鄭耀輝 邵晨峰 莊 鑫

(沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗室，遼寧 沈陽110136)

目前，國內(nèi)航空鈦合金結(jié)構(gòu)件數(shù)控銑削加工的機(jī)床主軸功率使用率大約為30% ～40%，而國外航空制造業(yè)發(fā)達(dá)國家一般為70%以上［1］。較低的主軸功率使用率，限制了大功率高速機(jī)床的加工能力，降低了大型復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu)件的加工效率。

結(jié)合航空制造企業(yè)鈦合金數(shù)控銑削加工的實(shí)際，分析限制主軸功率使用率提高的因素主要有以下兩點(diǎn):(1)鈦合金切削參數(shù)優(yōu)化技術(shù)的適用性和實(shí)用性不強(qiáng)，切削參數(shù)選用偏于保守，優(yōu)化過程中的功率實(shí)時計算結(jié)果不能與機(jī)床主軸功率曲線進(jìn)行對比。(2)航空鈦合金結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)控加工過程中可能存在實(shí)際的切削參數(shù)大于理論設(shè)定值的情況，導(dǎo)致機(jī)床過載加工，為了機(jī)床的安全使用，工藝人員根據(jù)經(jīng)驗，需要適當(dāng)降低切削參數(shù)的使用水平。

隨著鈦合金材料在飛機(jī)上的應(yīng)用越來越廣泛，對于鈦合金切削參數(shù)以及刀具軌跡的優(yōu)化，國內(nèi)外做了大量的研究工作。北京航空航天大學(xué)的劉強(qiáng)提出了基于動力學(xué)仿真技術(shù)的以顫振穩(wěn)定域為主要約束條件的切削參數(shù)優(yōu)化方法［2］，武漢交通科技大學(xué)的郭興、華中科技大學(xué)的李曦提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的銑削功率計算及優(yōu)化方法［3-4］。這些優(yōu)化方法把優(yōu)化過程封裝在程序中，人機(jī)交互少，優(yōu)化時不能根據(jù)當(dāng)前切削參數(shù)條件下的機(jī)床主軸功率曲線變化，實(shí)時地改變優(yōu)化約束條件，而且沒有涉及刀具軌跡優(yōu)化的內(nèi)容，不能有效地提高主軸功率使用率。

趙振宇等人對復(fù)雜型腔的刀具軌跡進(jìn)行了最短路徑優(yōu)化［5］;吳世雄等人提出了一種在高速銑削條件下拐角位置刀具軌跡優(yōu)化的方法［6］，郭光立等人提出一種用于自由曲面恒定進(jìn)給的刀具軌跡優(yōu)化算法［7］，Wah.Pang King 等人基于遺傳算法對刀具軌跡進(jìn)行了優(yōu)化［8］，這些刀具軌跡優(yōu)化的研究都沒有考慮切削功率的優(yōu)化問題。

本文針對提高主軸功率使用率現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出拖動式切削參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，結(jié)合數(shù)控加工全過程銑削功率預(yù)先計算技術(shù)和刀具軌跡優(yōu)化技術(shù)，解決主軸功率使用率低的問題。

1 提高鈦合金銑削加工主軸功率使用率的關(guān)鍵技術(shù)

提高航空鈦合金結(jié)構(gòu)件數(shù)控銑削機(jī)床主軸功率使用率的解決方案如圖1 所示。

1.1 拖動式鈦合金切削參數(shù)優(yōu)化技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)功率計算結(jié)果與機(jī)床主軸功率曲線實(shí)時對比功能，需要把機(jī)床主軸的功率曲線數(shù)據(jù)化，通過編程語言繪制出機(jī)床主軸的功率曲線。

以拖動主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給速度、軸向切深和徑向切寬4 個切削參數(shù)的方式進(jìn)行優(yōu)化，機(jī)床主軸功率使用情況可以直觀地顯示，其功能是通過VB 編程語言基于Oracle 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，如圖2 所示。工藝人員使用拖動式鈦合金切削參數(shù)優(yōu)化功能，結(jié)合刀具使用性能等約束條件選用切削參數(shù)，可以把主軸功率的有效使用率保持在較高水平，實(shí)現(xiàn)初步的切削功率優(yōu)化。但加工過程中可能出現(xiàn)機(jī)床過載的情況。

1.2 數(shù)控加工全過程的功率預(yù)先計算技術(shù)

