鈦合金銑削主軸功率高效使用技術研究

鄭耀輝 邵晨峰 莊 鑫

(沈陽航空航天大學航空制造工藝數(shù)字化國防重點學科實驗室，遼寧 沈陽110136)

目前，國內(nèi)航空鈦合金結構件數(shù)控銑削加工的機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床的加工能力，降低了大型復雜鈦合金結構件的加工效率。

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

隨著鈦合金材料在飛機上的應用越來越廣泛，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。北京航空航天大學的劉強提出了基于動力學仿真技術的以顫振穩(wěn)定域為主要約束條件的切削參數(shù)優(yōu)化方法［2］，武漢交通科技大學的郭興、華中科技大學的李曦提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡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，人機交互少，優(yōu)化時不能根據(jù)當前切削參數(shù)條件下的機床主軸功率曲線變化，實時地改變優(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。

趙振宇等人對復雜型腔的刀具軌跡進行了最短路徑優(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)有技術的不足，提出拖動式切削參數(shù)優(yōu)化技術，結合數(shù)控加工全過程銑削功率預先計算技術和刀具軌跡優(yōu)化技術，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鍵技術

提高航空鈦合金結構件數(shù)控銑削機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

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

以拖動主軸轉速、每齒進給速度、軸向切深和徑向切寬4 個切削參數(shù)的方式進行優(yōu)化，機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，實現(xiàn)初步的切削功率優(yōu)化。但加工過程中可能出現(xiàn)機床過載的情況。

1.2 數(shù)控加工全過程的功率預先計算技術

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

論文基于Vericut 軟件的二次開發(fā)，在數(shù)控加工仿真的基礎上，提取數(shù)控程序中的切削參數(shù)，計算各刀位點處的銑削功率［9］，繪制功率曲線，讓工藝人員在工藝設計階段就可以掌握實際加工過程的功率信息，通過銑削功率曲線和機床主軸功率曲線的對比，了解整個加工過程的機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，結合數(shù)控加工全過程的銑削功率預先計算功能，可以把功率平穩(wěn)運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

對于存在局部機床過載加工的情況，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，需要結合數(shù)控加工刀具軌跡的優(yōu)化，進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，其流程如圖4 所示。

由于航空鈦合金零件結構復雜，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)，局部實際的切削參數(shù)大于理論設定值，銑削功率增大，容易超過機床主軸功率額定值。

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行降低進給速度的處理，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，基于提取的數(shù)控代碼中的切削參數(shù)和幾何信息，總結出3 種情況的識別特征:全刀加工的識別特征是實際徑向切寬(ae)等于刀具直徑(D);殘留區(qū)域加工的識別特征是實際軸向切深(ap)等于當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)修正進給速度(F)，全刀加工的進給速度修正系數(shù)為理論徑向切寬/刀具直徑;殘留區(qū)域加工的進給速度修正系數(shù)為理論軸向切深/實際軸向切深;拐角加工的進給速度修正系數(shù)為理論接觸面積/實際接觸面積。

(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)點是刀具運動軌跡沒有變化，但全刀加工和殘留區(qū)域加工的進給速度變化較大;第2 種優(yōu)化方法的優(yōu)點是進給速度變化不大，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、進刀等非切削運動以及重復的切削運動。

2 優(yōu)化效果測試

編制如圖6 所示鈦合金結構件數(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，結合刀具的加工性能，確定機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床當前額定功率70%的條件下，反復使用拖動式優(yōu)化功能和功率預先計算功能，確定功率平穩(wěn)加工階段的切削參數(shù)，如表1 所示。

(3)進行刀具軌跡優(yōu)化，使用拖動式優(yōu)化功能和功率預先計算功能調(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)加工階段的功率設為機床當前額定功率的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、后相關數(shù)據(jù)比較

3 結語

本文通過對切削參數(shù)優(yōu)化技術和數(shù)控加工刀具軌跡優(yōu)化技術的研究，提出了一種在不發(fā)生機床過載加工的前提下，提高鈦合金結構件數(shù)控銑削加工機床主軸功率使用率的解決方案。其中銑削功率預先計算技術和刀具軌跡優(yōu)化技術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。

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