一種閥門殼體工件加工走刀速度動態(tài)優(yōu)化方法

鄭智貞　白云鑫　張余升　袁少飛　董芳凱

(①中北大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，山西 太原 030051；②上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245)

?

一種閥門殼體工件加工走刀速度動態(tài)優(yōu)化方法

鄭智貞①白云鑫①張余升②袁少飛①董芳凱①

(①中北大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，山西 太原 030051；②上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245)

針對航天零件加工精度要求高，加工過程中材料去除量大，加工效率低等特點。選取了一種閥門殼體類新型航天整體結(jié)構(gòu)零件加工為研究對象，利用VERICUT軟件對數(shù)控加工程序進行優(yōu)化，重點對走刀速度進行動態(tài)優(yōu)化。工件粗加工階段采用恒體積去除優(yōu)化方式，精加工階段采用等切削厚優(yōu)化方式。實現(xiàn)了切削過程中走刀速度隨著切削體積、切削厚度的改變而實時改變。最后對優(yōu)化程序進行了實驗驗證，實驗結(jié)果表明優(yōu)化程序后加工的工件完全滿足加工要求，且加工效率提高了29.71%。為提高閥門殼體工件加工效率提供了一種有效的優(yōu)化方法。

閥門殼體工件；VERICUT；走刀速度；動態(tài)優(yōu)化

隨著我國航天技術(shù)的快速發(fā)展，閥門殼體類新型航天整體結(jié)構(gòu)零件得到廣泛使用[1]。此系列零件可有效減少航天飛行器中的連接件數(shù)目，縮短飛行器的裝配周期。但是航空航天閥門殼體類零件具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔、腔多等特點[2]。目前這類工件多采用直接銑削加工方法，加工過程中走刀環(huán)境復(fù)雜，材料去除量大，加工效率低?？蓪η邢鲄?shù)進行優(yōu)化，以此來提高加工效率，降低加工成本。

文中以圖1所示的閥門殼體類新型航天整體結(jié)構(gòu)零件為例，研究該工件在銑削加工過程中刀具切削量的變化情況對工件加工效率的影響。通過分析，提出一種工件加工走刀速度動態(tài)優(yōu)化方法。即將刀路軌跡分段，在粗加工階段，材料去除量大，采用恒體積去除切削參數(shù)優(yōu)化方法；在精加工階段，為保證加工表面質(zhì)量，采用等切削厚的程序優(yōu)化方法。優(yōu)化結(jié)束后，通過實際加工對程序進行了加工實驗，驗證了優(yōu)化程序的正確性。

1　程序優(yōu)化原理

通過分析加工過程中切削參數(shù)間的相互關(guān)系，和切削環(huán)境改變對切削參數(shù)的影響，確定了切削參數(shù)中的走刀速度作為程序優(yōu)化參數(shù)。

1.1優(yōu)化變量確定

在機床性能和所使用刀具材料確定的情況下，影響加工時間的切削參數(shù)可用式(1)來表示，其中S為主軸轉(zhuǎn)速，Vf為走刀速度，Ap為切削深度，Aw為切削寬度。

T(x)=[S，Vf,，Ap，Aw]

(1)

理論上增大各切削參數(shù)的值可以提高加工效率，但在實際加工過程中，由于機床和刀具性能的限制，參數(shù)值的設(shè)定不能隨意增大。刀具在切削過程中，主軸轉(zhuǎn)速、切削深度和切削寬度等參數(shù)設(shè)置是根據(jù)材料性能確定的，保持恒定不變，它們的優(yōu)化空間較小。走刀速度的設(shè)定是根據(jù)切削去除量的大小設(shè)定一個相對合理的參數(shù)值[3]。但在加工過程中材料去除的體積、厚度會隨著工件的輪廓形狀發(fā)生變化，固定不變的走刀速度與變化的材料去除量相矛盾。因此通過實時改變走刀速度，保證切削過程走刀速度根據(jù)切削量的不同隨時保持在最合理的工作狀態(tài)，可以達到優(yōu)化程序，提高加工效率的目的。具體的程序優(yōu)化方法，說明如下。