為了檢測在上述優(yōu)化后的加工條件下是否存在機(jī)床過載加工，需要在沒有使用機(jī)床進(jìn)行工件實(shí)際加工之前對整個加工過程的銑削功率進(jìn)行預(yù)先計算，通過預(yù)先計算結(jié)果與主軸功率曲線對比，判斷銑削功率是否超過機(jī)床主軸額定功率。

論文基于Vericut 軟件的二次開發(fā)，在數(shù)控加工仿真的基礎(chǔ)上，提取數(shù)控程序中的切削參數(shù)，計算各刀位點(diǎn)處的銑削功率［9］，繪制功率曲線，讓工藝人員在工藝設(shè)計階段就可以掌握實(shí)際加工過程的功率信息，通過銑削功率曲線和機(jī)床主軸功率曲線的對比，了解整個加工過程的機(jī)床主軸功率使用水平，其功能界面如圖3 所示，從圖中可知，一般情況下，功率平穩(wěn)的運(yùn)動階段在整個加工過程中占有比例較大。

使用拖動式鈦合金切削參數(shù)優(yōu)化功能，結(jié)合數(shù)控加工全過程的銑削功率預(yù)先計算功能，可以把功率平穩(wěn)運(yùn)動階段的主軸功率使用率保持在較高水平，并且可以判定是否存在局部銑削功率超過機(jī)床主軸額定功率的情況。

1.3 數(shù)控加工刀具軌跡優(yōu)化技術(shù)

對于存在局部機(jī)床過載加工的情況，僅通過切削參數(shù)優(yōu)化的方法，只能降低整個加工過程的總體主軸功率使用水平，需要結(jié)合數(shù)控加工刀具軌跡的優(yōu)化，進(jìn)一步提高主軸功率使用率。論文基于Vericut 軟件的二次開發(fā)，提出一種面向數(shù)控代碼的刀具軌跡優(yōu)化技術(shù)，其流程如圖4 所示。

由于航空鈦合金零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)控加工的刀具軌跡中可能存在全刀加工、殘留區(qū)域加工以及拐角加工等情況(如圖5 所示)，局部實(shí)際的切削參數(shù)大于理論設(shè)定值，銑削功率增大，容易超過機(jī)床主軸功率額定值。

航空制造企業(yè)常用的CAM 編程軟件如CATIA 不能有效識別出全刀加工、殘留區(qū)域等位置，雖然可以對拐角加工進(jìn)行降低進(jìn)給速度的處理，但編程人員很難計算降低的具體數(shù)值。

論文研究了全刀加工、殘留區(qū)域加工以及拐角加工的特點(diǎn)，基于提取的數(shù)控代碼中的切削參數(shù)和幾何信息，總結(jié)出3 種情況的識別特征:全刀加工的識別特征是實(shí)際徑向切寬(ae)等于刀具直徑(D);殘留區(qū)域加工的識別特征是實(shí)際軸向切深(ap)等于當(dāng)前層與前一層的軸向切深總和;拐角加工的識別特征是刀具與工件的實(shí)際接觸面積(A)大于理論接觸面積，并且加工方向改變超過指定角度。

為了將上述3 種情況的功率降低到平穩(wěn)加工水平，論文提出兩種刀具軌跡優(yōu)化方法:

(1)修正進(jìn)給速度(F)，全刀加工的進(jìn)給速度修正系數(shù)為理論徑向切寬/刀具直徑;殘留區(qū)域加工的進(jìn)給速度修正系數(shù)為理論軸向切深/實(shí)際軸向切深;拐角加工的進(jìn)給速度修正系數(shù)為理論接觸面積/實(shí)際接觸面積。

(2)拐角加工的優(yōu)化方法同上，全刀加工和殘留區(qū)域加工的進(jìn)給速度不變，把刀具軌跡在刀具軸向方向上分兩次走刀，減小軸向切深。

第1 種優(yōu)化方法的優(yōu)點(diǎn)是刀具運(yùn)動軌跡沒有變化，但全刀加工和殘留區(qū)域加工的進(jìn)給速度變化較大;第2 種優(yōu)化方法的優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)給速度變化不大，但存在全刀加工和殘留區(qū)域加工時，刀具軌跡增加了退刀、進(jìn)刀等非切削運(yùn)動以及重復(fù)的切削運(yùn)動。

2 優(yōu)化效果測試

編制如圖6 所示鈦合金結(jié)構(gòu)件數(shù)控程序，其刀具軌跡中存在全刀加工、拐角加工等情況。機(jī)床型號為VMC850，刀具使用直徑為20 mm 的肯納硬質(zhì)合金立銑刀，工件材料為退火狀態(tài)的TC6。測試步驟如下:

