復雜曲面加工工藝仿真分析方法

摘 要：復雜曲面加工過程復雜，切削載荷和刀軸矢量變化較大是制約加工精度和加工效率的主要原因。文章基于先進分析理論，提出了一種加工工藝分析方法，通過分析切削力的影響因素，建立刀具、工藝參數和切削用量之間的關系，對加工工藝進行優化，并通過加工試驗驗證了該方法的有效性。

關鍵詞：復雜曲面；先進分析；切削力

引言

隨著制造技術的發展和機械產品結構的復雜化，以復雜曲面為特征的流線型結構在機械產品中的應用越來越廣泛。由于復雜曲面特征具有弱剛性、刀軸矢量變化加劇和加工表面光順要求等特點，造成復雜曲面加工難度大、加工過程復雜，目前復雜曲面的加工方式在加工精度和加工效率兩個方面很難同時兼顧。文章將先進仿真分析的理念融合到復雜曲面加工工藝中，很好地解決了上述問題。

1 先進仿真分析原理

先進仿真分析包括加工過程幾何仿真和有限元分析兩部分。加工過程幾何仿真是從幾何角度模擬切削加工過程，驗證數控加工程序的正確性和消除碰撞、干涉等現象。有限元分析是對切削過程中的切削力、切削熱等物理因素進行分析，通過建立切削加工模型或模擬切削加工過程中的位移場、溫度場等分布狀態，對加工過程中的關鍵因素進行分析優化，提高刀具磨損、刀具顫振等的預測程度，有效的控制切削參數，實現切削過程和零件加工質量的優化。

2 復雜曲面加工存在的問題

復雜曲面加工過程中加工難度大，加工問題層出不窮，其中對其性能影響較嚴重的加工問題主要有加工變形、加工顫振、刀具磨損等。

（1）加工變形：設備精度的誤差、零件裝夾過程中產生的裝夾變形以及切削力的作用均是導致加工變形的主要原因。（2）加工顫振：零件材料的難加工性及剛性差等原因，加工過程中容易出現顫振引起的魚鱗狀表面缺陷。（3）刀具磨損：材料硬度高、冷作硬化、切削溫度過高等帶來的刀具切削部位鈍化、涂層失效過快等原因，導致刀具磨損嚴重。

3 加工過程先進仿真分析優化

采用先進仿真分析方法對復雜曲面加工過程進行研究，通過加工過程幾何仿真和有限元分析，以控制切削加工過程中切削載荷的大小和波動為優化目標，對數控加工程序進行驗證，找出影響切削力的關鍵因素，并對加工過程進行優化，以實現復雜曲面的高效優質加工。

3.1 加工過程幾何仿真

加工過程幾何仿真包括數控程序驗證和切削加工過程分析兩部分。數控程序驗證是采用加工軟件對刀具軌跡的合理性和進退刀等進行檢查；切削加工過程分析主要采用幾何仿真軟件進行仿真驗證，檢驗加工過程中是否存在干涉、碰撞等問題，根據仿真結果可實現對加工程序的優化。

3.2 切削加工有限元分析

切削載荷是影響加工質量的關鍵因素，加工過程中刀具的性能和加工參數的選擇均會對零件加工質量和切削載荷產生一定的影響。文章以某航空發動機葉片零件實際加工參數為數據來源，對影響切削加工較大的刀具幾何參數和加工參數進行采樣，并采用正交試驗法確定對切削加工影響加大的因素為刀具齒數、刀尖圓弧Rc、切削深度和進給量。

在正交試驗分析的基礎上，對各關鍵影響因素進行試驗驗證，得到表1所示的結果數據，可以發現：（1）切削力隨刀具齒數的增加而減小；（2）切削力的大小與刀尖圓弧之間沒有明確關系；（3）切削力隨切削深度的增加而增大；（4）切削力隨每齒進給量的增加而增大。

3.3 關鍵參數優化原則

根據試驗分析結果，可通過調整刀具齒數、刀尖圓弧、切削深度和進給量的不同取值來實現復雜曲面切削加工的優化。

（1）刀具齒數

由于切削力隨刀具齒數的增多而降低，可以通過增加刀具齒數來控制切削載荷的大小。但是，刀具排屑槽寬度隨刀具齒數的增多而減小，過窄的排屑槽不利于切屑的排放，還會導致切削溫度的升高。通常在精加工等排屑量較小的條件下可以適當增加刀具齒數。

（2）刀尖圓弧

在相同切削深度條件下，刀尖圓弧對切削力的影響不大。但是，當直徑不變時，刀尖圓弧的刃磨難度隨刀具齒數增多而加大，因此，刀尖圓弧的選擇應與刀具直徑和齒數相匹配。

（3）切削深度

由于切削力隨切削深度的增加而增大，因此，在選擇切削深度時應考慮實際加工條件和需求，在粗加工階段可以選擇較大的切削深度以提高加工效率；在精加工階段則應選擇較小的切削深度來保證切削加工過程的平穩性。

（4）進給量

加工過程中，在保證切削載荷穩定的前提下，可以適當的提高切削速度和進給量，以提高切削加工線速度，進而提高加工效率。

4 現場加工試驗

采用先進分析方法對某葉片加工方案進行優化，在改變原有加工工藝的情況下，選用7齒刀具，增大切削速度和進給量的方法實現對葉片加工過程的優化，通過對比發現優化后葉片加工時間明顯縮短，由43min縮減至30min；單組刀具加工葉片的數量由17片增加至100片，刀具壽命顯著提高。采用先進分析的優化方法，既能夠提高零件加工效率和加工質量，同時又能增加刀具的使用壽命。

5 結束語

復雜曲面加工涉及到加工過程中的各個環節以及彼此之間的相互影響。文章基于先進分析理論，提出了一種復雜曲面加工工藝分析的方法，通過分析切削力的影響因素，建立刀具、工藝參數和切削用量之間的關系，依據分析結果對加工工藝進行優化，并通過加工試驗驗證了該方法的有效性，得出以下結論：

（1）復雜曲面類零件型面復雜、薄壁結構是造成其加工變形的主要原因，變形主要體現在加工幾何形狀誤差和相對位置誤差難以有效控制。

（2）基于先進仿真分析研究工藝參數與切削力、殘余應力之間的關系，通過優化工藝參數減小切削力以及殘余應力，可以有效控制復雜曲面特征部位的加工變形。

參考文獻

[1]鄭艷銘，張森堂，等.基于物理仿真分析技術的車加工解決方案[J].CAD/CAM與制造業信息化，2011（9）.