1.2優(yōu)化原理

具體優(yōu)化方法是在虛擬加工過程中，根據(jù)設(shè)定的解析距離，在不改變走刀路徑的前提下將原走刀程序分解成多段等距離新刀路，在每段新刀路中根據(jù)具體的切削情況分配最合適的走刀速度[4]。

每道工序中都會有粗加工和精加工兩種加工過程，粗加工以大量去除材料為主，精加工過程以保證表面加工質(zhì)量為主，因此在不同的加工方法時采取不同的優(yōu)化方法。

1.2.1粗加工恒體積去除切削參數(shù)優(yōu)化

傳統(tǒng)的數(shù)控程序編寫方法是，在CAM環(huán)境中制定好走刀路徑，然后根據(jù)切削情況設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速、切削深度、切削寬度和走刀速度等切削參數(shù)。加工過程中的體積去除率Q(mm3/min)可用公式(2)表示:

Q=Vf×Aw×Ap

(2)

其中：Vf為走刀速度，mm/s；Aw為切削寬度，mm；Ap為切削深度，mm。

但是在工件加工時，因工件表面形狀的關(guān)系，刀具在不同位置的切削量不同。如圖2所示，如果刀具走刀速度保持不變，刀具在圓周銑削過程中，因毛坯材料外部輪廓形狀與工件外部輪廓不完全相同，材料的體積去除會時刻發(fā)生變化。因切削寬度Aw和切削深度Ap不變，可通過改變走刀速度Vf的方法，保證切削過程中體積去除恒定。

恒體積去除優(yōu)化模式，主要應(yīng)用于材料切削余量變化比較大，特別是粗加工階段。此種優(yōu)化方式，在體積去除小的時候提高走刀速度，進而提高加工效率，同時避免了切削量過大的狀況，起到保護機床和刀具的作用。

1.2.2精加工等削厚切削參數(shù)優(yōu)化

粗加工完成后會留有一定余量，余量的表面一般會呈現(xiàn)出臺階狀。等削厚是針對精加工過程切削參數(shù)優(yōu)化的一種方法。精加工的切削示意圖如圖3所示，工件表面狀況變化頻繁，若采用恒體積去除的方法，刀具走刀速度會高頻率和大幅度的變化，不利于保證表面加工質(zhì)量。等削厚去除材料優(yōu)化提供了一種可以使刀具切削狀態(tài)保持在相對穩(wěn)定的工作過程的一種方法。通過VERICUT優(yōu)化分析計算切削模型和切削厚度，當(dāng)大于給定的切削厚度時，降低走刀速度，當(dāng)小于給定的切削厚度時，提高走刀速度，動態(tài)地維持切削厚度相對恒定，使得切削力平穩(wěn)，保證工件表面加工質(zhì)量。

通過以上兩種動態(tài)切削參數(shù)優(yōu)化方式，完成閥門殼體工件加工過程中粗加工和精加工各工序的優(yōu)化。具體的優(yōu)化過程通過VERICUT軟件提供的虛擬加工環(huán)境實現(xiàn)。

2　工藝流程制定和程序優(yōu)化

在進行程序優(yōu)化前，首先要制定出合理的加工工藝，完成走刀程序的編寫。

2.1工藝制定

如圖4所示的閥門殼體工件，加工工件的毛坯材料為A506，規(guī)格為140 mm×149.5 mm×170 mm的方塊。完成零件加工需要經(jīng)過5個方向的加工，根據(jù)加工順序分別是：①工位前端大法蘭孔方向；②工位底端法蘭盤方向；③工位后端法蘭盤方向；④工位左側(cè)面方向；⑤工位右側(cè)面方向。具體加工的工序流程圖如圖5所示。需要說明的是，該加工實驗以驗證優(yōu)化程序的可行性為目的?？紤]加工成本和時間等因素，加工過程僅完成閥門殼體工件的外部特征加工。

