基于Production Module 3D數控銑削仿真技術在鈦合金主吊掛加工中的應用

吳東華， 鄧志剛， 張德純， 趙萬岳， 丁代華

（1.中國航發貴州黎陽航空動力有限公司，貴陽 550015；2.湖南三一工業職業技術學院，長沙 410129）

0 引言

航空發動機制造技術是航空工業的關鍵技術，而吊掛作為發動機與飛機連接的關鍵核心零件，需要承受很大的力矩，要求使用壽命長，對于吊掛工作時的可靠性是滿足發動機與飛機連接的關鍵，因此零件毛坯采用模鍛件，加工工藝要求穩定可靠，尺寸需滿足設計圖樣要求，零件裝機前采用無損檢測判別是否出現裂紋等[1]。目前，行業內對航空發動機吊掛的合格性判定只關注滿足設計圖樣要求，對吊掛壽命和可靠性方面關注不夠。對吊掛失效分析后發現，大多數為表面缺陷引起的微裂紋疲勞失效，而微裂紋最容易出現在切削力和切削溫度突變的地方。

鈦合金材料因其比強度高、密度低、耐腐蝕性能好等優越的物理及化學性能，在工程材料應用中占有很大比例，尤其是在航天、航空制造業等高端制造業中。但由于其導熱性能差、彈性變形量大等原因，導致鈦合金在加工過程中切削熱難以散發、容易產生應力集中、容易與刀具后刀面產生嚴重摩擦。

主吊掛是航空發動機的重要零部件之一，主要采用鈦合金和特種鋼制造而成，從發展趨勢來看，航空發動機吊掛用鈦合金材料的比例正在逐步增大，作為受力零件，其制造符合性一直是關注的重點。同時由于鈦合金材料的切削加工性能等因素的影響，使其在推廣及應用中受到了一定的制約。

1 軟件概述

Production Module 3D是一款基于有限元仿真的CAE軟件，由Third Wave Systems公司于2005年開發面世。軟件操作簡單，能客觀地反映零件加工過程中切削力的趨勢，能對金屬切削過程中的參數優化結果進行定量的判斷，使編程人員及操作人員預先了解零件的加工過程，減少零件切削試驗的時間消耗，提高加工效率。其主要特點如下：1）材料庫中數據都是通過試驗或AdvantEdge分析得到的[2]；2）可將刀具手冊中的刀具參數直接錄入軟件的刀具表中，做到加工刀具參數一致性，同時根據刀具的材料在軟件中選擇對應的刀具材料，做到刀具材料的一致性；3）可進行三軸及多軸銑削仿真；4）可進行G代碼和APT代碼輸入，有完整的機床后置處理可選擇G代碼輸入程序，否則建議采用APT代碼輸入程序，可不受機床系統的限制；5）可以得到加工過程中的切削力、溫度、功率等結果；6）通過優化進給量及切削速度對切削力及溫度進行優化。

軟件優化原理如圖1所示，主要體現為消除加工中的峰值力保護刀具免受瞬時沖擊，提升較低切削力至可控水平，從而提高進給速率，使加工過程更加平穩。

圖1 軟件優化原理

具體實現仿真的步驟如圖2所示。

圖2 實現仿真的步驟

2 加工實例

2.1 零件優化前信息

某吊掛零件材料為TA15，TA15是航空領域中使用最廣泛的鈦合金材料之一，其和45鋼的主要力學和物理性能對照如表1所示。

表1 TA15和45鋼的主要力學和物理性能對照

毛坯采用鍛件，零件加工余量很大，且零件支撐面短，零件高度為131 mm，加工中常因切削參數選擇不合理導致振動、崩刃，加工效率低，加工質量不穩定，刀具損耗大。該零件某批次共10件，從45工序的加工情況來看，加工周期為4 d，消耗5把?20硬質合金立銑刀、3把?6硬質合金立銑刀（刀具損壞大多是因為振動或者瞬時切削峰值力而導致的崩刃），零件工序加工內容如圖3所示。

