基于VERICUT的鈦合金Ti—6Al—4V葉片五軸加工仿真及FORCE程序優化研究

摘 要：在高端裝備智能制造技術大背景下，研究鈦合金Ti-6Al-4V葉片五軸加工仿真及FORCE程序優化技術。用UG和VERICUT軟件構建VTC160AN五軸加工中心仿真模型，并用該機床仿真模型執行葉片的仿真加工過程。在考慮加工刀具和工件材料屬性的情況下，用VERICUT軟件FORCE模塊對加工程序進行優化。

關鍵詞：高端裝備；智能制造；鈦合金；五軸加工；程序優化

中圖分類號：TH16 文獻標識碼：A

自美國1954年成功研制第一個實用鈦合金Ti-6Al-4V以來，該材料主要用于制造航空發動機壓氣機部件，如壓氣機盤和葉片，其在航空發動機中的用量一般占結構總重量的20%～30%。鑒于葉片等部件形狀的特殊性，其加工須采用五軸加工技術。通過UG等軟件自動編程可獲得加工程序，且該程序可通過VERICUT軟件仿真模擬驗證安全性，但該程序的關鍵切削參數基本是按經驗取得甚至未予考慮，導致實際加工過程中出現加工時間過長、表面質量不優、刀具磨損嚴重等問題。因此，通過仿真技術對程序參數進行優化在實際加工中有重要意義，這也符合當今高端裝備智能制造技術發展趨勢。

1.VTC160AN五軸加工中心實體模型構建

VTC160AN五軸加工中心屬“3+2”結構的雙轉臺五軸加工中心，X軸、Y軸、Z軸、A軸、C軸行程分別為560mm、410mm、510mm、-120°～30°、0°～360°，配置Maztrol640mn數控系統。

采用UG軟件構建VTC160AN五軸加工中心實體模型，圖1即為構建完成的機床實體模型。在建模過程中，有4點需要注意：（1）構建機床實體模型尺寸必須與機床實際尺寸一致。（2）建模坐標系原點應與機床機械零點或工作臺中心位置一致。本文在構建機床實體模型時將建模坐標系原點定在工作臺中心位置（C軸上表面中心點）。（3）有不同運動的機床部件在實體模型構建時不能合并為組件，如圖2雙轉臺中的C軸模型與A軸模型，其有各自不同的運動，不能合并。（4）機床模型輸出有“分部件輸出”和“整體輸出”兩種方式。其中“分部件輸出”有“STL（小平面體）”和“PLY（VERICUT多邊形文件）”兩種格式，“整體輸出”采用“STEP（實體格式）”。考慮到機床仿真模型的構建平臺為VERICUT軟件，所以，在利用UG軟件輸出機床實體模型時應該采用“PLY”格式。

2.VTC160AN五軸加工中心仿真模型構建

在UG軟件構建機床實體模型的基礎上，利用VERICUT軟件構建VTC160AN五軸加工中心仿真模型，關鍵注意如下幾點：

（1）分析VTC160AN五軸加工中部件運動關系。根據該機床的結構及運動特點，可以把機床分為“刀具分支”和“工件分支”兩個分支，其中“刀具分支”的拓撲關系為“X軸—Y軸—Z軸—主軸—刀具”，“工件分支”的拓撲關系為“A軸—C軸—附屬（包括夾具和毛坯）”，如圖3所示。

（2）調整相關組件的組件坐標系位置。在VERICUT軟件平臺中，將兩分支中的“X軸、Y軸、Z軸、主軸、A軸、C軸”等稱為組件，且各有獨立的組件坐標系，在添加為機床組件模型之后，由于這些組件是基于UG機床實體建模坐標系導入的，組件坐標系原點均與UG建模坐標系原點（C軸上表面中心點）重合。這樣的結果對“X軸、Y軸、Z軸、C軸”是正確的，對“主軸、A軸”而言，需做組件坐標系平移調整，如圖4所示，“主軸”組件坐標系原點需移至主軸端面中心，移動坐標為（232.5，662，702），“A軸”組件坐標系原點需移至A軸旋轉中心線中點處，移動坐標為（0，0，-70），移動坐標可利用VERICUT相關距離測量工具測量出來。