根據(jù)以上制定的加工工藝，在UG環(huán)境下生成數(shù)控程序。然后通過VERICUT軟件對原程序進行優(yōu)化。

2.2VERICUT程序優(yōu)化過程

VERICUT提供了利用上述優(yōu)化原理進行程序優(yōu)化的環(huán)境，通過調(diào)用VERICUT內(nèi)部機床模型及其控制系統(tǒng)和設(shè)置刀具庫，實現(xiàn)完全模擬機床實際加工，并完成工件程序優(yōu)化工作。具體優(yōu)化流程如圖6所示。

優(yōu)化過程以刀具為基礎(chǔ)，優(yōu)化設(shè)置需要在每把刀上創(chuàng)建優(yōu)化操作。具體的操作過程闡述如下[5-6]：

(1)選擇優(yōu)化方法，如圖7所示，在切削情況下輸入編程過程中設(shè)置的切削深度、切削寬度和走刀速度參數(shù)。然后在優(yōu)化方法下選擇工序所需的優(yōu)化方法和設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速，根據(jù)切削工序，粗加工選擇體積去除優(yōu)化方法，精加工選擇削厚優(yōu)化方法。

(2)設(shè)定解析距離，解析距離設(shè)定要小于刀具直徑。一般為刀具直徑的0.25～0.8倍。值設(shè)置的過大降低程序的解析精度，不能起到對原刀路充分優(yōu)化的作用；設(shè)置的過小使刀具走刀速度改變頻繁增大刀具振動，也會使程序更加復(fù)雜。設(shè)置方法如圖8所示。

(3)限定走刀速度極限值。設(shè)定極限值是為了避免程序在優(yōu)化過程中出現(xiàn)走刀速度發(fā)生劇烈突變。如果缺少極大值的設(shè)定，在非切削材料時走刀速度瞬時提高到機床能達到的最大速度。但在實際操作中一般不會出現(xiàn)使用機床極限速度加工的情況。設(shè)置方法如圖9所示。

在對程序優(yōu)化過程中每一工位都是粗加工和精加工同時存在。在程序優(yōu)化的過程中需要對每一工位的每把刀具用以上步驟進行優(yōu)化設(shè)置，直到完成所有工序原刀路的優(yōu)化工作。

3　實驗驗證

為驗證以上切削參數(shù)優(yōu)化程序的效果。在Haas vf-6立式加工中心上分別用優(yōu)化前和優(yōu)化后的程序進行了工件加工。

3.1實驗條件

為保證實驗的順利完成，做了充分的準(zhǔn)備，具體的必要實驗條件：

機床：Haas vf-6立式加工中心；

毛坯：原始毛坯料為φ200 mm×160 mm圓柱棒料兩個。因沒有符合設(shè)計規(guī)格的方塊毛坯料，我們采用圓柱料銑削成方塊的做法；

夾具：平口鉗；

刀具：D80 mm端銑刀，D20 mm立銑刀，D10 mm立銑刀，D12R6球頭銑刀各一把。

3.2加工實驗步驟

(1)根據(jù)制定好的工藝順序在UG軟件中完成閥門殼體工件的數(shù)控加工程序的編寫，然后將編寫好的程序?qū)氲絭f-6加工中心進行工件加工。加工過程中記錄各工位的加工時間。圖10所示為加工過程中的某一瞬間。

(2)通過VERICUT虛擬加工環(huán)境，根據(jù)程序優(yōu)化原理，完成原始程序的優(yōu)化工作。

(3)將優(yōu)化后程序?qū)爰庸ぶ行?，再加工一個同參數(shù)工件，驗證理論優(yōu)化程序的正確性。同時在加工過程中記錄各工位的加工時間。圖11所示分別為優(yōu)化程序和未優(yōu)化程序加工實物。

