基于表面粗糙度的機(jī)匣數(shù)控程序優(yōu)化技術(shù)研究

摘 要：航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣零件多數(shù)為難加工材料，具有薄壁和大長徑比等典型特征，根據(jù)工藝人員和操作工人的經(jīng)驗優(yōu)化傳統(tǒng)的數(shù)控加工程序，效率低，穩(wěn)定性較差。本文提出采用數(shù)控程序切削力物理仿真的方法，基于控制零件表面粗糙度指標(biāo)，對數(shù)控加工程序進(jìn)行分段優(yōu)化，確定不同程序段的切削參數(shù)，解決了機(jī)匣零件數(shù)控加工穩(wěn)定性難以控制的問題。經(jīng)過多次加工試驗，驗證結(jié)果穩(wěn)定，工藝方案準(zhǔn)確可行。

關(guān)鍵詞：數(shù)控程序；機(jī)匣；表面粗糙度；物理仿真

中圖分類號：V 263" " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣是發(fā)動機(jī)中的殼體、框架類零件，也是飛機(jī)發(fā)動機(jī)的重要承力部件，主要材料為高溫合金和鈦合金，加工難度大，精度要求高，根據(jù)技術(shù)人員的工作經(jīng)驗編制傳統(tǒng)的數(shù)控加工程序，采用減少步距和優(yōu)化刀具軌跡的方式優(yōu)化數(shù)控加工程序，但是未考慮切削力的變化對零件加工質(zhì)量的影響，加工效率較低、加工過程穩(wěn)定性較差[1]。數(shù)控加工程序優(yōu)化是保證加工過程穩(wěn)定、提高加工效率的有效途徑之一，以往的優(yōu)化方法多數(shù)是針對整個程序進(jìn)行優(yōu)化的，沒有考慮不同加工部位表面粗糙度指標(biāo)等具體需求，導(dǎo)致優(yōu)化效果不佳，不能保證航空發(fā)動機(jī)零件質(zhì)量[2]。因此，本文提出了一種基于表面粗糙度控制的整體環(huán)型機(jī)匣數(shù)控加工程序優(yōu)化方法，根據(jù)不同部位的表面粗糙度指標(biāo)要求，對數(shù)控程序進(jìn)行分段優(yōu)化，確定各段程序的切削參數(shù)，保證加工過程穩(wěn)定。

1 總體方案

表面粗糙度反映零件表面微觀幾何形狀的誤差，這些誤差主要是由切削過程中刀具相對零件的運動軌跡、刀具和零件表面之間的摩擦、切屑分出時工件表面層金屬的彈塑性變形以及工藝系統(tǒng)中的高頻振動等因素造成的。表面粗糙度是評定機(jī)械零件產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，其數(shù)值大小對零件的使用性能和使用壽命有很大影響。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，表面粗糙度的評定參數(shù)很多，主要參數(shù)有以下幾種。

1.1 輪廓的算術(shù)平均差Ra

在取樣長度內(nèi)輪廓峰高或輪廓谷深絕對值的算術(shù)平均值。它反映的是微觀幾何形狀特征。其中Ra是最常用的評定參數(shù)，它最全面、完整地反映了工件表面的輪廓特征。

1.2 輪廓的最大高度Rz

在取樣長度內(nèi)，Rz為最大輪廓峰高Zp加上其谷深Zv。它反映了峰頂和谷底的參數(shù)，也是反映最大高度的參數(shù)，但是它的反映能力有局限性，不如Ra全面。

1.3 輪廓的單元平均寬度Rsm

在取樣長度內(nèi)，輪廓微觀不平度間距的平均值。

1.4 輪廓的支承長度率Rmr（e）

在給定水平高度上輪廓的實體長度與評定長度的比率。

影響已加工表面粗糙度的因素有刀具的幾何參數(shù)、切削用量、切屑形態(tài)和刀具振動等。

刀具的幾何參數(shù)影響表面粗糙度的主要因素是前角，適當(dāng)增大刀具前角，有利于降低粗糙度，因為增大刀具前角能有效減少積屑瘤和鱗刺。適當(dāng)增大刀具后角有助于降低表面粗糙度，但是如果后角過大，就會增加刀具的振動，導(dǎo)致表面粗糙度變大。在一定范圍內(nèi)，刀尖圓弧半徑越大，已加工表面粗糙度值就越小。

切削用量中影響表面粗糙度的主要因素有切削速度、進(jìn)給量和切削深度。其中，切削速度越快，表面粗糙度越低，由于在低速和中速切削狀態(tài)下，很容易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺，使工件表面粗糙度值變大，因此在切削加工過程中應(yīng)選擇較快的切削速度，不但能獲得更好的質(zhì)量，還能提高加工效率。在切削參數(shù)中，隨著進(jìn)給量變小，殘留面積會變小，殘留高度也會降低，進(jìn)而降低了工件的表面粗糙度。在切削用量中的切削深度對表面粗糙度的影響不大。

