飛輪殼數(shù)控加工工藝優(yōu)化及仿真

韓旭，蘭海，王春，孫治成

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.大連創(chuàng)新零部件制造公司，遼寧 大連 116028) *

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飛輪殼數(shù)控加工工藝優(yōu)化及仿真

韓旭1，蘭海2，王春1，孫治成2

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.大連創(chuàng)新零部件制造公司，遼寧 大連 116028)*

為了縮短某飛輪殼生產(chǎn)線時(shí)間節(jié)拍，對(duì)其瓶頸工序數(shù)控加工工藝進(jìn)行分析，確定了其工藝不合理之處，提出了加工工藝優(yōu)化方案.為了驗(yàn)證優(yōu)化方案的合理性，運(yùn)用了VERICUT數(shù)控加工軟件對(duì)原加工工藝和改進(jìn)工藝進(jìn)行仿真模擬，并按照實(shí)際機(jī)床和刀具參數(shù)對(duì)VERICUT進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，保證了仿真的準(zhǔn)確性.仿真結(jié)果證明優(yōu)化方案正確可行，能夠大幅縮短加工生產(chǎn)節(jié)拍.

加工工藝；VERICUT；優(yōu)化方案

0 引言

飛輪殼是發(fā)動(dòng)機(jī)上一個(gè)重要的零部件，其作用是連接發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器，承擔(dān)發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器的部分重量，同時(shí)也是發(fā)動(dòng)機(jī)重要的支撐部件[1].其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是零件形狀不規(guī)則，毛坯壁薄，剛性差等[2].飛輪殼加工質(zhì)量的好壞對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和壽命起到重要的作用[3].目前，飛輪殼的生產(chǎn)較多采用數(shù)控加工方法，而加工工藝及加工路徑的合理性直接決定了產(chǎn)品質(zhì)量、精度及效率的高低.但是在實(shí)際加工中驗(yàn)證加工工藝成本較高、效率低下，耽誤生產(chǎn)進(jìn)度，為了更準(zhǔn)確快速的驗(yàn)證加工工藝，需要專用數(shù)控加工模擬軟件對(duì)加工工藝進(jìn)行仿真.VERICUT是由CGTECH公司開(kāi)發(fā)的數(shù)控加工仿真專用軟件，具備同時(shí)進(jìn)行刀具軌跡、機(jī)床運(yùn)動(dòng)及加工時(shí)間仿真功能[4]，可以直觀、形象的展現(xiàn)數(shù)控加工的全過(guò)程[5]，并能對(duì)仿真后切削模型尺寸精度進(jìn)行測(cè)量，保留切削模型供后續(xù)加工仿真使用[6].

本文為了縮短某飛輪殼生產(chǎn)線時(shí)間節(jié)拍，將其加工節(jié)拍從380 s縮短到350 s，對(duì)其瓶頸數(shù)控加工工序進(jìn)行分析，確定工藝不合理之處，提出加工工藝優(yōu)化方案，并利用VERICUT對(duì)飛輪殼優(yōu)化前后的加工過(guò)程進(jìn)行仿真，驗(yàn)證優(yōu)化方案的正確可行.

1 飛輪殼加工工藝分析

1.1 原加工工藝

此次加工飛輪殼結(jié)構(gòu)如圖1所示，工件所用材料為ZL104，屬于大型薄壁殼類零件.其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是孔系多，剛性差，易變形、工藝性較差.下面是幾處加工難點(diǎn)的原有工藝安排.

圖1 飛輪殼結(jié)構(gòu)

(1)銑A、M基準(zhǔn)面，保證A、M面距離5.8±0.5；腹板厚度24±0.4.

工藝安排采用Φ63盤(pán)銑刀，一次精加工完畢.主軸轉(zhuǎn)速為6 800 r/min，進(jìn)給速度為3200mm/min，切深0.3 mm.

(4)加工2×M8-6H螺紋孔，工藝分為兩道工序：①φ7.4鉆頭鉆2×M8-6H螺紋底孔，保證直徑φ7.4，深度19MAX.主軸轉(zhuǎn)速為5 595 r/min，進(jìn)給速度為1 678 mm/min;②M8擠壓絲錐攻螺紋2-M8-6H，保證深度14MIN.剛性攻絲轉(zhuǎn)速為600 r/min，進(jìn)給速度為750 mm/min.其中，M8擠壓絲錐材質(zhì)為高速鋼.