3.3結(jié)果分析

加工過程中，記錄下的各工位優(yōu)化前程序和優(yōu)化后程序加工時間如表1所示。

表1程序優(yōu)化前后加工時間對照表

工位優(yōu)化前加工時間T1/min優(yōu)化后加工時間T2/min優(yōu)化率△T/T11353014.75%2161314.56%3584522.41%41198033.0%51227835.66%

優(yōu)化前程序和優(yōu)化程序都完成了工件加工，加工結(jié)果完全符合設(shè)計要求。分析表1數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化程序每個工位加工時間不同程度上有所減少?？傮w來說，采用優(yōu)化程序加工工件的時間相較于原程序加工效率提高了29.71%。實驗結(jié)果表明，將程序分段，并在每段添加走刀速度的程序優(yōu)化方法切實可行，這對于節(jié)約加工成本，保證加工進度有重要意義。

4　結(jié)語

本文針對航空工件中閥門殼體類工件，加工效率低的問題，進行了走刀速度的優(yōu)化研究。并以一種材料為5A06鋁的閥門殼體工件為例，對優(yōu)化方法進行了實驗驗證。驗證了將刀路軌跡分段，并在每段添加新走刀速度，是提高加工效率一種行之有效的優(yōu)化方法。這種方法考慮了切削過程中切削體積和厚度變化因素的影響，采用恒體積去除和等削厚的優(yōu)化方法，對切削參數(shù)中的走刀速度進行了動態(tài)優(yōu)化，改善了傳統(tǒng)方法中切削參數(shù)一旦設(shè)定就不再改變的不足。最終優(yōu)化程序加工工件的效率有了較大的提高，提高效率達到29.71%，這為提高加工效率，降低加工成本提供了有效的途徑。

[1] 中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會.航天科學(xué)技術(shù)學(xué)科發(fā)展報告2012-2013[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，2014.

[2]魏建梅,何順,金英卓.一種噴嘴殼體工件的數(shù)控加工方：中國，CN102806443B[P].2014-04-16.

[3]鄭智貞，白云鑫，張余生，等，板類工件切削參數(shù)優(yōu)化分析與實驗驗證[J].制造技術(shù)與機床，2015(2)：108-112.

[4]周代忠，師俊東，陳雅莉,等，一種數(shù)控加工工藝參數(shù)優(yōu)化方法：中國，CN10233179B[P].2013-06-05.

[5]劉強，李忠群.數(shù)控銑削加工過程仿真與優(yōu)化[M].北京：航空工業(yè)出版社 .2011.

[6]楊勝群.VERICUT數(shù)控加工仿真技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

如果您想發(fā)表對本文的看法，請將文章編號填入讀者意見調(diào)查表中的相應(yīng)位置。

A dynamic optimization method for feedrate of valve housing parts

ZHENG Zhizhen①, BAI Yunxin①, ZHANG Yusheng②, YUAN Shaofei①, DONG Fangkai①

(①School of Mechatronic and Power Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, CHN;②Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer, Shanghai 200245, CHN)

In view of the high processing requirements of aerospace parts, the large removal amount of material, and the low efficiency of processing, a new aerospace integral structure part of valve housing is selected as the research object, and the VERICUT software is used to optimize the NC machining program, especially the dynamic optimization of the feedrate. The optimization method of constant volume cutting is adopted in the rough machining stage and the equal thickness in the finishing stage. It has achieved the feedrate's real-time change as the cutting volume and thickness change in the cutting process. At last, the optimization program is verified by experiments. The results show that the parts processed by the optimized process can fully meet the processing requirements, and the processing efficiency is improved by 29.71%.An effective optimization method to improve the machining efficiency of the valve housing parts is provided.

valve housing parts; VERICUT; feedrate; dynamic optimization

TH164

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.10.021

鄭智貞，女，1970年生，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事數(shù)字化制造技術(shù)研究。

?茂)(

2016-06-07)

161025