飛輪殼數控加工工藝優化及仿真

韓旭，蘭海，王春，孫治成

(1.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028；2.大連創新零部件制造公司，遼寧 大連 116028) *

?

飛輪殼數控加工工藝優化及仿真

韓旭1，蘭海2，王春1，孫治成2

(1.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028；2.大連創新零部件制造公司，遼寧 大連 116028)*

為了縮短某飛輪殼生產線時間節拍，對其瓶頸工序數控加工工藝進行分析，確定了其工藝不合理之處，提出了加工工藝優化方案.為了驗證優化方案的合理性，運用了VERICUT數控加工軟件對原加工工藝和改進工藝進行仿真模擬，并按照實際機床和刀具參數對VERICUT進行相應設置，保證了仿真的準確性.仿真結果證明優化方案正確可行，能夠大幅縮短加工生產節拍.

加工工藝；VERICUT；優化方案

0 引言

飛輪殼是發動機上一個重要的零部件，其作用是連接發動機與變速器，承擔發動機與變速器的部分重量，同時也是發動機重要的支撐部件[1].其結構特點是零件形狀不規則，毛坯壁薄，剛性差等[2].飛輪殼加工質量的好壞對于發動機的可靠性和壽命起到重要的作用[3].目前，飛輪殼的生產較多采用數控加工方法，而加工工藝及加工路徑的合理性直接決定了產品質量、精度及效率的高低.但是在實際加工中驗證加工工藝成本較高、效率低下，耽誤生產進度，為了更準確快速的驗證加工工藝，需要專用數控加工模擬軟件對加工工藝進行仿真.VERICUT是由CGTECH公司開發的數控加工仿真專用軟件，具備同時進行刀具軌跡、機床運動及加工時間仿真功能[4]，可以直觀、形象的展現數控加工的全過程[5]，并能對仿真后切削模型尺寸精度進行測量，保留切削模型供后續加工仿真使用[6].

本文為了縮短某飛輪殼生產線時間節拍，將其加工節拍從380 s縮短到350 s，對其瓶頸數控加工工序進行分析，確定工藝不合理之處，提出加工工藝優化方案，并利用VERICUT對飛輪殼優化前后的加工過程進行仿真，驗證優化方案的正確可行.

1 飛輪殼加工工藝分析

1.1 原加工工藝

此次加工飛輪殼結構如圖1所示，工件所用材料為ZL104，屬于大型薄壁殼類零件.其結構特點是孔系多，剛性差，易變形、工藝性較差.下面是幾處加工難點的原有工藝安排.

圖1 飛輪殼結構

(1)銑A、M基準面，保證A、M面距離5.8±0.5；腹板厚度24±0.4.

工藝安排采用Φ63盤銑刀，一次精加工完畢.主軸轉速為6 800 r/min，進給速度為3200mm/min，切深0.3 mm.

(4)加工2×M8-6H螺紋孔，工藝分為兩道工序：①φ7.4鉆頭鉆2×M8-6H螺紋底孔，保證直徑φ7.4，深度19MAX.主軸轉速為5 595 r/min，進給速度為1 678 mm/min;②M8擠壓絲錐攻螺紋2-M8-6H，保證深度14MIN.剛性攻絲轉速為600 r/min，進給速度為750 mm/min.其中，M8擠壓絲錐材質為高速鋼.

(5)加工3×M10-6H螺紋孔，工藝分為兩道工序：①φ9.2鉆頭鉆3×M10-6H螺紋底孔，保證深度34MAX.主軸轉速為5 192 r/min，進給速度為908.5 mm/min;②M10擠壓絲錐攻螺紋3-M10-6H，保證深度25MIN.剛性攻絲轉速為600 r/min，進給速度為900 mm/min.其中，M10擠壓絲錐為高速鋼.

1.2 原加工工藝問題分析

雖然此次加工的飛輪殼已大范圍投產，但其加工工藝性仍有不合理之處：

(1)銑A、M基準面時刀具加工路徑不合理.在加工中，加工路徑并不是按照最短距離編制的，而且抬刀次數較多，空走刀時間較長，影響加工效率.

由于工序安排多，增加了工藝準備時間和加工時間，降低了生產效率.

(3)在加工M8、M10螺紋孔時，采用的是高速鋼材質的絲錐，其切削速度與進給速度低，刀具使用壽命短，加工效率低.

1.3 加工工藝優化方案

基于以上幾點不合理之處，本文對飛輪殼加工工藝做出如下改進：

(1)針對A、M面刀具加工路徑過長問題，按照最短距離原則重新規劃了刀具路徑，減少抬刀次數，以縮短加工時間;

(2)設計制造新型金剛石鏜刀，代替φ88.2孔粗鏜與φ88.7孔半精鏜刀具，將φ88.9孔加工工藝優化為兩道工序;

(3)設計制造新型金剛石鉸刀，代替φ17.6半精鏜刀和φ18.02鉸刀，將φ18.02孔工藝改進為兩道工序;

(4)為了提高M8、M10螺紋孔加工效率，優化工藝選擇用瓦爾特HP8061716-M8、HP8061716-M10硬質合金擠壓絲錐.加工M8螺紋孔時，主軸轉速由原來的600 r/min提高到2 300 r/min，進給速度由原來的750 mm/min提高到2 875 mm/min.加工M10螺紋孔時，主軸轉速由原來的600 r/min提高到1 900 r/min，進給速度由原來的900 mm/min提高到2 850 mm/min.

