基于AdvantEdge軟件的葉輪五軸數控銑削加工工藝仿真優化

崔福霞

(西安航空職業技術學院 航空制造工程中心，陜西 西安 710089)

葉輪五軸銑削加工工藝十分復雜，需要通過計算機數控技術對加工參數進行精確化的設置。因此，合理選擇仿真軟件、建立幾何模型、確定模擬參數就成為了合理應用數控銑削加工工藝的關鍵[1]。本次研究在完成幾何模型建立、模擬參數確定兩項工作的基礎上，還對比了葉片曲面銑削仿真優化前后之間的差異。經實驗研究發現，在針對葉片曲面銑削進行仿真優化后，在銑削溫度、軸向銑削力、徑向釬削力、切向釬削力等仿真數值方面均得到了顯著的改善。

1 建立幾何模型

本次研究通過AdvantEdge仿真軟件來對葉輪五軸數控銑削加工工藝進行仿真處理，操作流程具體如下：

(1)明確離心葉輪葉片的多軸數控加工要求，在此基礎上對機床相關參數進行設定，建立工件和刀具的三維幾何模型。借助AdvantEdge內置的刀具庫選擇錐形立銑刀，確定刀具材料并對刀具的幾何參數進行設定[2]。

(2)在NCP Code、APT Code、G-Code中任意選擇一種仿真程序文件[3]。

(3)針對離心葉輪葉片的三維切削加工進行仿真處理并獲取仿真數據[4]。離心葉輪葉片三維銑削有限元模型如圖1所示。

圖1 離心葉輪葉片三維銑削有限元模型

2 確定模擬參數

本次仿真模擬所采用的銑刀為材料牌號為K20的錐形螺旋球頭立銑刀。仿真切削參數：每齒進給量fz=0.125 mm，主軸轉速n=1 000 r/min，軸向切削深度ap的值在8.196～34.058 mm，具體深度受切削位置的影響[5]。徑向切削深度ae同樣與切削位置有關。

3 仿真結果分析

X向銑削力隨時間變化的關系曲線如圖2所示，在刀具切入、切出區域，葉片銑削值出現了較大的變化，出現該現象的原因主要在于刀具的切入、切出區域與切削加工不穩定區域重疊，對刀具造成比較嚴重的磨損。

圖2 葉盆銑削仿真X向銑削力與時間的關系

葉盆曲面銑削仿真結果如圖3所示，該圖展示了銑削力在X、Y、Z三個方面的變化規律。在刀軌運動過程中，X向銑削力逐漸降低，Z向銑削力先降后升，Y向銑削力先升后降，這種變化規律與側銑力模型預測值之間存在著一致的變化趨勢。在葉片曲面兩端，銑削力三個方向的變化相對平穩，明顯的變化主要集中在中間切削區。出現該現象的原因主要在于：①葉片中間區域剛度較低，兩端區域剛度較高；②葉片曲面中間存在極大的曲率變化；葉片曲面兩端只存在較小的曲率變化。

圖3 X、Y、Z 向的銑削力變化趨勢

軸向、徑向、切向的銑削力變化趨勢如圖4所示，經實驗研究發現，在刀軌不斷運動的過程中，三個方向的銑削力逐漸降低。出現該現象的原因主要在于：①葉片鋼度隨著刀具與葉片切觸線的減少而提升，因此在片切削加工的過程中，銑削力前期迅速下降，后期下降趨勢變緩；②由于刀軌在銑削過程中會由進氣口轉移到出氣口，該過程也是不斷降低軸向切深的過程，從軸向切深與銑削力線性關系的角度上來看，銑削力將會呈現逐漸降低的趨勢。

圖4 軸向、徑向、切向的銑削力變化趨勢

本次研究基于離心葉輪葉片葉盆曲面的基本特點，針對加工過程中銑削力方面的變化狀況進行了分析。通過AdvantEdge軟件對銑削加工過程進行仿真處理后，本次研究將優化對象鎖定為銑削力。在此基礎上，對銑削力優化范圍進行設定，針對切削參數和刀軌參數進行調整，進而使銑削力得到優化，最終實現葉片曲面的加工精度的提升。根據表1可知，在針對葉片曲面銑削進行仿真優化后，在銑削溫度、軸向銑削力、徑向釬削力、切向釬削力等仿真數值方面均得到了顯著的改善。

表1 葉片曲面銑削仿真優化前后對比

4 銑削過程分析及銑削力的計算

本次研究以離心葉輪葉片的順銑加工為例對葉盆曲面的銑削力進行計算，采用與上述內容相同的刀具。選取一塊7050-T7451航空鋁合金為工件材料。切削參數如表2所示。由于錐形螺旋銑刀直徑變化、半錐角小，并且加工機理復雜，因此本次研究將錐形銑刀直接看作為形狀規則的圓柱銑刀。

設有工件坐標系Oxyz，設有刀具局部坐標系O1xyz，根據刀軌方向分配葉片加工刀位[6]。設v為切削刀具軸線方向的單位矢量，并以(vx，vy，vz)代表其三個分量；設ρ為錐刀刀心對應切觸點的曲面單位法矢，并以(ρx，ρy，ρz)代表其三個分量[7]；設u為刀具進給方向的單位矢量，并以(ux，uy，uz)代表其三個分量[8]。v、ρ、u、之間的關系為v=u×ρ。

在刀具軸向沿刀軌隨曲面擺動的過程中，刀具局部坐標系也會發生相應的變化[9]。由于本次研究采用有限元分析的方法對銑削力進行計算，因此需要事先在O1xyz中分別計算出Fx、Fy與Fz。并在Oxyz中將Fx、Fy、Fz轉換為F′x、F′y、F′z。轉換方法具體如下：

F′x=uxFx+ρxFy+vxFz

F′y=uyFx+ρyFy+vyFz

F′z=uzFx+ρzFy+vzFz

5 結 語

隨著我國計算機技術、軟件工程技的不斷發展，電子計算機技術在工業生產領域的應用范圍越來越廣，對于提升生產效率的促進作用也越來越顯著。這就需要工業企業進一步加強針對虛擬仿真技術的研究與分析，在未來的研究中，還需要引入更多的不同各類的數控加工算法，優化數控加工路徑，提高數據銑削加工工藝的應用水平。