曹旭妍，徐家忠

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710300)

0 引言

隨著航空航天技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，對該領(lǐng)域產(chǎn)品的性能要求不斷提高，其中，薄壁類零件在航空工業(yè)中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。由于該類零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度較小，且材料多為較難加工的合金，受切削力等因素的影響，如何在保證零件加工精度的同時(shí)減小工件的變形量，提高加工效率是薄壁類零件加工的難點(diǎn)[1]。

本文針對某航空薄壁零件的加工難點(diǎn)進(jìn)行分析，為該零件設(shè)計(jì)合理的夾具和加工工藝流程。采用UG軟件完成該航空薄壁零件的三維建模，并按照工藝流程，利用UG中的CAM模塊進(jìn)行自動(dòng)編程，生成刀具軌跡及NC程序。為驗(yàn)證程序的正確性，優(yōu)化加工參數(shù)，避免實(shí)際加工中出現(xiàn)機(jī)床與工件的干涉和碰撞等問題，基于VERICUT虛擬仿真平臺建立機(jī)床模型，對該航空薄壁零件進(jìn)行虛擬仿真加工。該方案解決了航空薄壁異型件加工中的變形問題，對保證高效率、高質(zhì)量的加工具有一定積極作用。

1 航空薄壁件加工工藝研究

1.1 零件結(jié)構(gòu)及加工難點(diǎn)分析

某航空薄壁件的材料為鈦合金TC4，基于UG軟件創(chuàng)建其三維模型，如圖1所示。該零件是較為典型的框體類薄壁件，零件上下兩面都需要進(jìn)行加工，零件的最小凹圓角為R2 mm，零件大部分的壁厚都比較薄，僅為2 mm。

圖1 航空薄壁件三維圖

零件的外形不規(guī)則，主要是由壁厚較薄的腔槽組成的雙面結(jié)構(gòu)件，且還要保證零件在翻面加工時(shí)便于定位、支撐，因此給裝夾帶來一定的困難；鈦合金為難加工材料，在加工過程中會(huì)出現(xiàn)粘刀、斷屑、變形等，給零件加工工藝的編制增加了一定難度。

1.2 零件裝夾分析

該航空薄壁件為異型零件，其外形不規(guī)則，無法使用平口虎鉗來進(jìn)行裝夾。由圖1可知： 零件兩面都需要加工，且壁厚較薄，沒有壓板可以支撐的地方，不能采用通用夾具中最簡單的壓板裝夾方式。因此，該零件的裝夾需要設(shè)計(jì)夾具，但考慮到零件為單件生產(chǎn)，故不適合設(shè)計(jì)專用夾具[2]。綜合上述因素，在零件的兩端設(shè)計(jì)工藝凸臺是最合理的方法。

工藝凸臺設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮零件結(jié)構(gòu)的對稱性，粗、精加工的對刀基準(zhǔn)，便于裝夾。同時(shí)，還要考慮到工件加工完成后，工藝凸臺的去除，圖2為所設(shè)計(jì)的工藝凸臺的形狀。零件兩側(cè)的工藝凸臺可以用虎鉗進(jìn)行裝夾，避免夾緊力造成工件變形，與工件連接部分厚度設(shè)計(jì)為2 mm，既保證連接剛度，也便于加工后去除，簡化了夾具設(shè)計(jì)。

圖2 工藝凸臺示意圖

1.3 加工工藝分析

零件材料為鈦合金，其導(dǎo)熱系數(shù)高、切削溫度高，切削時(shí)會(huì)出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象，加上零件壁厚較薄，為減小加工變形，在加工過程中，要嚴(yán)格注意區(qū)分粗、半精和精加工工序。其中粗加工的主要目的是去除余量、釋放加工應(yīng)力，因此，應(yīng)在粗加工之后增加恒溫時(shí)效處理[3]。

