復(fù)雜曲面加工工藝仿真分析方法

摘 要：復(fù)雜曲面加工過程復(fù)雜，切削載荷和刀軸矢量變化較大是制約加工精度和加工效率的主要原因。文章基于先進(jìn)分析理論，提出了一種加工工藝分析方法，通過分析切削力的影響因素，建立刀具、工藝參數(shù)和切削用量之間的關(guān)系，對加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，并通過加工試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜曲面；先進(jìn)分析；切削力

引言

隨著制造技術(shù)的發(fā)展和機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，以復(fù)雜曲面為特征的流線型結(jié)構(gòu)在機(jī)械產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛。由于復(fù)雜曲面特征具有弱剛性、刀軸矢量變化加劇和加工表面光順要求等特點(diǎn)，造成復(fù)雜曲面加工難度大、加工過程復(fù)雜，目前復(fù)雜曲面的加工方式在加工精度和加工效率兩個(gè)方面很難同時(shí)兼顧。文章將先進(jìn)仿真分析的理念融合到復(fù)雜曲面加工工藝中，很好地解決了上述問題。

1 先進(jìn)仿真分析原理

先進(jìn)仿真分析包括加工過程幾何仿真和有限元分析兩部分。加工過程幾何仿真是從幾何角度模擬切削加工過程，驗(yàn)證數(shù)控加工程序的正確性和消除碰撞、干涉等現(xiàn)象。有限元分析是對切削過程中的切削力、切削熱等物理因素進(jìn)行分析，通過建立切削加工模型或模擬切削加工過程中的位移場、溫度場等分布狀態(tài)，對加工過程中的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析優(yōu)化，提高刀具磨損、刀具顫振等的預(yù)測程度，有效的控制切削參數(shù)，實(shí)現(xiàn)切削過程和零件加工質(zhì)量的優(yōu)化。

2 復(fù)雜曲面加工存在的問題

復(fù)雜曲面加工過程中加工難度大，加工問題層出不窮，其中對其性能影響較嚴(yán)重的加工問題主要有加工變形、加工顫振、刀具磨損等。

（1）加工變形：設(shè)備精度的誤差、零件裝夾過程中產(chǎn)生的裝夾變形以及切削力的作用均是導(dǎo)致加工變形的主要原因。（2）加工顫振：零件材料的難加工性及剛性差等原因，加工過程中容易出現(xiàn)顫振引起的魚鱗狀表面缺陷。（3）刀具磨損：材料硬度高、冷作硬化、切削溫度過高等帶來的刀具切削部位鈍化、涂層失效過快等原因，導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重。

3 加工過程先進(jìn)仿真分析優(yōu)化

采用先進(jìn)仿真分析方法對復(fù)雜曲面加工過程進(jìn)行研究，通過加工過程幾何仿真和有限元分析，以控制切削加工過程中切削載荷的大小和波動為優(yōu)化目標(biāo)，對數(shù)控加工程序進(jìn)行驗(yàn)證，找出影響切削力的關(guān)鍵因素，并對加工過程進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的高效優(yōu)質(zhì)加工。

3.1 加工過程幾何仿真

加工過程幾何仿真包括數(shù)控程序驗(yàn)證和切削加工過程分析兩部分。數(shù)控程序驗(yàn)證是采用加工軟件對刀具軌跡的合理性和進(jìn)退刀等進(jìn)行檢查；切削加工過程分析主要采用幾何仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，檢驗(yàn)加工過程中是否存在干涉、碰撞等問題，根據(jù)仿真結(jié)果可實(shí)現(xiàn)對加工程序的優(yōu)化。

3.2 切削加工有限元分析

切削載荷是影響加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素，加工過程中刀具的性能和加工參數(shù)的選擇均會對零件加工質(zhì)量和切削載荷產(chǎn)生一定的影響。文章以某航空發(fā)動機(jī)葉片零件實(shí)際加工參數(shù)為數(shù)據(jù)來源，對影響切削加工較大的刀具幾何參數(shù)和加工參數(shù)進(jìn)行采樣，并采用正交試驗(yàn)法確定對切削加工影響加大的因素為刀具齒數(shù)、刀尖圓弧Rc、切削深度和進(jìn)給量。

