基于物理仿真分析技術(shù)的車加工解決方案論文
近幾年高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)上關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)要求越來(lái)越復(fù)雜，新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝越來(lái)越多，對(duì)零件制造提出了較高的要求。隨著虛擬制造技術(shù)的不斷發(fā)展，仿真分析技術(shù)在航空制造業(yè)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛深入。仿真分析技術(shù)可以分為兩大類型：幾何仿真和物理仿真。
人們熟知的“加工碰撞干涉檢查”屬于幾何仿真的范疇，其主要是利用VERICUT等仿真加工產(chǎn)品，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)的方式構(gòu)建數(shù)控機(jī)床、刀具、夾具和毛坯模型，在刀位數(shù)據(jù)或NC代碼的驅(qū)動(dòng)下，模擬金屬切削加工中走刀軌跡和材料被切除的過(guò)程，使用戶以直觀的方式對(duì)工藝規(guī)劃的合理性進(jìn)行評(píng)估，對(duì)數(shù)控加工程序是否存在干涉進(jìn)行校驗(yàn)。幾何仿真的主要優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)驗(yàn)證加工程序的正確性，進(jìn)行干涉檢查，避免機(jī)床部件與夾具和零件的碰撞，減少在零件上試切的時(shí)間。
但是，在加工中仍然有很多問(wèn)題是幾何仿真無(wú)法解決的。例如，很多難加工材料在加工后容易出現(xiàn)變形、應(yīng)力集中、表面有震紋等質(zhì)量問(wèn)題，但是由于幾何仿真假定被加工零件是剛性的，不考慮零件加工過(guò)程中諸如溫度、材料或者刀具磨損等物理屬性，因此解決不了上述問(wèn)題。要解決這類問(wèn)題，還需要開(kāi)展物理仿真分析技術(shù)研究，通過(guò)對(duì)工件、刀具、材料屬性和加工環(huán)境等進(jìn)行的綜合分析，得到加工過(guò)程中的切削力和溫度等數(shù)據(jù)。
本文所研究的物理仿真分析，能夠幫助用戶合理地匹配加工參數(shù)和刀具，對(duì)數(shù)控加工的程序進(jìn)行優(yōu)化或提供解決方案，從而減小切削力和零件變形等。所有這些都大大減少了昂貴的切削試驗(yàn)，降低了加工成本，提高了加工效率和機(jī)床利用率。
事實(shí)上，目前市場(chǎng)上的物理仿真軟件很多，如ANSYS或DEFORM等，這些系統(tǒng)的主要工作對(duì)象是高等院�；�?qū)I(yè)研究機(jī)構(gòu)，他們通過(guò)應(yīng)用這些物理仿真軟件進(jìn)行理論研究，而真正在制造企業(yè)進(jìn)行應(yīng)用研究并取得成效的，還不多見(jiàn)。本文是以TWS（Third Wave Systems）公司的AdvantEdge軟件為工具，應(yīng)用FEM和PM兩大模塊開(kāi)展綜合的研究和分析工作。其中，AdvantEdge FEM主要用于優(yōu)化金屬切削工藝。在加工過(guò)程中，可以有效地提高零件質(zhì)量，增加材料去除率，延長(zhǎng)刀具壽命。利用AdvantEdge FEM可以減少試切次數(shù)和成本，快速得到最佳的加工參數(shù)，使產(chǎn)品快速市場(chǎng)化。AdvantEdge PM主要用于工藝分析，尤其適合于難加工材料、貴重的加工材料或無(wú)法做試切的情況下，對(duì)數(shù)控加工方案或NC程序進(jìn)行優(yōu)化，可以提供給客戶一個(gè)趨勢(shì)性結(jié)果，幫助客戶做出加工決策。
一、主要技術(shù)路線
由于物理仿真分析在同行業(yè)中幾乎沒(méi)有成功的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，因此筆者所在單位的技術(shù)人員通過(guò)一段時(shí)間的摸索，才確定了一套適合本企業(yè)的技術(shù)路線。針對(duì)航空產(chǎn)品來(lái)講，首要需要解決的問(wèn)題是加工參數(shù)的選擇和加工質(zhì)量的提高。
根據(jù)這兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)可以制定以下方案。
�。�1）分析零件加工工藝，收集零件關(guān)鍵位置的加工參數(shù)及工況信息。
�。�2）在物理仿真環(huán)境下構(gòu)建零件的微觀切削模型，并輸入材料性能和加工參數(shù)等信息，進(jìn)行分析計(jì)算，得到零件加工過(guò)程中的切削力、溫度、應(yīng)力分布和切削狀態(tài)等參數(shù)，并據(jù)此結(jié)論得到一組優(yōu)選的切削參數(shù)，合理選擇刀具。本過(guò)程主要使用FEM進(jìn)行分析，分析流程如圖1所示。
圖1 FEM分析流程