(5)加工3×M10-6H螺紋孔，工藝分為兩道工序：①φ9.2鉆頭鉆3×M10-6H螺紋底孔，保證深度34MAX.主軸轉(zhuǎn)速為5 192 r/min，進(jìn)給速度為908.5 mm/min;②M10擠壓絲錐攻螺紋3-M10-6H，保證深度25MIN.剛性攻絲轉(zhuǎn)速為600 r/min，進(jìn)給速度為900 mm/min.其中，M10擠壓絲錐為高速鋼.

1.2 原加工工藝問(wèn)題分析

雖然此次加工的飛輪殼已大范圍投產(chǎn)，但其加工工藝性仍有不合理之處：

(1)銑A、M基準(zhǔn)面時(shí)刀具加工路徑不合理.在加工中，加工路徑并不是按照最短距離編制的，而且抬刀次數(shù)較多，空走刀時(shí)間較長(zhǎng)，影響加工效率.

由于工序安排多，增加了工藝準(zhǔn)備時(shí)間和加工時(shí)間，降低了生產(chǎn)效率.

(3)在加工M8、M10螺紋孔時(shí)，采用的是高速鋼材質(zhì)的絲錐，其切削速度與進(jìn)給速度低，刀具使用壽命短，加工效率低.

1.3 加工工藝優(yōu)化方案

基于以上幾點(diǎn)不合理之處，本文對(duì)飛輪殼加工工藝做出如下改進(jìn)：

(1)針對(duì)A、M面刀具加工路徑過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題，按照最短距離原則重新規(guī)劃了刀具路徑，減少抬刀次數(shù)，以縮短加工時(shí)間;

(2)設(shè)計(jì)制造新型金剛石鏜刀，代替φ88.2孔粗鏜與φ88.7孔半精鏜刀具，將φ88.9孔加工工藝優(yōu)化為兩道工序;

(3)設(shè)計(jì)制造新型金剛石鉸刀，代替φ17.6半精鏜刀和φ18.02鉸刀，將φ18.02孔工藝改進(jìn)為兩道工序;

(4)為了提高M(jìn)8、M10螺紋孔加工效率，優(yōu)化工藝選擇用瓦爾特HP8061716-M8、HP8061716-M10硬質(zhì)合金擠壓絲錐.加工M8螺紋孔時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速由原來(lái)的600 r/min提高到2 300 r/min，進(jìn)給速度由原來(lái)的750 mm/min提高到2 875 mm/min.加工M10螺紋孔時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速由原來(lái)的600 r/min提高到1 900 r/min，進(jìn)給速度由原來(lái)的900 mm/min提高到2 850 mm/min.

通過(guò)以上優(yōu)化方法，原加工工藝存在的不足將得到較大的改進(jìn).為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果，本文運(yùn)用VERICUT仿真軟件，對(duì)原加工工藝和優(yōu)化后的工藝進(jìn)行了模擬仿真.

2 VERICUT加工仿真

2.1 VERICUT仿真設(shè)置

為了保證仿真模擬與實(shí)際加工相一致，對(duì)VERICUT進(jìn)行如下設(shè)置：

(1)建立機(jī)床仿真模型，設(shè)置機(jī)床參數(shù).X/Y/Z各軸行程分別設(shè)置為1 300、650、625 mm；換刀參考點(diǎn)設(shè)置為位置(0，0，825)；X/Y/Z各軸的最大進(jìn)給速度設(shè)置為8 000 mm/min，快速移動(dòng)速度分別設(shè)置為24、24、20 m/min，加速度分別為2700、2 700、2500 mm/s2.

(2) 導(dǎo)入毛坯、工件模型.根據(jù)實(shí)際加工中工件在工作臺(tái)的位置設(shè)置工件、毛坯位置.建立工件坐標(biāo)系、設(shè)置工件坐標(biāo)零點(diǎn)偏置.根據(jù)實(shí)際刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償值設(shè)置刀具伸出長(zhǎng)度.

(3)設(shè)置退刀方式為Z軸退刀.添加換刀時(shí)間宏定義，根據(jù)實(shí)際切削對(duì)切削換刀時(shí)間4s，對(duì)M6添加“Cycle Dwell Time”和“Dwell Time”宏定義，并設(shè)置覆蓋值為4，再添加“Dwell Macro”宏定義.添加主軸起停時(shí)間宏定義，根據(jù)實(shí)際機(jī)床主軸起始和停止時(shí)間0.44s，添加M03和M05“ Cycle Dwell Time”和“Dwell Time”宏定義，設(shè)置覆蓋值為0.44，再添加“Dwell Macro”宏定義.