通過以上分析，簡單制定零件加工工藝路線為： 下料→數(shù)控飛面(保證厚度及平面度)→粗加工(正面內(nèi)腔、外部、拐角等)→去應(yīng)力時(shí)效(熱處理)→半精加工→精加工(正面所有輪廓、底面、曲面)→反面加工→線割(去除兩端工藝凸臺)→鉗工(拋磨線割痕跡)→檢驗(yàn)入庫[4]。

零件的加工質(zhì)量除受工藝路線影響外，還與加工過程中所選定的走刀形式，及路線、加工參數(shù)設(shè)置等有直接關(guān)系，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，對刀軌、加工參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置和優(yōu)化。

2 UG數(shù)控加工編程

2.1 加工前準(zhǔn)備

創(chuàng)建加工幾何參考模型。由于該零件為雙面加工，因此首先將創(chuàng)建好工藝凸臺的零件在199層和200層各復(fù)制一個(gè)，分別用于正面加工和反面加工，然后創(chuàng)建輔助體，正反面加工幾何部件分別如圖3(a)和3(b)所示，最后再創(chuàng)建兩個(gè)用于正反面加工的加工坐標(biāo)系。

(a) 正面加工

加工前，首先將加工模板設(shè)定為“mill_contour”，然后分別設(shè)置正面加工坐標(biāo)系ZM_MCS、正面加工幾何體ZM_WP和反面加工坐標(biāo)系FM_MCS、反面加工幾何體FM_WP，安全平面均設(shè)定在距零件極限面20 mm的位置；定義正面程序組ZM_NC和反面程序組FM_NC；最后再創(chuàng)建D12， D10， D6， D6R3， D4， 5把加工刀具[5]。

2.2 加工工序創(chuàng)建

根據(jù)工藝分析，該航空薄壁件需要進(jìn)行多步工序才能完成加工，結(jié)合零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料特殊性和加工實(shí)際情況，為各加工工序選擇合理的加工方法，并設(shè)置合適的刀具參數(shù)、切削參數(shù)、切削模式、切削層數(shù)等。由于零件正反兩面結(jié)構(gòu)一樣，僅列出薄壁件正面加工工藝編排及主要參數(shù)，如表1所示[6]。

表1 航空薄壁件加工工藝編排

2.3 典型加工工序

為詳細(xì)說明在UG中加工工序的創(chuàng)建及參數(shù)設(shè)置，下面以外壁精加工這一工序來進(jìn)行舉例。該步工序采用的加工方法是平面輪廓銑，選用D4刀具，創(chuàng)建平面輪廓銑PLANAR_PROFILE，部件邊界如圖4(a)所示，具體切削參數(shù)按表2進(jìn)行設(shè)置，生成的刀具軌跡如圖4(b)所示。

(a) 部件邊界

表2 平面輪廓銑切削參數(shù)

2.4 NC程序生成

在實(shí)際加工中，數(shù)控機(jī)床只能識別與系統(tǒng)對應(yīng)的NC程序，因此，在生成刀具軌跡之后，需要將其轉(zhuǎn)化為機(jī)床所能識別的NC程序。借助UG軟件自帶的后置處理模塊，對該薄壁零件的刀軌進(jìn)行后處理，生成的部分NC程序如圖5所示。

圖5 部分刀軌NC程序段

3 基于VERICUT的虛擬仿真加工及NC優(yōu)化

通過UG自動(dòng)編程加工能快速實(shí)現(xiàn)薄壁類零件的工藝處理及NC程序獲取，但程序正確與否，依靠人工來識別，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且準(zhǔn)確性和可靠性無法保障。傳統(tǒng)的試切法等方法不僅浪費(fèi)物力、財(cái)力，還往往因試切中的錯(cuò)誤，發(fā)生撞刀等危險(xiǎn)情況，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。基于VERICUT平臺，構(gòu)建機(jī)床的虛擬仿真加工系統(tǒng)，對薄壁類零件進(jìn)行仿真加工，不僅能夠快速識別NC程序中的錯(cuò)誤，預(yù)判加工中可能存在的干涉、碰撞等問題，提高NC程序正確率，同時(shí)對保障機(jī)床安全、提高加工效率具有重要意義。

