進(jìn)行分析與確定。

分析工作的關(guān)鍵是對(duì)目標(biāo)接觸點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大適用刀具直徑Dmax（l）進(jìn)行分析計(jì)算，該步驟以φ（1）、rc（1）、H（1）作為輸入?yún)?shù)，并基于上文中所述的算法流程計(jì)算：

式中 Dmax——最大適用刀具直徑，mm

rmax——刀具半徑的最大值，mm

rc——刀具的圓角半徑，mm

φ——轉(zhuǎn)角，°

將計(jì)算結(jié)果與刀具集合Dr（1）中的對(duì)應(yīng)值進(jìn)行比較，如計(jì)算結(jié)果高于對(duì)應(yīng)值則該接觸點(diǎn)使用1 號(hào)刀具進(jìn)行加工，否則重復(fù)上述步驟，令k=k+1 重復(fù)進(jìn)行，直至k=K-1 為止，確定加工刀具的序號(hào)。對(duì)壓力面和吸力面上所有接觸點(diǎn)，均采用該方法確定各點(diǎn)加工所需使用的刀具。

在以上分析步驟完成后，結(jié)合本文研究的葉盤模型進(jìn)行加工區(qū)域的劃分。根據(jù)該葉盤模型允許粗加工余量不超過0.5 mm 的要求，確定使用6 把刀具進(jìn)行加工。6 把刀具的圓角半徑均為1 mm，而直徑則存在梯度，分別為32 mm、25 mm、20 mm、16 mm、12 mm和8 mm。在對(duì)刀具接觸點(diǎn)進(jìn)行判斷后，對(duì)壓力面和吸力面的加工區(qū)域進(jìn)行劃分（圖3）。

圖3 劃分結(jié)果

2.3 刀位軌跡規(guī)劃及生成

根據(jù)上文對(duì)壓力面和吸力面的劃分，以及最優(yōu)轉(zhuǎn)角和加工刀具尺寸的分析結(jié)果，基于數(shù)控機(jī)床中的加工坐標(biāo)系，對(duì)刀具的位點(diǎn)坐標(biāo)（其與切觸點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)）進(jìn)行分析，計(jì)算公式如下：

式中，PCC（S（i，j））表示在加工坐標(biāo)系下，接觸點(diǎn)為［xCC，yCC，zCC］T時(shí)的坐標(biāo)；n=［nx，ny，nz］T表示加工坐標(biāo)系CSM 下，曲面在切觸點(diǎn)PCC（i，j）處的單位法向矢量。代入已知數(shù)據(jù)，即可計(jì)算得到刀位點(diǎn)信息。該信息以加工坐標(biāo)系為基礎(chǔ)，涵蓋了刀位點(diǎn)的空間坐標(biāo)x、y、z 和刀位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的葉盤轉(zhuǎn)角B，格式為［x，y，z，B］。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，結(jié)合多刀具分區(qū)域加工的實(shí)際情況，通過以下步驟生成多刀具刀位軌跡：

（1）從尺寸最大的加工刀具開始，按照從葉盤模型尖部向根部的順序，對(duì)所有切削層進(jìn)行遍歷。針對(duì)每一個(gè)切削層，根據(jù)壓力面上切削行的類型，生成相對(duì)應(yīng)的刀具加工軌跡，同理可以生成吸力面的刀具加工軌跡。

（2）在此基礎(chǔ)上，更換尺寸稍小的下一個(gè)加工刀具，按照上述方法生成所需的全部6 個(gè)刀具的加工軌跡。

以3 號(hào)刀具為例，對(duì)刀具加工軌跡的實(shí)例進(jìn)行分析：該刀具從安全平面上的起始點(diǎn)開始，下降至進(jìn)刀起點(diǎn)，從通道外側(cè)按照進(jìn)給速度進(jìn)入到壓力面切削段中，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力面的切削。在壓力面切削完成后，退回到安全平面。再在安全平面上移動(dòng)到吸力面切削段的起始點(diǎn)，下降至進(jìn)刀起點(diǎn)后，進(jìn)給到吸力面切削的首個(gè)點(diǎn)位，再執(zhí)行對(duì)吸力面的切削過程，直至吸力面全部加工完成后執(zhí)行抬刀動(dòng)作，使刀具轉(zhuǎn)移至安全平面上的終止點(diǎn)，支持，切削層的加工即全部完成。具體的刀位軌跡如圖4 所示。