2.2 仿真結(jié)果

將原加工程序和優(yōu)化加工程序分別導(dǎo)入VERICUT進(jìn)行仿真模擬，原加工路徑與優(yōu)化加工路徑分別如圖2所示，加工時(shí)間如表1所示.

表1 仿真時(shí)間結(jié)果 s

圖2 原加工與優(yōu)化路徑

2.3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)以上加工路徑仿真結(jié)果，不難看出，相比于原加工路徑，A、M面優(yōu)化后路徑明顯縮短，減少了抬刀次數(shù)和重復(fù)加工路徑，刀具路徑更加連貫，并且采用順時(shí)針銑削方法，保證加工面的質(zhì)量要求.

依據(jù)仿真時(shí)間結(jié)果，優(yōu)化后加工時(shí)間比原加工時(shí)間縮短66 s， 其中A、M面加工時(shí)間縮短14.2s，φ88.9孔加工時(shí)間縮短27.2 s，φ18.02孔縮短11 s，M8螺紋孔縮短4.8 s，M10螺紋孔縮短8.8 s.可以看出，在優(yōu)化刀具路徑、改進(jìn) φ88.9和φ18.02孔加工工藝、選用硬質(zhì)合金材質(zhì)的絲錐加工M8和M10螺紋孔后，總體加工時(shí)間明顯減少，效率提升較大.

3 結(jié)論

本文為了縮短某飛輪殼生產(chǎn)線時(shí)間節(jié)拍，對(duì)飛輪殼瓶頸加工工藝進(jìn)行分析，確定工藝中存在的不合理之處，提出了優(yōu)化方案.為了驗(yàn)證優(yōu)化方案的合理性，同時(shí)避免由于實(shí)際加工驗(yàn)證而造成生產(chǎn)進(jìn)度的延誤，運(yùn)用VERICUT對(duì)優(yōu)化前后加工工藝進(jìn)行仿真模擬.為了保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，結(jié)合生產(chǎn)廠商與機(jī)床廠商對(duì)于機(jī)床及刀具各項(xiàng)參數(shù)的反饋數(shù)據(jù)，對(duì)VETICUT進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，仿真結(jié)果驗(yàn)證了優(yōu)化方案的合理性，實(shí)現(xiàn)了加工節(jié)拍從380 s縮短到350 s的目標(biāo).

[1]劉玉梅,潘為祥.飛輪殼工藝方案分析及典型夾具設(shè)計(jì)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2008(5):128-130.

[2]佀金生.飛輪殼加工夾具及刀具設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代零部件，2014(8):46- 47.

[3]王立萍. 柴油機(jī)薄壁件飛輪殼孔系加工工藝的改進(jìn)[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2008(2):43-45.

[4]牟小云. 基于VERICUT的數(shù)控機(jī)床建模技術(shù)[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2008(1):55-57.

[5]王敏. VERICUT仿真軟件在實(shí)際加工中的應(yīng)用[J]. 機(jī)械工程師，2013(4):77-79.

[6]陳思濤. VERICUT仿真技術(shù)在數(shù)控加工工廠中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造，2010(5):76-78.

Optimization and Simulation of CNC Flywheel Housing Machining Technology

HAN Xu1, LAN Hai2, WANG Chun1, SUN Zhicheng2

(1.School of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China; 2.Dalian Innovation Manufacture Company, Dalian 116028, China)

In order to cut down the machining cycle time of a flywheel housing production line, the unreasonable machining process of the flywheel housing was pointed out, and optimization scheme was put forward through the analysis on the key machining process. In order to verify the optimization results, simulations of the original machining process and the improved process were conducted by using software VERICUT. To ensure the accuracy of the simulation, setup and configuration on VERICUT was accordance with the actual machine tool and cutters parameters. The simulation result shows that the optimization scheme is correct and reasonable and capable of shorten the machining cycle time of the flywheel housing.

machining process; VERICUT; optimization

1673- 9590(2016)06- 0076- 03

2016-04-29

韓旭(1988-)，男，碩士研究生；王春(1963-)，男，教授，博士，主要從事數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)字化制造技術(shù)的研究

A

E- mail:han_xu88@126.com.