在VERICUT中構(gòu)建虛擬仿真系統(tǒng)，不僅要保證機(jī)床尺寸的一致性，同時(shí)還要求虛擬系統(tǒng)具有與實(shí)際機(jī)床相同的運(yùn)動(dòng)邏輯、控制系統(tǒng)、加工刀具等。建立機(jī)床模型時(shí)，需對實(shí)際機(jī)床尺寸進(jìn)行詳細(xì)測量，確保模型的準(zhǔn)確性；根據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，在VERICUT中建立機(jī)床運(yùn)動(dòng)樹，定義各運(yùn)動(dòng)軸的邏輯關(guān)系，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的數(shù)控系統(tǒng)在VERICUT中選擇適用的系統(tǒng)，必要時(shí)需根據(jù)實(shí)際機(jī)床需要，對所選系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，定義特殊的程序代碼。加工夾具、加工刀具、裝夾方式等也要與實(shí)際完全一致，建立好虛擬仿真系統(tǒng)后，導(dǎo)入毛坯及NC程序，對零件進(jìn)行仿真加工[7]。

圖6為航空薄壁零件在VERICUT中的加工過程。通過仿真加工，能直觀地觀察到零件加工中機(jī)床主軸及相關(guān)運(yùn)動(dòng)部件的空間位置關(guān)系，加工中刀具的走向，判斷程序是否正確。仿真結(jié)束，通過對加工結(jié)果進(jìn)行測量，可提前知道加工中是否存在過切、欠切現(xiàn)象，為優(yōu)化工藝提供幫助。

(a) 虛擬仿真機(jī)床

VERICUT平臺不僅能檢驗(yàn)NC程序的正確性，同時(shí)應(yīng)用其優(yōu)化模塊，能夠?qū)C程序中進(jìn)給速度進(jìn)行優(yōu)化，提高加工效率。優(yōu)化模塊不改變NC程序的軌跡，對NC程序的正確性不會(huì)造成額外影響。通過綜合分析加工余量、轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度間的關(guān)系，將最優(yōu)速度匹配給加工機(jī)床，并將優(yōu)化后的程序段自動(dòng)插入源程序段中，形成新的NC程序。

對比外壁精加工工序優(yōu)化前后NC程序加工所用的有效時(shí)間，如圖7所示，可以看出，優(yōu)化后工序加工時(shí)間減少了20 s。因此在實(shí)際加工中，通過優(yōu)化模塊，對NC程序進(jìn)行優(yōu)化，能夠在不同程度上降低加工時(shí)間，提高加工效率。

(a) 優(yōu)化節(jié)省時(shí)間成本計(jì)算

4 結(jié)論

以某航空薄壁類零件的數(shù)控加工為例，根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工件材料、加工設(shè)備和加工要求等，分析零件的加工難點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)工藝凸臺，優(yōu)化機(jī)械加工工藝方案，在簡化零件裝夾方案的同時(shí)避免了機(jī)械加工變形。利用UG軟件的CAM模塊進(jìn)行零件的自動(dòng)編程加工，完成了工序創(chuàng)建、刀具軌跡和NC程序生成，提高了編程質(zhì)量和效率。最后，基于VERICUT軟件建立機(jī)床的虛擬仿真加工系統(tǒng)，模擬了航空薄壁件的實(shí)際加工環(huán)境、加工參數(shù)等，對零件進(jìn)行虛擬仿真加工。通過仿真加工對薄壁件的NC程序進(jìn)行了正確性檢驗(yàn)，有效預(yù)判實(shí)際加工中存在的干涉、碰撞、過切、欠切等問題，同時(shí)通過對NC程序進(jìn)行優(yōu)化，提高了工件的加工效率。結(jié)果表明： 所提出的加工工藝及仿真方法，能提高航空薄壁件的加工質(zhì)量和加工效率，對薄壁類零件首件開發(fā)及試制具有一定的指導(dǎo)意義，為航空零部件制造企業(yè)的同類零件加工提供了借鑒。