有研究證明切削速度加快有助于降低表面粗糙度，提高質(zhì)量，但是對一些塑性材料來說，隨著切削速度加快，會逐漸形成鋸齒形切屑，引起切削力波動，導(dǎo)致刀具振動，使工件表面產(chǎn)生振紋，影響了工件表面的質(zhì)量。

在加工航空發(fā)動機(jī)正體環(huán)形機(jī)閘零件的過程中存在加工效率低、不能保證其加工精度和穩(wěn)定性等問題，因此，本文提出基于表面粗糙度的數(shù)控加工程序優(yōu)化方法。該方法根據(jù)零件不同部位表面粗糙度指標(biāo)要求，基于在切削加工過程中切削力均勻分布的原則，對數(shù)控加工程序進(jìn)行分段優(yōu)化，以保證在切削加工過程中切削力平穩(wěn)，從而保證零件加工表面的質(zhì)量，整體流程包括以下幾個步驟（如圖1所示）。第一步，對數(shù)控加工程序進(jìn)行幾何仿真分析，判斷在加工過程中是否存在過切、欠切和干涉等問題。應(yīng)對未通過幾何仿真的程序進(jìn)行調(diào)整，直到滿足仿真要求為止，保證應(yīng)用于實際加工的程序軌跡合理。第二步，進(jìn)行數(shù)控程序切削力仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果評價加工過程中的整體切削力波動情況。根據(jù)切削力約束條件，確定加工過程是否穩(wěn)定，滿足約束條件的程序可直接用于實際加工，切削力波動較大的程序需要進(jìn)行優(yōu)化。第三步，明確各加工部位的表面粗糙度指標(biāo)具體數(shù)值，確定指標(biāo)要求的相同的連續(xù)加工總長度，分別對每段程序根據(jù)公式計算分段數(shù)量。第四步，對指標(biāo)要求相同的連續(xù)加工部位，根據(jù)程序分段數(shù)量計算每段程序的長度，并分別進(jìn)行優(yōu)化。第五步，對優(yōu)化后的程序進(jìn)行切削力仿真分析，判斷加工過程中切削力的波動情況，滿足約束條件的程序可直接用于實際加工，切削力波動較大的程序需要再次進(jìn)行優(yōu)化，直到滿足約束條件為止。

2 切削力仿真分析及約束條件判定

進(jìn)行數(shù)控程序切削力仿真分析前，需要選擇合適的仿真軟件，例如ANSYS、MATLAB和PM等。這些軟件具有不同的特點和功能，需要根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇。例如，ANSYS軟件在結(jié)構(gòu)分析方面具有優(yōu)勢，MATLAB軟件在數(shù)學(xué)建模方面表現(xiàn)突出，而PM是一款數(shù)控程序切削力仿真專用軟件。

對數(shù)控程序切削力進(jìn)行仿真分析，通過輸入零件模型、數(shù)控加工程序和刀具等信息，模擬材料去除情況，計算在零件加工過程中的各向切削力，為數(shù)控加工程序優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐?；诜抡娼Y(jié)果計算在切削加工過程中的切削力平均值，如公式（1）～公式（3）所示。

（1）

（2）

（3）

式中：Fr（t）為任意時間t所產(chǎn)生的切向力；Fy（t）為任意時間t所產(chǎn)生的徑向力；Fx（t）為任意時間t所產(chǎn)生的軸向力；為平均切向力；為平均徑向力；為平均軸向力；n為仿真結(jié)果數(shù)量。

切削力約束條件是根據(jù)各向切削力仿真結(jié)果，設(shè)定各向切削力的波動上限值和下限值。在整個數(shù)控程序的加工過程中，仿真結(jié)果顯示切削力超過設(shè)定的上限值和下限值的區(qū)間達(dá)到5 %以上，即判定加工過程不穩(wěn)定。其中，切削力波動上限值記為Flmax，切削力波動下限值記為Flmin。在通常情況下，F(xiàn)lmax設(shè)定為切削力平均值上浮20 %，F(xiàn)lmin設(shè)定為切削力平均值下調(diào)20 %，計算過程如公式（4）、公式（5）所示。

（4）

（5）

式中：Frlmax為切向力最大值；Fylmax為徑向力最大值；Fxlmax為軸向力最大值；Frlmin為切向力最小值；Fylmin為徑向力最小值；Fxlmin為軸向力最小值。

3 基于表面粗糙度指標(biāo)的數(shù)控加工程序分段數(shù)量計算

表面粗糙度是評定零部件表面質(zhì)量的一項重要的參數(shù)，受到刀具、機(jī)床、加工環(huán)境和切削參數(shù)等多種因素的影響，因此根據(jù)表面粗糙度的具體參數(shù)對在數(shù)控加工過程中的切削力進(jìn)行分段優(yōu)化能夠提升零件表面的加工質(zhì)量，程序分段計算過程如公式（6）所示。