�。�3）根據(jù)選擇的加工參數(shù)和刀具等編制數(shù)控加工程序。
�。�4）對(duì)數(shù)控加工程序進(jìn)行物理仿真分析。通過(guò)輸入機(jī)床關(guān)鍵參數(shù)、零件模型、NC代碼和加工環(huán)境等參數(shù)，優(yōu)化數(shù)控加工程序，得到零件加工過(guò)程中的宏觀受力。根據(jù)分析結(jié)果，在使零件負(fù)載均衡的前提下，不僅可以對(duì)加工方案進(jìn)行調(diào)整，而且可以在物理仿真環(huán)境下，對(duì)數(shù)控加工程序進(jìn)行優(yōu)化處理。本過(guò)程主要使用PM進(jìn)行分析和優(yōu)化，分析流程如圖2所示。
圖2 PM工作流程
其中第（2）步和第（4）步是物理仿真分析工作的重點(diǎn)。在應(yīng)用過(guò)程中，要結(jié)合零件的特點(diǎn)靈活運(yùn)用，按加工需求，有重點(diǎn)、有針對(duì)性地進(jìn)行分析，并非一定要完全按上述步驟操作。
FEM需要的信息相對(duì)比較精確，而且輸入的參數(shù)越完整，分析的結(jié)論越接近實(shí)際效果。PM輸出的結(jié)果可以是一個(gè)大致趨勢(shì)即可，但是對(duì)NC程序的代碼和格式要求較嚴(yán)格。
二、仿真分析實(shí)例
筆者下面以某渦輪盤(pán)車加工為例進(jìn)行分析（圖3），該零件材料為高溫合金，加工后零件極易變形，屬于典型的難加工材料。由于實(shí)際加工中每個(gè)位置的加工余量和走刀方式等都不一樣，加工參數(shù)也不一樣，因此需要分別進(jìn)行分析。
圖3零件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
1、應(yīng)用FEM優(yōu)選加工參數(shù)此處僅以該零件加工的參數(shù)分析舉例說(shuō)明。FEM是通過(guò)構(gòu)建零件的微觀模型及有限元分析模型來(lái)進(jìn)行分析，因此分析時(shí)需要將模型進(jìn)行微觀簡(jiǎn)化。圖4為加工參數(shù)示意圖。表1為準(zhǔn)備的三組加工參數(shù)。
如圖5所示，每張圖上面的色帶表示加工時(shí)的溫度狀態(tài)，下面的曲線中，X方向（紅色曲線）為零件所受的切向力，Y方向（綠色曲線）為零件所受的軸向力，從三組參數(shù)分析可以看出，影響零件表面溫度和組織狀態(tài)的主要是進(jìn)給速度，進(jìn)給速度越快，刀具和零件被加工表面的溫度越高。而影響零件變形的軸向受力是切深，當(dāng)切深由0、5mm減小至0、25mm時(shí)，軸向切削力由900N減小至400N左右。零件所受的切向力變化不明顯，量值比軸向力小很多。
圖5所示的結(jié)果僅僅展示了仿真后的溫度和受力情況，還有零件及刀具表面的應(yīng)力、應(yīng)變等云圖和切屑狀態(tài)等，由于篇幅原因，就不再一一詳述，所有分析結(jié)論都為加工參數(shù)和刀具的選擇提供有利的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
2、應(yīng)用PM優(yōu)化數(shù)控加工解決方案
FEM分析后，選擇的加工參數(shù)和刀具可以用作數(shù)控程序編制的依據(jù)。PM則是對(duì)數(shù)控加工程序進(jìn)行分析。通過(guò)PM物理仿真分析，可以預(yù)先發(fā)現(xiàn)工藝方案中存在的問(wèn)題，及時(shí)對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，重新定義仿真環(huán)境，直至對(duì)工藝方案和加工參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化至滿意為止。
首先，為了驗(yàn)證PM分析的準(zhǔn)確性，筆者到現(xiàn)場(chǎng)搜集了渦輪盤(pán)普通設(shè)備加工的走刀路線、加工刀具和加工參數(shù)等信息，并與數(shù)控加工的參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析。圖6是加工輻板內(nèi)腔的一個(gè)對(duì)比分析，左側(cè)圖a、圖c、圖e和圖g反映的是普通設(shè)備加工情況，右側(cè)的圖b、圖d、圖f和圖h是數(shù)控設(shè)備的加工情況。各個(gè)方向的力峰值對(duì)比見(jiàn)表2。
通過(guò)分析表明，普通車床加工產(chǎn)生的力普遍比數(shù)控車床加工產(chǎn)生的力要大，而且是成倍增長(zhǎng)。普通車床加工采用成型車刀進(jìn)行加工，數(shù)控車床使用標(biāo)準(zhǔn)刀片進(jìn)行加工。成型車刀與零件的接觸面積較大，去除材料體積大，因此產(chǎn)生的力也較大。而使用標(biāo)準(zhǔn)刀片，則可以合理地對(duì)刀軌進(jìn)行分布，去除余量較為均勻，因此受力比較均衡。分析結(jié)果與實(shí)際加工結(jié)論是一致的。