在正交試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，對各關(guān)鍵影響因素進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到表1所示的結(jié)果數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)：（1）切削力隨刀具齒數(shù)的增加而減??；（2）切削力的大小與刀尖圓弧之間沒有明確關(guān)系；（3）切削力隨切削深度的增加而增大；（4）切削力隨每齒進(jìn)給量的增加而增大。

3.3 關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化原則

根據(jù)試驗(yàn)分析結(jié)果，可通過調(diào)整刀具齒數(shù)、刀尖圓弧、切削深度和進(jìn)給量的不同取值來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面切削加工的優(yōu)化。

（1）刀具齒數(shù)

由于切削力隨刀具齒數(shù)的增多而降低，可以通過增加刀具齒數(shù)來控制切削載荷的大小。但是，刀具排屑槽寬度隨刀具齒數(shù)的增多而減小，過窄的排屑槽不利于切屑的排放，還會導(dǎo)致切削溫度的升高。通常在精加工等排屑量較小的條件下可以適當(dāng)增加刀具齒數(shù)。

（2）刀尖圓弧

在相同切削深度條件下，刀尖圓弧對切削力的影響不大。但是，當(dāng)直徑不變時(shí)，刀尖圓弧的刃磨難度隨刀具齒數(shù)增多而加大，因此，刀尖圓弧的選擇應(yīng)與刀具直徑和齒數(shù)相匹配。

（3）切削深度

由于切削力隨切削深度的增加而增大，因此，在選擇切削深度時(shí)應(yīng)考慮實(shí)際加工條件和需求，在粗加工階段可以選擇較大的切削深度以提高加工效率；在精加工階段則應(yīng)選擇較小的切削深度來保證切削加工過程的平穩(wěn)性。

（4）進(jìn)給量

加工過程中，在保證切削載荷穩(wěn)定的前提下，可以適當(dāng)?shù)奶岣咔邢魉俣群瓦M(jìn)給量，以提高切削加工線速度，進(jìn)而提高加工效率。

4 現(xiàn)場加工試驗(yàn)

采用先進(jìn)分析方法對某葉片加工方案進(jìn)行優(yōu)化，在改變原有加工工藝的情況下，選用7齒刀具，增大切削速度和進(jìn)給量的方法實(shí)現(xiàn)對葉片加工過程的優(yōu)化，通過對比發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后葉片加工時(shí)間明顯縮短，由43min縮減至30min；單組刀具加工葉片的數(shù)量由17片增加至100片，刀具壽命顯著提高。采用先進(jìn)分析的優(yōu)化方法，既能夠提高零件加工效率和加工質(zhì)量，同時(shí)又能增加刀具的使用壽命。

5 結(jié)束語

復(fù)雜曲面加工涉及到加工過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)以及彼此之間的相互影響。文章基于先進(jìn)分析理論，提出了一種復(fù)雜曲面加工工藝分析的方法，通過分析切削力的影響因素，建立刀具、工藝參數(shù)和切削用量之間的關(guān)系，依據(jù)分析結(jié)果對加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，并通過加工試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性，得出以下結(jié)論：

（1）復(fù)雜曲面類零件型面復(fù)雜、薄壁結(jié)構(gòu)是造成其加工變形的主要原因，變形主要體現(xiàn)在加工幾何形狀誤差和相對位置誤差難以有效控制。

（2）基于先進(jìn)仿真分析研究工藝參數(shù)與切削力、殘余應(yīng)力之間的關(guān)系，通過優(yōu)化工藝參數(shù)減小切削力以及殘余應(yīng)力，可以有效控制復(fù)雜曲面特征部位的加工變形。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭艷銘，張森堂，等.基于物理仿真分析技術(shù)的車加工解決方案[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2011（9）.