（6）

式中：N為分段數(shù)量；L為表面粗糙度要求相同的連續(xù)加工總長度；Ra為待加工表面粗糙度指標(biāo)要求。

根據(jù)分段結(jié)果計算各程序段的長度，如公式（7）所示。

（7）

式中：l為各程序段的長度，在一般情況下，l向下取整。

根據(jù)每段加工路徑的長度，對表面粗糙度參數(shù)相同的路徑進(jìn)行分段，對每段路徑分別編寫數(shù)控加工程序，將程序?qū)胛锢矸抡孳浖?，再次進(jìn)行驗證。

4 應(yīng)用驗證

以某整體環(huán)形機(jī)匣為例，該零件為典型的大長徑比、薄壁和弱剛性結(jié)構(gòu)，前后端長徑比大于1∶9，壁厚最薄處為1.5 mm，加工過程存在較大的變形風(fēng)險。同時，前后2個端面有端面孔和花邊結(jié)構(gòu)，容易導(dǎo)致前后端面邊緣產(chǎn)生變形。目前采用的基于經(jīng)驗的程序編制和優(yōu)化方式無法有效地解決該零件加工過程中的變形問題。采用本文提出的基于切削力均勻分布的數(shù)控加工程序分段優(yōu)化方法，對該零件在數(shù)控加工過程中的平穩(wěn)性進(jìn)行控制，保證了零件的加工精度，提高了零件加工質(zhì)量和效率，主要包括以下6個步驟。第一步，根據(jù)待加工的整體環(huán)型機(jī)匣零件編寫初始數(shù)控加工程序，并構(gòu)建零件的三維仿真模型。在通常情況下，技術(shù)人員需要將零件的三維模型按照仿真軟件的模型輸入要求，進(jìn)行相應(yīng)格式的輸出。第二步，將待加工的整體環(huán)型機(jī)匣零件的仿真模型和編寫的初始數(shù)控加工程序?qū)敕抡孳浖?，對程序進(jìn)行幾何仿真分析，根據(jù)生成的仿真加工模型，檢查刀具軌跡有無過切、欠切、干涉和碰撞現(xiàn)象。如果程序存在上述現(xiàn)象中的任意一種或多種，那么技術(shù)人員需要對程序進(jìn)行修改，并再次進(jìn)行幾何仿真分析，直到程序無上述現(xiàn)象。第三步，將不存在過切、欠切、干涉和碰撞現(xiàn)象的數(shù)控加工程序?qū)胛锢矸抡孳浖?，進(jìn)行切削力的仿真分析，得到仿真加工過程中任意時刻的切削力數(shù)值，包括仿真加工過程中任意時刻t所產(chǎn)生的切向力Fr（t）、徑向力Fy（t）和軸向力Fx（t）。從各項切削力仿真結(jié)果中可以看出，數(shù)控加工程序的最大切削力發(fā)生在車加工外型面轉(zhuǎn)角處，最大切削力為-423.137 N，切削力波動較大，切削加工過程不穩(wěn)定，表面粗糙度受到影響比較大。因此，需要對該數(shù)控加工程序進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過計算可得各向平均切削力如下。=339.08 N，

Fx1max=406.90 N，F(xiàn)x1min=271.30 N。第四步，根據(jù)待加工零件的表面粗糙度指標(biāo)確定數(shù)控加工程序分段數(shù)量。該段加工區(qū)域的表面粗糙度Ra=3.2，加工區(qū)域總長度為39 mm，則數(shù)控加工程序分段數(shù)量為N=×（1+20%）=15，根據(jù)表面粗糙度指標(biāo)計算程序來計算分段長度l，l==3 mm。第五步，對分段后的數(shù)控加工程序進(jìn)行物理仿真分析，設(shè)定切削力上限值為406.9 N，下限值為271.3 N，設(shè)定優(yōu)化參數(shù)為徑向切削力最大值為406.9 N、最小值為271.3 N，最短切屑長度3 mm。對優(yōu)化后的程序重新進(jìn)行物理仿真分析，結(jié)果表明切削加工過程平穩(wěn)，切削時間縮短約32%，程序可以用于零件加工。第六步，根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)果，輸出優(yōu)化的數(shù)控加工程序和切削參數(shù)，并用優(yōu)化后的程序進(jìn)行加工，經(jīng)現(xiàn)場驗證，采用優(yōu)化后的程序進(jìn)行加工，零件加工質(zhì)量和效率均顯著提高。

5 結(jié)論

本文提出了基于切削力均勻分布的整體環(huán)型機(jī)匣數(shù)控加工程序分段優(yōu)化方法，優(yōu)化了經(jīng)驗式的數(shù)控加工程序，縮短了程序優(yōu)化周期，提高了零件加工質(zhì)量，解決了在數(shù)控加工過程中的切削力波動問題。本文針對某機(jī)匣零件進(jìn)行加工試驗，結(jié)果表明零件加工質(zhì)量較高，在加工過程中切削力變化平穩(wěn)，多次測量結(jié)果基本一致，加工時間縮短，降低了人為因素的影響，加工工藝過程穩(wěn)定。該方法可應(yīng)用于各種類型零件的數(shù)控加工程序優(yōu)化，具有較強(qiáng)的實用性。

參考文獻(xiàn)

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