(1)首先，結(jié)合刀具的加工性能，確定機(jī)床主軸功率使用率為70%。

(2)刀具軌跡優(yōu)化前，由于刀具軌跡中包含銑削功率增大的情況，在保證最大功率等于機(jī)床當(dāng)前額定功率70%的條件下，反復(fù)使用拖動式優(yōu)化功能和功率預(yù)先計算功能，確定功率平穩(wěn)加工階段的切削參數(shù)，如表1 所示。

(3)進(jìn)行刀具軌跡優(yōu)化，使用拖動式優(yōu)化功能和功率預(yù)先計算功能調(diào)整切削參數(shù)，將最大銑削功率降低到功率平穩(wěn)值，并將平穩(wěn)加工階段的功率設(shè)為機(jī)床當(dāng)前額定功率的70%，優(yōu)化后的切削參數(shù)如表1 所示，為了便于比較優(yōu)化前后的加工效率，優(yōu)化后的切削速度和平穩(wěn)階段的每齒進(jìn)給量與優(yōu)化前相同。

表1 優(yōu)化前、后的切削參數(shù)

(4)編制優(yōu)化前后的刀具軌跡，生成數(shù)控程序，使用Vericut 軟件對優(yōu)化前后的數(shù)控程序進(jìn)行數(shù)控加工仿真［10］，優(yōu)化前和優(yōu)化后的功率曲線如圖7 所，相關(guān)數(shù)據(jù)如表2 所示。

分析圖7 和表2 可知:

(1)優(yōu)化后的銑削功率變化幅度更小，平穩(wěn)加工階段占總加工過程比例更大。

(2)優(yōu)化后，大部分加工過程的主軸功率使用率達(dá)到了70%，而優(yōu)化前，大部分加工過程的主軸功率使用率只有36%左右。

(3)優(yōu)化后的加工時間僅為優(yōu)化前的65%，切削效率優(yōu)化效果明顯。

表2 優(yōu)化前、后相關(guān)數(shù)據(jù)比較

3 結(jié)語

本文通過對切削參數(shù)優(yōu)化技術(shù)和數(shù)控加工刀具軌跡優(yōu)化技術(shù)的研究，提出了一種在不發(fā)生機(jī)床過載加工的前提下，提高鈦合金結(jié)構(gòu)件數(shù)控銑削加工機(jī)床主軸功率使用率的解決方案。其中銑削功率預(yù)先計算技術(shù)和刀具軌跡優(yōu)化技術(shù)為主軸功率使用率的提高提供了一種新的思路和有效的解決方法。

［1］田輝，王俊斌. 航空零件數(shù)控加工的特點(diǎn)［J］. 航空制造技術(shù)，2010(19):38 -41.

［2］劉強(qiáng)，尹力.一種面向數(shù)控工藝參數(shù)優(yōu)化的銑削過程動力學(xué)仿真系統(tǒng)研究［J］.中國機(jī)械工程，2005，16(13):1146 -1149.

［3］郭興.銑削加工功率約束神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的研究［J］.武漢交通科技大學(xué)學(xué)報，1999，23(3):309 -312.

［4］李曦，曹為.基于RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的恒銑削功率控制的研究［J］.金屬加工，2006，33(12):22 -24，33.

［5］趙振宇，張萌，周后明. 最短路優(yōu)化的復(fù)雜型腔刀具軌跡規(guī)劃算法［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2009(1):39 -42.

［6］吳世雄，李開柱，汪磊.高速銑削拐角刀具軌跡優(yōu)化［J］. 機(jī)械設(shè)計與制造，2012(8):245 -247.

［7］郭光立.不規(guī)則曲面半精加工刀具軌跡優(yōu)化算法［J］. 中國機(jī)械工程，2011，22(24):2914 -2917.

［8］Wah Pang King，Murty Katta G，Joneja Ajay. Tool path optimization in layered manufacturing［J］. Institute of Industrial Engineers，2002，34(4):335 -347.

［9］崔海龍，關(guān)立文，滑勇之，等.基于VERICUT 二次開發(fā)的數(shù)控加工切削力仿真研究［J］. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2012，5(5):9 -12.

［10］朱正祥，黃筱調(diào).基于VERICUT 的數(shù)控機(jī)床加工仿真與優(yōu)化［J］.現(xiàn)代制造工程，2008(3):40 -43.