綠色鑄造背景下零件無模化鑄造數控加工技術研究

秦艷平

（廣東金志利科技股份有限公司，廣東 韶關）

降低零件鑄造加工能耗是綠色鑄造背景下的必然選擇[1]。數控加工指的是利用數字信息規劃零件與刀具的位移[2]，實現自動化批量加工，在保證精細化加工的基礎上提高加工效率。在數控加工的過程中，需要使用專門的數控系統發布相關的加工指令，再根據工件加工的要求編制加工指令格式，處理數控語言信號[3]。數控系統在加工過程中可以不斷控制伺服裝置的運行與中斷，調整機床的轉速與加工方向，補償存在的加工偏差。

相關研究人員針對鑄造數控加工的特點設計了幾種常規的數控加工技術，第一種是基于UG 和VERICUT 軟件的無模化鑄造數控加工技術[4]，第二種是基于手搖式吸氣機的無模化鑄造數控加工技術[5]。但大多數零件無模化數控加工技術主要使用VERICUT 軟件生成零件鑄造數控虛擬加工模型，易受實際加工干涉作用及刀軌偏移等問題的影響[6]，導致數控加工能耗過高，不滿足零件加工的綠色可持續化需求。為解決以上問題，本文在綠色鑄造背景下，設計了一種全新的零件無模化鑄造數控加工技術。

1 考慮綠色鑄造的零件無模化鑄造數控加工技術設計

1.1 綠色鑄造背景下規劃零件無模化鑄造數控加工軌跡

在綠色鑄造背景下，零件無模化鑄造數控加工可以看成能量的傳遞與轉換過程，因此，可以劃定能邊界，有效地規劃零件鑄造數控加工軌跡。在數控加工過程中涉及毛坯件、切削液等[7]，能量變化差異較大，

基于此可以計算銑削熱耗散能耗 EX，如式（1）所示：

式中，P 代表切削熱產生功率，tct代表切削加工時間[8]，結合上述計算的銑削熱耗散能耗可以確定影響鑄造數控加工路徑的關鍵參數。

第一是刀觸點與刀位點，不同的刀具的刀觸點和刀位點不同，受力關系也不同[9]，因此在復雜零件的數控加工過程中，可以使用直刃刀預先進行粗加工，在使用CAM 軟件簡化加工軌跡，此時的加工軌跡向視圖見圖1。

由圖1 可知，基于上述加工軌跡向視圖可以調整刀觸點與刀位點關系，生成局部坐標系[10]，調整單位刀軸矢量，此時的最優加工軌跡刀位點的計算方法如式（2）所示：

第二是切削行距，本文設計的鑄造數控加工技術主要利用連續相鄰刀路選擇切削行距，根據刀具的保持參數進行反向切削，此時的切削行距計算式f 如式（3）所示：

式中，β 代表刀刃側傾角，e 代表刀具軸向深度，根據切削行距與刀觸點、刀位點關系，本文規劃的零件無模化鑄造最優加工路徑R 如式（4）所示：

式中，R 代表切削差值，Rt代表刀尖半徑，af代表進給量，n 代表主軸轉速，在上述路徑下進行加工可以始終保證加工損耗最低，使其與加工節能要求相適配。

1.2 多目標優化零件無模化數控加工參數

待零件最優加工軌跡確定后，首先需要進一步優化數控加工參數。其次需要優化加工變量，包括加工質量、銑削能耗溫度等。本文針對銑削過程中的能耗變化關系設計了零件加工參數與能耗關系式Em，如式（5）所示：

式中，? 代表功率系數，SEC 代表加工數控比能，MRR代表材料去除率，Tm代表加工時間。此時根據零件加工材料去除率可以生成MRR 函數，如式（6）所示：

式中，C0、C1代表互為最優系數相關值。結合上述的MMR 函數可以判斷零件的最優加工狀態，確定零件的最優銑削溫度，構建加工參數多目標優化模型。

優化的變量取值與數控加工機床設備狀態有一定的關系，因此，可以根據進給量、主軸轉速等關系，獲取基礎的數控加工約束條件 PCUT，如式（7）所示：

式中，CF代表銑削系數，AE代表徑向切深，FZ代表銑削力，AP代表軸向切深，pmax代表機床額定功率。

2 仿真實驗

為了驗證設計的考慮綠色鑄造背景的零件無模化鑄造數控加工技術的加工效果，本文選取了可靠的數控加工中心，將其與文獻[4]的基于UG 和VERICUT的零件無模化鑄造數控加工技術、文獻[5]的基于手搖式吸氣機的無模化鑄造數控加工技術兩種常規的零件無模化鑄造數控加工技術對比，進行仿真實驗。

