崔福霞

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空制造工程中心，陜西 西安 710089)

葉輪五軸銑削加工工藝十分復(fù)雜，需要通過計算機(jī)數(shù)控技術(shù)對加工參數(shù)進(jìn)行精確化的設(shè)置。因此，合理選擇仿真軟件、建立幾何模型、確定模擬參數(shù)就成為了合理應(yīng)用數(shù)控銑削加工工藝的關(guān)鍵[1]。本次研究在完成幾何模型建立、模擬參數(shù)確定兩項工作的基礎(chǔ)上，還對比了葉片曲面銑削仿真優(yōu)化前后之間的差異。經(jīng)實驗研究發(fā)現(xiàn)，在針對葉片曲面銑削進(jìn)行仿真優(yōu)化后，在銑削溫度、軸向銑削力、徑向釬削力、切向釬削力等仿真數(shù)值方面均得到了顯著的改善。

1 建立幾何模型

本次研究通過AdvantEdge仿真軟件來對葉輪五軸數(shù)控銑削加工工藝進(jìn)行仿真處理，操作流程具體如下：

(1)明確離心葉輪葉片的多軸數(shù)控加工要求，在此基礎(chǔ)上對機(jī)床相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，建立工件和刀具的三維幾何模型。借助AdvantEdge內(nèi)置的刀具庫選擇錐形立銑刀，確定刀具材料并對刀具的幾何參數(shù)進(jìn)行設(shè)定[2]。

(2)在NCP Code、APT Code、G-Code中任意選擇一種仿真程序文件[3]。

(3)針對離心葉輪葉片的三維切削加工進(jìn)行仿真處理并獲取仿真數(shù)據(jù)[4]。離心葉輪葉片三維銑削有限元模型如圖1所示。

圖1 離心葉輪葉片三維銑削有限元模型

2 確定模擬參數(shù)

本次仿真模擬所采用的銑刀為材料牌號為K20的錐形螺旋球頭立銑刀。仿真切削參數(shù)：每齒進(jìn)給量fz=0.125 mm，主軸轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min，軸向切削深度ap的值在8.196～34.058 mm，具體深度受切削位置的影響[5]。徑向切削深度ae同樣與切削位置有關(guān)。

3 仿真結(jié)果分析

X向銑削力隨時間變化的關(guān)系曲線如圖2所示，在刀具切入、切出區(qū)域，葉片銑削值出現(xiàn)了較大的變化，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因主要在于刀具的切入、切出區(qū)域與切削加工不穩(wěn)定區(qū)域重疊，對刀具造成比較嚴(yán)重的磨損。

圖2 葉盆銑削仿真X向銑削力與時間的關(guān)系

葉盆曲面銑削仿真結(jié)果如圖3所示，該圖展示了銑削力在X、Y、Z三個方面的變化規(guī)律。在刀軌運動過程中，X向銑削力逐漸降低，Z向銑削力先降后升，Y向銑削力先升后降，這種變化規(guī)律與側(cè)銑力模型預(yù)測值之間存在著一致的變化趨勢。在葉片曲面兩端，銑削力三個方向的變化相對平穩(wěn)，明顯的變化主要集中在中間切削區(qū)。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因主要在于：①葉片中間區(qū)域剛度較低，兩端區(qū)域剛度較高；②葉片曲面中間存在極大的曲率變化；葉片曲面兩端只存在較小的曲率變化。

圖3 X、Y、Z 向的銑削力變化趨勢

軸向、徑向、切向的銑削力變化趨勢如圖4所示，經(jīng)實驗研究發(fā)現(xiàn)，在刀軌不斷運動的過程中，三個方向的銑削力逐漸降低。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因主要在于：①葉片鋼度隨著刀具與葉片切觸線的減少而提升，因此在片切削加工的過程中，銑削力前期迅速下降，后期下降趨勢變緩；②由于刀軌在銑削過程中會由進(jìn)氣口轉(zhuǎn)移到出氣口，該過程也是不斷降低軸向切深的過程，從軸向切深與銑削力線性關(guān)系的角度上來看，銑削力將會呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。

圖4 軸向、徑向、切向的銑削力變化趨勢

本次研究基于離心葉輪葉片葉盆曲面的基本特點，針對加工過程中銑削力方面的變化狀況進(jìn)行了分析。通過AdvantEdge軟件對銑削加工過程進(jìn)行仿真處理后，本次研究將優(yōu)化對象鎖定為銑削力。在此基礎(chǔ)上，對銑削力優(yōu)化范圍進(jìn)行設(shè)定，針對切削參數(shù)和刀軌參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而使銑削力得到優(yōu)化，最終實現(xiàn)葉片曲面的加工精度的提升。根據(jù)表1可知，在針對葉片曲面銑削進(jìn)行仿真優(yōu)化后，在銑削溫度、軸向銑削力、徑向釬削力、切向釬削力等仿真數(shù)值方面均得到了顯著的改善。

表1 葉片曲面銑削仿真優(yōu)化前后對比

4 銑削過程分析及銑削力的計算

本次研究以離心葉輪葉片的順銑加工為例對葉盆曲面的銑削力進(jìn)行計算，采用與上述內(nèi)容相同的刀具。選取一塊7050-T7451航空鋁合金為工件材料。切削參數(shù)如表2所示。由于錐形螺旋銑刀直徑變化、半錐角小，并且加工機(jī)理復(fù)雜，因此本次研究將錐形銑刀直接看作為形狀規(guī)則的圓柱銑刀。

設(shè)有工件坐標(biāo)系Oxyz，設(shè)有刀具局部坐標(biāo)系O1xyz，根據(jù)刀軌方向分配葉片加工刀位[6]。設(shè)v為切削刀具軸線方向的單位矢量，并以(vx，vy，vz)代表其三個分量；設(shè)ρ為錐刀刀心對應(yīng)切觸點的曲面單位法矢，并以(ρx，ρy，ρz)代表其三個分量[7]；設(shè)u為刀具進(jìn)給方向的單位矢量，并以(ux，uy，uz)代表其三個分量[8]。v、ρ、u、之間的關(guān)系為v=u×ρ。

在刀具軸向沿刀軌隨曲面擺動的過程中，刀具局部坐標(biāo)系也會發(fā)生相應(yīng)的變化[9]。由于本次研究采用有限元分析的方法對銑削力進(jìn)行計算，因此需要事先在O1xyz中分別計算出Fx、Fy與Fz。并在Oxyz中將Fx、Fy、Fz轉(zhuǎn)換為F′x、F′y、F′z。轉(zhuǎn)換方法具體如下：

F′x=uxFx+ρxFy+vxFz

F′y=uyFx+ρyFy+vyFz

F′z=uzFx+ρzFy+vzFz

5 結(jié) 語

隨著我國計算機(jī)技術(shù)、軟件工程技的不斷發(fā)展，電子計算機(jī)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來越廣，對于提升生產(chǎn)效率的促進(jìn)作用也越來越顯著。這就需要工業(yè)企業(yè)進(jìn)一步加強針對虛擬仿真技術(shù)的研究與分析，在未來的研究中，還需要引入更多的不同各類的數(shù)控加工算法，優(yōu)化數(shù)控加工路徑，提高數(shù)據(jù)銑削加工工藝的應(yīng)用水平。