秦艷平

（廣東金志利科技股份有限公司，廣東 韶關(guān)）

降低零件鑄造加工能耗是綠色鑄造背景下的必然選擇[1]。數(shù)控加工指的是利用數(shù)字信息規(guī)劃零件與刀具的位移[2]，實現(xiàn)自動化批量加工，在保證精細(xì)化加工的基礎(chǔ)上提高加工效率。在數(shù)控加工的過程中，需要使用專門的數(shù)控系統(tǒng)發(fā)布相關(guān)的加工指令，再根據(jù)工件加工的要求編制加工指令格式，處理數(shù)控語言信號[3]。數(shù)控系統(tǒng)在加工過程中可以不斷控制伺服裝置的運行與中斷，調(diào)整機(jī)床的轉(zhuǎn)速與加工方向，補(bǔ)償存在的加工偏差。

相關(guān)研究人員針對鑄造數(shù)控加工的特點設(shè)計了幾種常規(guī)的數(shù)控加工技術(shù)，第一種是基于UG 和VERICUT 軟件的無?；T造數(shù)控加工技術(shù)[4]，第二種是基于手搖式吸氣機(jī)的無?；T造數(shù)控加工技術(shù)[5]。但大多數(shù)零件無?；瘮?shù)控加工技術(shù)主要使用VERICUT 軟件生成零件鑄造數(shù)控虛擬加工模型，易受實際加工干涉作用及刀軌偏移等問題的影響[6]，導(dǎo)致數(shù)控加工能耗過高，不滿足零件加工的綠色可持續(xù)化需求。為解決以上問題，本文在綠色鑄造背景下，設(shè)計了一種全新的零件無?；T造數(shù)控加工技術(shù)。

1 考慮綠色鑄造的零件無模化鑄造數(shù)控加工技術(shù)設(shè)計

1.1 綠色鑄造背景下規(guī)劃零件無?；T造數(shù)控加工軌跡

在綠色鑄造背景下，零件無?；T造數(shù)控加工可以看成能量的傳遞與轉(zhuǎn)換過程，因此，可以劃定能邊界，有效地規(guī)劃零件鑄造數(shù)控加工軌跡。在數(shù)控加工過程中涉及毛坯件、切削液等[7]，能量變化差異較大，

基于此可以計算銑削熱耗散能耗 EX，如式（1）所示：

式中，P 代表切削熱產(chǎn)生功率，tct代表切削加工時間[8]，結(jié)合上述計算的銑削熱耗散能耗可以確定影響鑄造數(shù)控加工路徑的關(guān)鍵參數(shù)。

第一是刀觸點與刀位點，不同的刀具的刀觸點和刀位點不同，受力關(guān)系也不同[9]，因此在復(fù)雜零件的數(shù)控加工過程中，可以使用直刃刀預(yù)先進(jìn)行粗加工，在使用CAM 軟件簡化加工軌跡，此時的加工軌跡向視圖見圖1。

由圖1 可知，基于上述加工軌跡向視圖可以調(diào)整刀觸點與刀位點關(guān)系，生成局部坐標(biāo)系[10]，調(diào)整單位刀軸矢量，此時的最優(yōu)加工軌跡刀位點的計算方法如式（2）所示：

第二是切削行距，本文設(shè)計的鑄造數(shù)控加工技術(shù)主要利用連續(xù)相鄰刀路選擇切削行距，根據(jù)刀具的保持參數(shù)進(jìn)行反向切削，此時的切削行距計算式f 如式（3）所示：

式中，β 代表刀刃側(cè)傾角，e 代表刀具軸向深度，根據(jù)切削行距與刀觸點、刀位點關(guān)系，本文規(guī)劃的零件無?；T造最優(yōu)加工路徑R 如式（4）所示：

式中，R 代表切削差值，Rt代表刀尖半徑，af代表進(jìn)給量，n 代表主軸轉(zhuǎn)速，在上述路徑下進(jìn)行加工可以始終保證加工損耗最低，使其與加工節(jié)能要求相適配。

1.2 多目標(biāo)優(yōu)化零件無?；瘮?shù)控加工參數(shù)

待零件最優(yōu)加工軌跡確定后，首先需要進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)控加工參數(shù)。其次需要優(yōu)化加工變量，包括加工質(zhì)量、銑削能耗溫度等。本文針對銑削過程中的能耗變化關(guān)系設(shè)計了零件加工參數(shù)與能耗關(guān)系式Em，如式（5）所示：

式中，? 代表功率系數(shù)，SEC 代表加工數(shù)控比能，MRR代表材料去除率，Tm代表加工時間。此時根據(jù)零件加工材料去除率可以生成MRR 函數(shù)，如式（6）所示：

式中，C0、C1代表互為最優(yōu)系數(shù)相關(guān)值。結(jié)合上述的MMR 函數(shù)可以判斷零件的最優(yōu)加工狀態(tài)，確定零件的最優(yōu)銑削溫度，構(gòu)建加工參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化模型。

優(yōu)化的變量取值與數(shù)控加工機(jī)床設(shè)備狀態(tài)有一定的關(guān)系，因此，可以根據(jù)進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速等關(guān)系，獲取基礎(chǔ)的數(shù)控加工約束條件 PCUT，如式（7）所示：