（3）機床行程極限與碰撞檢查設置。行程極限設置必須與機床實際行程一致，碰撞檢查設置主要是設置一個碰撞參數，當刀具與工件或機床工作臺距離小于該碰撞參數時，認為碰撞發生，應該產生警惕，是一種安全設置。具體操作是：在VERICUT菜單欄“配置”項下選擇“機床設定”，添加“X軸、Y軸、Z軸、A軸、C軸”行程極限及碰撞參數，如圖5、圖6所示。

3.鈦合金Ti-6Al-4V葉片加工仿真

在UG軟件中生成葉片加工的刀具軌跡并后置處理成NC代碼程序。按照參考文獻1中葉片加工仿真過程，基于VTC160AN五軸加工中心仿真模型對鈦合金Ti-6Al-4V葉片進行加工仿真，如圖7所示，毛坯尺寸為“105×55×100”，刀具選擇球頭刀D12R6。

仿真過程過切、殘留及碰撞干涉檢查是必需的。在菜單欄“分析”下選擇“自動-比較”，VERICUT軟件會自動檢查加工程序是否存在過切、殘留及碰撞干涉，檢查結果會以不同顏色顯示，如圖8所示。如果存在“過切、殘留或碰撞干涉”現象，說明加工程序有問題，需分析如何調整并返回修改程序。

4.FORCE程序優化

VERICUT軟件Force模塊是一種基于物理性能的優化方法，通過分析刀具的幾何外形和參數、毛坯和刀具的材料屬性、具體的切削刃幾何形狀以及VERICUT中每一刀的切削接觸狀況，計算出理想的進給速度，并通過一系列專用的材料系數來計算材料的受力以及摩擦和溫度的影響，在NC程序中插補入合適的切削條件。

鈦合金Ti-6Al-4V在切削過程中具有變形系數小、切削溫度高、單位面積上的切削力大、冷硬現象嚴重、刀具易磨損、硬度小于HB300易粘刀等切削特點，從降低切削溫度和減少黏結兩方面考慮，選用紅硬性好、抗彎強度高、導熱性能好、與鈦合金親和性差的刀具材料，YG類硬質合金、金剛石和立方氮化硼比較合適。這里選用德國Emuge-Franken工具商提供的YG類硬質合金D12R6球刀，該刀具建議切削條件為：轉速2120r/min、進給速度650mm/min、切削深度0.72mm、受力極限130N、每齒進給量0.01mm～0.05mm。endprint

圖9為用VERICUT FORCE模塊分析計算出當前加工程序的刀具受力圖，從圖中可以看出，刀具受力不均勻且有部分區域接近甚至超出刀具受力極限（最大受力達到150N以上，超出刀具受力極限130N），這會加劇刀具的磨損，進而影響加工表面質量。

VERICUT軟件在推出FORCE模塊功能時，經切削實驗做了大量材料系數供用戶使用，可以在圖10中將加工材料選擇為Ti-6Al-4V，圖11設置選用刀具的切削條件，程序自動優化，優化結果如圖12所示，相比優化前，優化后刀具受力更均勻了，且不超過100N。

從圖13中可以看出，程序優化之前進給速度保持不變，這就會造成在切削過程中刀具軸線與加工表面角度的變化而引起刀具受力的變化，程序優化之后進給速度隨著刀具軸線與加工表面角度的變化而不斷調整，以保持較穩定的切削力（見圖12）。

圖14顯示，優化前程序加工時間為82min，優化后程序加工時間為57min，加工時間縮短了30.4%，大大提高了加工效率。

圖15顯示，優化前零件表面部分區域刀痕明顯且不光滑，優化后有較大改善。這主要是因為切削力相對穩定之后，刀具偏擺的變化很小，表面處理質量更好。

結論

用VERICUT軟件對鈦合金Ti-6Al-4V葉片進行五軸加工仿真，能夠驗證程序的安全性。進一步使用其中FORCE模塊，可根據刀具及材料特性，對加工程序優化，調整加工過程中的進給速度及刀具受力，提高加工效率和質量，對航空發動機葉片等高端裝備智能制造有重要實用價值。

參考文獻

[1]唐建林，黃志輝.基于UG-VERICUT軟件平臺的VTC160AN五軸加工中心仿真模型構建及應用研究[J].科技創新與應用，2016（16）：70-70.

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