圖3 零件45工序加工內容

2.2 零件數控程序的準備

編程采用UG和Mastercam軟件相結合的方式進行[3]，采用FANUC系統的三軸加工中心和硬質合金刀具。為方便進行刀具路徑的優化，每個操作均單獨進行程序處理，因加工振動、崩刃均出現在外形銑削過程中，故對于孔加工程序優化不作討論。具體加工信息如表2所示。

表2 加工信息

圖4 各程序號對應的加工部位

2.3 程序優化

機床采用FANUC系統三軸加工中心（QP2033-L），機床控制采用G-code，按照機床參數說明書進行機床工作臺參數、機床最高轉速、最高進給速率、機床額定功率等設置。根據刀具編號查閱刀具品牌說明書，查詢刀具相關信息。實施步驟如下：1）導入上一工序的STL模型作為本工序的毛坯，選擇工件材料為TA15；2）導出毛坯模型時，讓UG軟件的WCS坐標系與加工坐標系一致；3）將O0144、O0145、……、O0151等程序導入軟件，然后進行切削力計算。仿真模型顯示圖如圖5所示，優化前刀具切削力顯示圖如圖6所示。

圖5 仿真模型顯示圖

圖6 優化前刀具切削力顯示圖

程序切削力主要從以下5個方面優化：1）切向力。是大多數操作的主切削力，軟件中最常見的刀具壽命和加工周期時間的變量，常用于大多數零件的開粗及精加工。2）徑向力。推工具遠離工件，可引起工具或工件偏轉，常用于薄壁零件的精加工過程優化，用于控制零件的切削變形。3）軸向力。沿刀具軸向下，常用于鉆孔、插銑、螺旋銑孔等操作的加工過程優化。4）主軸功率。優化特定機器的極限，常用于根據特定機床進行程序優化，使其更符合對應機床的加工特性。5）刀具接觸長度產生的切削力（Load per Unit Length，LPUL）。與拉應力直接相關，常用于高溫合金、粉末冶金、淬硬鋼的加工過程優化，用于控制刀具的切削受力，減少刀具破損。

程序進給率主要從以下兩個方面優化：1）最大切削進給率（Maximum In-Cut Feed Rate）。在切入或切削（in-cut）時允許最大進給，可以定義為線性進給（單位為mm/min）或每齒進給（單位為mm/tooth），可根據刀具手冊查詢初始數據。2）最大的空切削進給率（Maximum Air-Cut Feed Rate）。在空切削（in air-cut）時允許最大進給（當前切削力為0），用于限制G00的運行速率。

加工效率=（原始加工時間-優化后的加工時間）/原始加工時間×100%[5]。

程序優化設置如表3所示。

表3 程序優化設置

2.4 優化前后對比分析

粗加工優化后的加工效率相比優化前均有所提升，精加工的加工效率有所降低，但本工序的加工效率整體有所提升，降低了切削過程中的瞬時沖擊峰值力，切削過程中的切削受力波動幅度變小，受力更均勻。

圖7 各程序號對應的切向力-時間曲線軟件截圖

2.5 機床加工驗證

將優化后的O0144.opt、O0145.opt、……O0151.opt等程序，重新導入FANUC系統三軸加工中心（QP2033-L），進行實物切削加工驗證。該零件驗證批次共10件，從45工序的加工情況來看，加工周期為2 d，效率提高了1倍（減少了裝刀、換刀、對刀時間），消耗2把?20硬質合金立銑刀、1把?6硬質合金立銑刀（刀具損壞大多是因為刀具刀尖磨損，無因振動或者瞬時切削峰值力而導致的崩刃），減少了試刀的成本（降低了40%～60%）,縮短制造周期[5]，加工效果改善明顯。

3 結論

在傳統的機械加工過程中，無法得到確定的切削加工數據，只能憑借加工經驗結合零件的實際切削情況進行判斷，做出粗略調整，無法詳細地調整大量程序的F進給值來對切削過程進行優化。通過對Production Module 3D軟件進行切削力模型計算后，能直觀地呈現每條程序對應的切削力、切削熱等狀態，對于程序加工過程能有直觀的顯現，能快速地對加工過程的瞬時沖擊進行捕捉，減少對刀具的損耗，提高了刀具使用效率,降低生產準備時間[5]，使零件的加工過程更加平穩。