基于Production Module 3D數(shù)控銑削仿真技術(shù)在鈦合金主吊掛加工中的應(yīng)用

吳東華， 鄧志剛， 張德純， 趙萬(wàn)岳， 丁代華

（1.中國(guó)航發(fā)貴州黎陽(yáng)航空動(dòng)力有限公司，貴陽(yáng) 550015；2.湖南三一工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410129）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)是航空工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，而吊掛作為發(fā)動(dòng)機(jī)與飛機(jī)連接的關(guān)鍵核心零件，需要承受很大的力矩，要求使用壽命長(zhǎng)，對(duì)于吊掛工作時(shí)的可靠性是滿足發(fā)動(dòng)機(jī)與飛機(jī)連接的關(guān)鍵，因此零件毛坯采用模鍛件，加工工藝要求穩(wěn)定可靠，尺寸需滿足設(shè)計(jì)圖樣要求，零件裝機(jī)前采用無(wú)損檢測(cè)判別是否出現(xiàn)裂紋等[1]。目前，行業(yè)內(nèi)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛的合格性判定只關(guān)注滿足設(shè)計(jì)圖樣要求，對(duì)吊掛壽命和可靠性方面關(guān)注不夠。對(duì)吊掛失效分析后發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)為表面缺陷引起的微裂紋疲勞失效，而微裂紋最容易出現(xiàn)在切削力和切削溫度突變的地方。

鈦合金材料因其比強(qiáng)度高、密度低、耐腐蝕性能好等優(yōu)越的物理及化學(xué)性能，在工程材料應(yīng)用中占有很大比例，尤其是在航天、航空制造業(yè)等高端制造業(yè)中。但由于其導(dǎo)熱性能差、彈性變形量大等原因，導(dǎo)致鈦合金在加工過(guò)程中切削熱難以散發(fā)、容易產(chǎn)生應(yīng)力集中、容易與刀具后刀面產(chǎn)生嚴(yán)重摩擦。

主吊掛是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件之一，主要采用鈦合金和特種鋼制造而成，從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，航空發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛用鈦合金材料的比例正在逐步增大，作為受力零件，其制造符合性一直是關(guān)注的重點(diǎn)。同時(shí)由于鈦合金材料的切削加工性能等因素的影響，使其在推廣及應(yīng)用中受到了一定的制約。

1 軟件概述

Production Module 3D是一款基于有限元仿真的CAE軟件，由Third Wave Systems公司于2005年開(kāi)發(fā)面世。軟件操作簡(jiǎn)單，能客觀地反映零件加工過(guò)程中切削力的趨勢(shì)，能對(duì)金屬切削過(guò)程中的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行定量的判斷，使編程人員及操作人員預(yù)先了解零件的加工過(guò)程，減少零件切削試驗(yàn)的時(shí)間消耗，提高加工效率。其主要特點(diǎn)如下：1）材料庫(kù)中數(shù)據(jù)都是通過(guò)試驗(yàn)或AdvantEdge分析得到的[2]；2）可將刀具手冊(cè)中的刀具參數(shù)直接錄入軟件的刀具表中，做到加工刀具參數(shù)一致性，同時(shí)根據(jù)刀具的材料在軟件中選擇對(duì)應(yīng)的刀具材料，做到刀具材料的一致性；3）可進(jìn)行三軸及多軸銑削仿真；4）可進(jìn)行G代碼和APT代碼輸入，有完整的機(jī)床后置處理可選擇G代碼輸入程序，否則建議采用APT代碼輸入程序，可不受機(jī)床系統(tǒng)的限制；5）可以得到加工過(guò)程中的切削力、溫度、功率等結(jié)果；6）通過(guò)優(yōu)化進(jìn)給量及切削速度對(duì)切削力及溫度進(jìn)行優(yōu)化。

軟件優(yōu)化原理如圖1所示，主要體現(xiàn)為消除加工中的峰值力保護(hù)刀具免受瞬時(shí)沖擊，提升較低切削力至可控水平，從而提高進(jìn)給速率，使加工過(guò)程更加平穩(wěn)。

圖1 軟件優(yōu)化原理

具體實(shí)現(xiàn)仿真的步驟如圖2所示。

圖2 實(shí)現(xiàn)仿真的步驟

2 加工實(shí)例

2.1 零件優(yōu)化前信息

某吊掛零件材料為TA15，TA15是航空領(lǐng)域中使用最廣泛的鈦合金材料之一，其和45鋼的主要力學(xué)和物理性能對(duì)照如表1所示。

表1 TA15和45鋼的主要力學(xué)和物理性能對(duì)照

毛坯采用鍛件，零件加工余量很大，且零件支撐面短，零件高度為131 mm，加工中常因切削參數(shù)選擇不合理導(dǎo)致振動(dòng)、崩刃，加工效率低，加工質(zhì)量不穩(wěn)定，刀具損耗大。該零件某批次共10件，從45工序的加工情況來(lái)看，加工周期為4 d，消耗5把?20硬質(zhì)合金立銑刀、3把?6硬質(zhì)合金立銑刀（刀具損壞大多是因?yàn)檎駝?dòng)或者瞬時(shí)切削峰值力而導(dǎo)致的崩刃），零件工序加工內(nèi)容如圖3所示。

圖3 零件45工序加工內(nèi)容

2.2 零件數(shù)控程序的準(zhǔn)備

編程采用UG和Mastercam軟件相結(jié)合的方式進(jìn)行[3]，采用FANUC系統(tǒng)的三軸加工中心和硬質(zhì)合金刀具。為方便進(jìn)行刀具路徑的優(yōu)化，每個(gè)操作均單獨(dú)進(jìn)行程序處理，因加工振動(dòng)、崩刃均出現(xiàn)在外形銑削過(guò)程中，故對(duì)于孔加工程序優(yōu)化不作討論。具體加工信息如表2所示。