圖4 刀位軌跡

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

為驗(yàn)證本文加工進(jìn)刀工藝方案的有效性，以案例中的葉盤加工為研究對(duì)象，分析進(jìn)刀工藝參數(shù)是否能夠進(jìn)行有效加工。因此采用直徑為190 mm、厚度為36 mm的硬質(zhì)鋁合金材料作為毛坯進(jìn)行加工，其控制目標(biāo)是葉盤輪轂直徑為88 mm、軸向厚度為35 mm、葉片高度為46 mm。

確定以上內(nèi)容后，首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，設(shè)置圓角半徑rc為1 mm、錐度角度為0°、錐度段長(zhǎng)度為35 mm。應(yīng)用LSA 算法進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果顯示，壓力面上最大適用刀具半徑的最小值和最大值分別為4.51 mm 和18.27 mm，吸力面上最大適用刀具半徑的最小值和最大值則分別為4.28 mm 和14.69 mm。在此基礎(chǔ)上，為確保最大尺寸刀具的應(yīng)用比例盡可能高，在CGTECH軟件中進(jìn)行仿真，對(duì)加工區(qū)域進(jìn)行劃分，并生成加工刀具軌跡。

在以上工作準(zhǔn)備就緒后，采用立式四軸銑床作為主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備，為該機(jī)床配置本文所使用的6 種不同尺寸刀具，然后使用計(jì)算機(jī)對(duì)該實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行控制，并執(zhí)行加工過程。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

（1）對(duì)整體實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的全程監(jiān)控可知，在全過程內(nèi)，刀具和機(jī)床、夾具和毛坯材料之間均未發(fā)生碰撞，葉盤通道與刀具之間可能的干涉情況也未出現(xiàn)。加工完成后，葉盤的形貌與預(yù)期結(jié)果基本一致，本文所使用的刀具與加工完成后的效果如圖5 所示。

圖5 刀具及加工效果

（2）分析加工過程中，各個(gè)刀具的加工時(shí)間及材料去除比例。本環(huán)節(jié)通過積分計(jì)算方式獲取數(shù)據(jù)信息，結(jié)果如表1 所示。

表1 各刀具的加工時(shí)間及材料去除比例

由表1 可知，本文加工過程中前3 把刀具貢獻(xiàn)了69.2%的切削率，該指標(biāo)在前4 把刀具中的比例進(jìn)一步上升，高達(dá)88.0%，其他2 把切削尺寸較小的刀具的工作則相對(duì)較少。這表明本文研究的最大刀具在葉盤加工方面具有相對(duì)較優(yōu)的性能。

（3）對(duì)切削效率的提升情況進(jìn)行對(duì)比分析。與傳統(tǒng)模式下僅采用單種刀具的加工模式進(jìn)行對(duì)比，分析結(jié)果顯示，本文模式與傳統(tǒng)模式均取得了100%的去除材料比例，但加工時(shí)間差異明顯。優(yōu)化后的模式消耗17.8 min完成了加工，而在傳統(tǒng)模式下的消耗為26.2 min，效率提升約32%，表明本文針對(duì)進(jìn)刀工藝的優(yōu)化取得了一定的效果。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)葉盤器件的數(shù)控機(jī)械加工展開研究，通過LSA 求解算法對(duì)進(jìn)刀工藝中所需的最大適用刀具半徑和最優(yōu)轉(zhuǎn)角進(jìn)行了分析計(jì)算，并基于求解結(jié)果選擇加工刀具，對(duì)加工軌跡進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明，優(yōu)化后的進(jìn)刀工藝行之有效，具有一定實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。