2.1 仿真實驗準備

根據零件無模化鑄造數控加工仿真實驗要求，本文選取DMU50 五軸數控加工中心作為仿真實驗平臺，利用UTE9800 測試加工機床功率，DL 紅外測溫儀獲取銑削仿真實驗溫度，為了貼近實際零件加工狀態，本文選取45 號鋼作為實驗樣本，切削毛坯型號為100 mm×100 mm×60 mm，此時調整的主軸轉速為2 300 rmin，進給速度為0.202 mm ，徑向切深為3.95 mm，軸向切深為0.2 mm，此時創建的實驗工具及刀軌設計示意圖見圖2。

圖2 實驗工具及刀軌設計示意圖

由圖2 可知，本文規劃的加工刀具主要有三種，第一種是往復刀具加工路徑，該路徑在創建過程中選擇的是固定輪廓銑加工模塊，路徑驅動設置為曲面往復，調整轉速，該加工路徑見圖3。

圖3 往復刀具加工路徑

由圖3 可知，往復加工路徑的進給率和轉速與常規的加工模式存在較大區別，具有明顯的數控加工特征。

第二種是斜45°刀具路徑，即對自由曲面進行傾斜45°加工，選擇UG 加工模塊，創建固定輪廓銑加工方式，此時生成的加工路徑見圖4。

圖4 斜45°刀具路徑

由圖4 可知，上述加工路徑主要選擇區域銑削加工方法，夾角為45°。

第三種為等間距環形刀具路徑，其主要使用UG軟件的加工模塊創建等間距加工工序，設置均勻驅動曲面，調整跟隨部件，此時的刀具路徑見圖5。

圖5 等間距環形刀具路徑

由圖5 可知，上述刀具路徑的切削參數與前兩種存在較大差距，具有等間距調差特征。三種仿真實驗路徑規劃完畢后，可以利用UG10.0 軟件進行代碼轉換，生成NC 仿真實驗程序。在仿真實驗開始前，還需要使用VERICUT軟件對數控加工參數進行調整，輸入調整后的全新仿真實驗路徑，獲取對應的控制指令，輸出后續的零件數控加工仿真實驗結果。

2.2 仿真實驗結果與討論

本實驗將不同路徑產生的不同類型的加工能耗作為實驗指標，進行了仿真實驗。其中，Exolss代表銑削熱耗散能耗值、Efluid 代表切削液消耗耗散能耗值、Estandy 代表機床待機耗散能耗值、Etool 代表刀具切削磨損耗散能耗值、Egas 代表壓縮空氣耗散耗散能耗值，Eloss 代表加工過程中耗散能耗值。分別使用本文設計技術，文獻[4]技術以及文獻[5]技術進行加工，得出的仿真實驗結果見表1。

表1 仿真實驗結果

由表1 可知，在預設的仿真實驗環境下，本文設計技術在不同加工能耗類型與加工路徑下的能耗均較低，文獻[4]技術，以及文獻[5]技術在不同加工能耗類型與加工路徑下的能耗相對較高。上述實驗結果證明，本文設計的考慮綠色鑄造背景的零件無模化鑄造數控加工技術的加工效果較好，具有節能性，符合綠色鑄造背景下的加工要求，有一定的應用價值。

結束語

零件制造與加工過程中會消耗大量不可再生資源，也會產生大量的溫室氣體，影響生態環境。因此，需要考慮綠色鑄造加工。本文設計了一種全新的零件無模化鑄造數控加工技術。進行仿真實驗，結果表明設計的零件無模化鑄造數控加工技術的加工能耗較低，加工效果較好，具有節能性，有一定的應用價值，為推動綠色加工發展作出了一定的貢獻。