表2 加工信息

圖4 各程序號(hào)對(duì)應(yīng)的加工部位

2.3 程序優(yōu)化

機(jī)床采用FANUC系統(tǒng)三軸加工中心（QP2033-L），機(jī)床控制采用G-code，按照機(jī)床參數(shù)說(shuō)明書(shū)進(jìn)行機(jī)床工作臺(tái)參數(shù)、機(jī)床最高轉(zhuǎn)速、最高進(jìn)給速率、機(jī)床額定功率等設(shè)置。根據(jù)刀具編號(hào)查閱刀具品牌說(shuō)明書(shū)，查詢刀具相關(guān)信息。實(shí)施步驟如下：1）導(dǎo)入上一工序的STL模型作為本工序的毛坯，選擇工件材料為TA15；2）導(dǎo)出毛坯模型時(shí)，讓UG軟件的WCS坐標(biāo)系與加工坐標(biāo)系一致；3）將O0144、O0145、……、O0151等程序?qū)胲浖?，然后進(jìn)行切削力計(jì)算。仿真模型顯示圖如圖5所示，優(yōu)化前刀具切削力顯示圖如圖6所示。

圖5 仿真模型顯示圖

圖6 優(yōu)化前刀具切削力顯示圖

程序切削力主要從以下5個(gè)方面優(yōu)化：1）切向力。是大多數(shù)操作的主切削力，軟件中最常見(jiàn)的刀具壽命和加工周期時(shí)間的變量，常用于大多數(shù)零件的開(kāi)粗及精加工。2）徑向力。推工具遠(yuǎn)離工件，可引起工具或工件偏轉(zhuǎn)，常用于薄壁零件的精加工過(guò)程優(yōu)化，用于控制零件的切削變形。3）軸向力。沿刀具軸向下，常用于鉆孔、插銑、螺旋銑孔等操作的加工過(guò)程優(yōu)化。4）主軸功率。優(yōu)化特定機(jī)器的極限，常用于根據(jù)特定機(jī)床進(jìn)行程序優(yōu)化，使其更符合對(duì)應(yīng)機(jī)床的加工特性。5）刀具接觸長(zhǎng)度產(chǎn)生的切削力（Load per Unit Length，LPUL）。與拉應(yīng)力直接相關(guān)，常用于高溫合金、粉末冶金、淬硬鋼的加工過(guò)程優(yōu)化，用于控制刀具的切削受力，減少刀具破損。

程序進(jìn)給率主要從以下兩個(gè)方面優(yōu)化：1）最大切削進(jìn)給率（Maximum In-Cut Feed Rate）。在切入或切削（in-cut）時(shí)允許最大進(jìn)給，可以定義為線性進(jìn)給（單位為mm/min）或每齒進(jìn)給（單位為mm/tooth），可根據(jù)刀具手冊(cè)查詢初始數(shù)據(jù)。2）最大的空切削進(jìn)給率（Maximum Air-Cut Feed Rate）。在空切削（in air-cut）時(shí)允許最大進(jìn)給（當(dāng)前切削力為0），用于限制G00的運(yùn)行速率。

加工效率=（原始加工時(shí)間-優(yōu)化后的加工時(shí)間）/原始加工時(shí)間×100%[5]。

程序優(yōu)化設(shè)置如表3所示。

表3 程序優(yōu)化設(shè)置

2.4 優(yōu)化前后對(duì)比分析

粗加工優(yōu)化后的加工效率相比優(yōu)化前均有所提升，精加工的加工效率有所降低，但本工序的加工效率整體有所提升，降低了切削過(guò)程中的瞬時(shí)沖擊峰值力，切削過(guò)程中的切削受力波動(dòng)幅度變小，受力更均勻。

圖7 各程序號(hào)對(duì)應(yīng)的切向力-時(shí)間曲線軟件截圖

2.5 機(jī)床加工驗(yàn)證

將優(yōu)化后的O0144.opt、O0145.opt、……O0151.opt等程序，重新導(dǎo)入FANUC系統(tǒng)三軸加工中心（QP2033-L），進(jìn)行實(shí)物切削加工驗(yàn)證。該零件驗(yàn)證批次共10件，從45工序的加工情況來(lái)看，加工周期為2 d，效率提高了1倍（減少了裝刀、換刀、對(duì)刀時(shí)間），消耗2把?20硬質(zhì)合金立銑刀、1把?6硬質(zhì)合金立銑刀（刀具損壞大多是因?yàn)榈毒叩都饽p，無(wú)因振動(dòng)或者瞬時(shí)切削峰值力而導(dǎo)致的崩刃），減少了試刀的成本（降低了40%～60%）,縮短制造周期[5]，加工效果改善明顯。

3 結(jié)論

在傳統(tǒng)的機(jī)械加工過(guò)程中，無(wú)法得到確定的切削加工數(shù)據(jù)，只能憑借加工經(jīng)驗(yàn)結(jié)合零件的實(shí)際切削情況進(jìn)行判斷，做出粗略調(diào)整，無(wú)法詳細(xì)地調(diào)整大量程序的F進(jìn)給值來(lái)對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)對(duì)Production Module 3D軟件進(jìn)行切削力模型計(jì)算后，能直觀地呈現(xiàn)每條程序?qū)?yīng)的切削力、切削熱等狀態(tài)，對(duì)于程序加工過(guò)程能有直觀的顯現(xiàn)，能快速地對(duì)加工過(guò)程的瞬時(shí)沖擊進(jìn)行捕捉，減少對(duì)刀具的損耗，提高了刀具使用效率,降低生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間[5]，使零件的加工過(guò)程更加平穩(wěn)。