式中，CF代表銑削系數(shù)，AE代表徑向切深，F(xiàn)Z代表銑削力，AP代表軸向切深，pmax代表機(jī)床額定功率。

2 仿真實驗

為了驗證設(shè)計的考慮綠色鑄造背景的零件無?；T造數(shù)控加工技術(shù)的加工效果，本文選取了可靠的數(shù)控加工中心，將其與文獻(xiàn)[4]的基于UG 和VERICUT的零件無?；T造數(shù)控加工技術(shù)、文獻(xiàn)[5]的基于手搖式吸氣機(jī)的無?；T造數(shù)控加工技術(shù)兩種常規(guī)的零件無?；T造數(shù)控加工技術(shù)對比，進(jìn)行仿真實驗。

2.1 仿真實驗準(zhǔn)備

根據(jù)零件無?；T造數(shù)控加工仿真實驗要求，本文選取DMU50 五軸數(shù)控加工中心作為仿真實驗平臺，利用UTE9800 測試加工機(jī)床功率，DL 紅外測溫儀獲取銑削仿真實驗溫度，為了貼近實際零件加工狀態(tài)，本文選取45 號鋼作為實驗樣本，切削毛坯型號為100 mm×100 mm×60 mm，此時調(diào)整的主軸轉(zhuǎn)速為2 300 rmin，進(jìn)給速度為0.202 mm ，徑向切深為3.95 mm，軸向切深為0.2 mm，此時創(chuàng)建的實驗工具及刀軌設(shè)計示意圖見圖2。

圖2 實驗工具及刀軌設(shè)計示意圖

由圖2 可知，本文規(guī)劃的加工刀具主要有三種，第一種是往復(fù)刀具加工路徑，該路徑在創(chuàng)建過程中選擇的是固定輪廓銑加工模塊，路徑驅(qū)動設(shè)置為曲面往復(fù)，調(diào)整轉(zhuǎn)速，該加工路徑見圖3。

圖3 往復(fù)刀具加工路徑

由圖3 可知，往復(fù)加工路徑的進(jìn)給率和轉(zhuǎn)速與常規(guī)的加工模式存在較大區(qū)別，具有明顯的數(shù)控加工特征。

第二種是斜45°刀具路徑，即對自由曲面進(jìn)行傾斜45°加工，選擇UG 加工模塊，創(chuàng)建固定輪廓銑加工方式，此時生成的加工路徑見圖4。

圖4 斜45°刀具路徑

由圖4 可知，上述加工路徑主要選擇區(qū)域銑削加工方法，夾角為45°。

第三種為等間距環(huán)形刀具路徑，其主要使用UG軟件的加工模塊創(chuàng)建等間距加工工序，設(shè)置均勻驅(qū)動曲面，調(diào)整跟隨部件，此時的刀具路徑見圖5。

圖5 等間距環(huán)形刀具路徑

由圖5 可知，上述刀具路徑的切削參數(shù)與前兩種存在較大差距，具有等間距調(diào)差特征。三種仿真實驗路徑規(guī)劃完畢后，可以利用UG10.0 軟件進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換，生成NC 仿真實驗程序。在仿真實驗開始前，還需要使用VERICUT軟件對數(shù)控加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，輸入調(diào)整后的全新仿真實驗路徑，獲取對應(yīng)的控制指令，輸出后續(xù)的零件數(shù)控加工仿真實驗結(jié)果。

2.2 仿真實驗結(jié)果與討論

本實驗將不同路徑產(chǎn)生的不同類型的加工能耗作為實驗指標(biāo)，進(jìn)行了仿真實驗。其中，Exolss代表銑削熱耗散能耗值、Efluid 代表切削液消耗耗散能耗值、Estandy 代表機(jī)床待機(jī)耗散能耗值、Etool 代表刀具切削磨損耗散能耗值、Egas 代表壓縮空氣耗散耗散能耗值，Eloss 代表加工過程中耗散能耗值。分別使用本文設(shè)計技術(shù)，文獻(xiàn)[4]技術(shù)以及文獻(xiàn)[5]技術(shù)進(jìn)行加工，得出的仿真實驗結(jié)果見表1。

表1 仿真實驗結(jié)果

由表1 可知，在預(yù)設(shè)的仿真實驗環(huán)境下，本文設(shè)計技術(shù)在不同加工能耗類型與加工路徑下的能耗均較低，文獻(xiàn)[4]技術(shù)，以及文獻(xiàn)[5]技術(shù)在不同加工能耗類型與加工路徑下的能耗相對較高。上述實驗結(jié)果證明，本文設(shè)計的考慮綠色鑄造背景的零件無?；T造數(shù)控加工技術(shù)的加工效果較好，具有節(jié)能性，符合綠色鑄造背景下的加工要求，有一定的應(yīng)用價值。

結(jié)束語

零件制造與加工過程中會消耗大量不可再生資源，也會產(chǎn)生大量的溫室氣體，影響生態(tài)環(huán)境。因此，需要考慮綠色鑄造加工。本文設(shè)計了一種全新的零件無?；T造數(shù)控加工技術(shù)。進(jìn)行仿真實驗，結(jié)果表明設(shè)計的零件無模化鑄造數(shù)控加工技術(shù)的加工能耗較低，加工效果較好，具有節(jié)能性，有一定的應(yīng)用價值，為推動綠色加工發(fā)展作出了一定的貢獻(xiàn)。