編程人員編制的數(shù)控程序往往是從切削開(kāi)始到切削結(jié)束，始終是一個(gè)恒定的進(jìn)給。PM優(yōu)化數(shù)控程序主要是根據(jù)零件受力的不均衡，對(duì)進(jìn)給速度進(jìn)行優(yōu)化，而對(duì)進(jìn)給進(jìn)行優(yōu)化，需要根據(jù)分析結(jié)果確定以下參數(shù)。
（1）優(yōu)化部位。該部位包括快速進(jìn)給和切削部位等，一般地，技術(shù)人員會(huì)將快速進(jìn)給部位設(shè)成G00，不參與切削，因此不需要做優(yōu)化。而切削部位進(jìn)給值的優(yōu)化也可以確定在某一段程序段中。
�。�2）優(yōu)化時(shí)零件的受力范圍。原始程序分析完之后，如果有問(wèn)題，總是會(huì)有受力大小突變比較明顯的.位置，這也是零件比較敏感的位置，需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)原始程序的分析結(jié)果，在優(yōu)化時(shí)，需要給定零件一個(gè)合理的受力范圍，這樣系統(tǒng)在優(yōu)化時(shí)會(huì)根據(jù)這個(gè)給定的范圍對(duì)進(jìn)給進(jìn)行重新設(shè)定，從而使得分析出來(lái)的受力曲線圖比較平穩(wěn)。
�。�3）優(yōu)化后進(jìn)給值范圍。系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的進(jìn)給值進(jìn)行優(yōu)化，最大進(jìn)給值應(yīng)大于零，否則就不會(huì)按設(shè)定值進(jìn)行優(yōu)化。
圖7為PM數(shù)控程序進(jìn)給優(yōu)化界面。
以渦輪盤(pán)的一個(gè)車加工程序?yàn)槔�，刀具軌跡如圖8所示。
通過(guò)分析得到的切削力曲線，如圖9中的紅色曲線所示。
根據(jù)得到的切削力，基于均衡載荷原則進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的曲線為綠色曲線�？梢�(jiàn)，優(yōu)化后的加工程序，不僅縮短了加工時(shí)間，而且切削力更加均衡。僅從數(shù)值上比較，加工時(shí)間從606s減少到360s，加工效率可以提高40%0 NC程序應(yīng)用PM分析后，可以不進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)調(diào)整加工方案，改變零件的加工余量，使零件受力區(qū)域均衡。筆者針對(duì)車加工部位的不同進(jìn)行了分析，并總結(jié)出了基于車加工特征的解決方案。
�。�1）直線。刀軌為水平或垂直方向直線，在余量均勻，切削參數(shù)恒定的情況下，理論上切削載荷均勻。因此可根據(jù)零件剛性情況，通過(guò)減小進(jìn)給速度和切削深度來(lái)減小載荷，從而減小零件變形。
�。�2）斜線。刀軌為斜直線，當(dāng)余量均勻的時(shí)候，軸向和切向切削力變化不大，可以看成相同。斜線走刀的時(shí)候，需要把余量留得均勻，這樣切削力比較穩(wěn)定。斜線走刀時(shí)，要考慮零件的剛性來(lái)選擇合理的走刀方式。
�。�3）圓角。圓角分為凸圓和凹圓，在圓角的部分，由于切削量及切削角度的變化，切削力會(huì)發(fā)生很大的變化。在車加工發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤(pán)輻板時(shí)，要特別注意，因?yàn)樵诎紙A角處，軸向力較大，對(duì)于剛性較弱的長(zhǎng)輻板影響較大。制定加工方案時(shí)，應(yīng)先把圓角處的余量處理一下，盡量變小，再將圓角處進(jìn)給量設(shè)定減小，大約為正常切削進(jìn)給的1 /3左右。
�。�4）拐點(diǎn)。在拐點(diǎn)處切削體積較大，因此容易發(fā)生切削力的突變。而且，在拐點(diǎn)處還存在應(yīng)力集中，加之切削力比較大，所以需要考慮零件的剛性來(lái)選擇處理方式。建議編程時(shí)，在拐點(diǎn)處盡量選擇圓弧走刀方式，并在加工前先處理拐點(diǎn)處余量。
三、結(jié)語(yǔ)
目前很多加工參數(shù)的選擇仍然需要現(xiàn)場(chǎng)試切獲得，試驗(yàn)成本極高，并造成不必要的資源浪費(fèi)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品制造迫切需要物理仿真分析技術(shù)的應(yīng)用和推廣。本文提出了一種結(jié)合FEM和PM兩種物理仿真模塊對(duì)車削加工過(guò)程進(jìn)行分析的方法，解決了幾何仿真解決不了的諸多問(wèn)題。本文提出的方法具有參數(shù)研究功能，可以進(jìn)行切削速度、進(jìn)給量、前角及切削刃圓弧半徑等參數(shù)的研究，同時(shí)對(duì)數(shù)控加工方案的制定，數(shù)控加工程序的優(yōu)化，提高零件質(zhì)量、精度等都具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。
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