通過以上優化方法，原加工工藝存在的不足將得到較大的改進.為了驗證優化結果，本文運用VERICUT仿真軟件，對原加工工藝和優化后的工藝進行了模擬仿真.

2 VERICUT加工仿真

2.1 VERICUT仿真設置

為了保證仿真模擬與實際加工相一致，對VERICUT進行如下設置：

(1)建立機床仿真模型，設置機床參數.X/Y/Z各軸行程分別設置為1 300、650、625 mm；換刀參考點設置為位置(0，0，825)；X/Y/Z各軸的最大進給速度設置為8 000 mm/min，快速移動速度分別設置為24、24、20 m/min，加速度分別為2700、2 700、2500 mm/s2.

(2) 導入毛坯、工件模型.根據實際加工中工件在工作臺的位置設置工件、毛坯位置.建立工件坐標系、設置工件坐標零點偏置.根據實際刀具長度補償值設置刀具伸出長度.

(3)設置退刀方式為Z軸退刀.添加換刀時間宏定義，根據實際切削對切削換刀時間4s，對M6添加“Cycle Dwell Time”和“Dwell Time”宏定義，并設置覆蓋值為4，再添加“Dwell Macro”宏定義.添加主軸起停時間宏定義，根據實際機床主軸起始和停止時間0.44s，添加M03和M05“ Cycle Dwell Time”和“Dwell Time”宏定義，設置覆蓋值為0.44，再添加“Dwell Macro”宏定義.

2.2 仿真結果

將原加工程序和優化加工程序分別導入VERICUT進行仿真模擬，原加工路徑與優化加工路徑分別如圖2所示，加工時間如表1所示.

表1 仿真時間結果 s

圖2 原加工與優化路徑

2.3 仿真結果分析

根據以上加工路徑仿真結果，不難看出，相比于原加工路徑，A、M面優化后路徑明顯縮短，減少了抬刀次數和重復加工路徑，刀具路徑更加連貫，并且采用順時針銑削方法，保證加工面的質量要求.

依據仿真時間結果，優化后加工時間比原加工時間縮短66 s， 其中A、M面加工時間縮短14.2s，φ88.9孔加工時間縮短27.2 s，φ18.02孔縮短11 s，M8螺紋孔縮短4.8 s，M10螺紋孔縮短8.8 s.可以看出，在優化刀具路徑、改進 φ88.9和φ18.02孔加工工藝、選用硬質合金材質的絲錐加工M8和M10螺紋孔后，總體加工時間明顯減少，效率提升較大.

3 結論

本文為了縮短某飛輪殼生產線時間節拍，對飛輪殼瓶頸加工工藝進行分析，確定工藝中存在的不合理之處，提出了優化方案.為了驗證優化方案的合理性，同時避免由于實際加工驗證而造成生產進度的延誤，運用VERICUT對優化前后加工工藝進行仿真模擬.為了保證仿真結果的準確性，結合生產廠商與機床廠商對于機床及刀具各項參數的反饋數據，對VETICUT進行相應的設置，仿真結果驗證了優化方案的合理性，實現了加工節拍從380 s縮短到350 s的目標.

[1]劉玉梅,潘為祥.飛輪殼工藝方案分析及典型夾具設計[J].制造技術與機床，2008(5):128-130.

[2]佀金生.飛輪殼加工夾具及刀具設計[J].現代零部件，2014(8):46- 47.

[3]王立萍. 柴油機薄壁件飛輪殼孔系加工工藝的改進[J].柴油機設計與制造，2008(2):43-45.

[4]牟小云. 基于VERICUT的數控機床建模技術[J].現代制造技術與裝備，2008(1):55-57.

[5]王敏. VERICUT仿真軟件在實際加工中的應用[J]. 機械工程師，2013(4):77-79.

[6]陳思濤. VERICUT仿真技術在數控加工工廠中的應用[J].現代制造，2010(5):76-78.

Optimization and Simulation of CNC Flywheel Housing Machining Technology

HAN Xu1, LAN Hai2, WANG Chun1, SUN Zhicheng2

(1.School of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China; 2.Dalian Innovation Manufacture Company, Dalian 116028, China)

In order to cut down the machining cycle time of a flywheel housing production line, the unreasonable machining process of the flywheel housing was pointed out, and optimization scheme was put forward through the analysis on the key machining process. In order to verify the optimization results, simulations of the original machining process and the improved process were conducted by using software VERICUT. To ensure the accuracy of the simulation, setup and configuration on VERICUT was accordance with the actual machine tool and cutters parameters. The simulation result shows that the optimization scheme is correct and reasonable and capable of shorten the machining cycle time of the flywheel housing.

machining process; VERICUT; optimization

1673- 9590(2016)06- 0076- 03

2016-04-29

韓旭(1988-)，男，碩士研究生；王春(1963-)，男，教授，博士，主要從事數控系統及數字化制造技術的研究

A

E- mail:han_xu88@126.com.