基于表面粗糙度的机匣数控程序优化技术研究.pdf

中国新技术新产品2024 NO.3（上）-9-高 新 技 术航空发动机机匣是发动机中的壳体、框架类零件，也是飞机发动机的重要承力部件，主要材料为高温合金和钛合金，加工难度大，精度要求高，根据技术人员的工作经验编制传统的数控加工程序，采用减少步距和优化刀具轨迹的方式优化数控加工程序，但是未考虑切削力的变化对零件加工质量的影响，加工效率较低、加工过程稳定性较差1。数控加工程序优化是保证加工过程稳定、提高加工效率的有效途径之一，以往的优化方法多数是针对整个程序进行优化的，没有考虑不同加工部位表面粗糙度指标等具体需求，导致优化效果不佳，不能保证航空发动机零件质量2。因此，本文提出了一种基于表面粗糙度控制的整体环型机匣数控加工程序优化方法，根据不同部位的表面粗糙度指标要求，对数控程序进行分段优化，确定各段程序的切削参数，保证加工过程稳定。1 总体方案表面粗糙度反映零件表面微观几何形状的误差，这些误差主要是由切削过程中刀具相对零件的运动轨迹、刀具和零件表面之间的摩擦、切屑分出时工件表面层金属的弹塑性变形以及工艺系统中的高频振动等因素造成的。表面粗糙度是评定机械零件产品质量的重要指标，其数值大小对零件的使用性能和使用寿命有很大影响。根据国家标准，表面粗糙度的评定参数很多，主要参数有以下几种。1.1 轮廓的算术平均差 Ra在取样长度内轮廓峰高或轮廓谷深绝对值的算术平均值。它反映的是微观几何形状特征。其中 Ra是最常用的评定参数，它最全面、完整地反映了工件表面的轮廓特征。1.2 轮廓的最大高度 Rz在取样长度内，Rz为最大轮廓峰高 Zp加上其谷深 Zv。它反映了峰顶和谷底的参数，也是反映最大高度的参数，但是它的反映能力有局限性，不如 Ra全面。1.3 轮廓的单元平均宽度 Rsm在取样长度内，轮廓微观不平度间距的平均值。1.4 轮廓的支承长度率 Rmr（e）在给定水平高度上轮廓的实体长度与评定长度的比率。影响已加工表面粗糙度的因素有刀具的几何参数、切削用量、切屑形态和刀具振动等。刀具的几何参数影响表面粗糙度的主要因素是前角，适当增大刀具前角，有利于降低粗糙度，因为增大刀具前角能有效减少积屑瘤和鳞刺。适当增大刀具后角有助于降低表面粗糙度，但是如果后角过大，就会增加刀具的振动，导致表面粗糙度变大。在一定范围内，刀尖圆弧半径越大，已加工表面粗糙度值就越小。切削用量中影响表面粗糙度的主要因素有切削速度、进给量和切削深度。其中，切削速度越快，表面粗糙度越低，由于在低速和中速切削状态下，很容易产生积屑瘤和鳞刺，使工件表面粗糙度值变大，因此在切削加工过程中应选择较快的切削速度，不但能获得更好的质量，还能提高加工效率。在切削参数中，随着进给量变小，残留面积会变小，残留高度也会降低，进而降低了工件的表面粗糙度。在切削用量中的切削深度对表面粗糙度的影响不大。有研究证明切削速度加快有助于降低表面粗糙度，提高质量，但是对一些塑性材料来说，随着切削速度加快，会逐渐形成锯齿形切屑，引起切削力波动，导致刀具振动，使工件表面产生振纹，影响了工件表面的质量。在加工航空发动机正体环形机闸零件的过程中存在加工效率低、不能保证其加工精度和稳定性等问题，因此，本文提出基于表面粗糙度的数控加工程序优化方法。该方法根据零件不同部位表面粗糙度指标要求，基于在切削加工过程中切削力均匀分布的原则，对数控加工程序进行分段优化，以保证在切削加工过程中切削力平稳，从而保证零件加工表面的质量，整体流程包括以下几个步骤（如图 1 所示）。第一步，对数控加工程序进行几何仿真分析，判断在加工过程中是否存在过切、欠切和干涉等问题。应对未通过几何仿真的程序进行调整，直到满足仿真要求为止，保证应用于实际加工的程序轨迹合理。第二步，进行数控程序切削力仿真分析，根据分析结果评价加工过程中的整体切削力波动情况。根据切削基于表面粗糙度的机匣数控程序优化技术研究韩冰马明阳徐立明李俊瑶（中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）摘 要：航空发动机机匣零件多数为难加工材料，具有薄壁和大长径比等典型特征，根据工艺人员和操作工人的经验优化传统的数控加工程序，效率低，稳定性较差。本文提出采用数控程序切削力物理仿真的方法，基于控制零件表面粗糙度指标，对数控加工程序进行分段优化，确定不同程序段的切削参数，解决了机匣零件数控加工稳定性难以控制的问题。经过多次加工试验，验证结果稳定，工艺方案准确可行。关键词：数控程序；机匣；表面粗糙度；物理仿真中图分类号：V263 文献标志码：A中国新技术新产品2024 NO.3（上）-10-高 新 技 术力约束条件，确定加工过程是否稳定，满足约束条件的程序可直接用于实际加工，切削力波动较大的程序需要进行优化。第三步，明确各加工部位的表面粗糙度指标具体数值，确定指标要求的相同的连续加工总长度，分别对每段程序根据公式计算分段数量。第四步，对指标要求相同的连续加工部位，根据程序分段数量计算每段程序的长度，并分别进行优化。第五步，对优化后的程序进行切削力仿真分析，判断加工过程中切削力的波动情况，满足约束条件的程序可直接用于实际加工，切削力波动较大的程序需要再次进行优化，直到满足约束条件为止。2 切削力仿真分析及约束条件判定进行数控程序切削力仿真分析前，需要选择合适的仿真软件，例如 ANSYS、MATLAB 和 PM 等。这些软件具有不同的特点和功能，需要根据实际情况进行选择。例如，ANSYS 软件在结构分析方面具有优势，MATLAB 软件在数学建模方面表现突出，而 PM 是一款数控程序切削力仿真专用软件。对数控程序切削力进行仿真分析，通过输入零件模型、数控加工程序和刀具等信息，模拟材料去除情况，计算在零件加工过程中的各向切削力，为数控加工程序优化提供数据支撑。基于仿真结果计算在切削加工过程中的切削力平均值，如公式（1）公式（3）所示。FF tnrrtn?0 （1）FFtnyytn?0 （2）FFtnxxtn?0 （3）式中：Fr（t）为任意时间 t 所产生的切向力；Fy（t）为任意时间 t 所产生的径向力；Fx（t）为任意时间 t 所产生的轴向力；Fr为平均切向力；Fy为平均径向力；Fx为平均轴向力；n 为仿真结果数量。切削力约束条件是根据各向切削力仿真结果，设定各向切削力的波动上限值和下限值。在整个数控程序的加工过程中，仿真结果显示切削力超过设定的上限值和下限值的区间达到 5%以上，即判定加工过程不稳定。其中，切削力波动上限值记为 Flmax，切削力波动下限值记为 Flmin。在通常情况下，Flmax设定为切削力平均值上浮 20%，Flmin设定为切削力平均值下调 20%，计算过程如公式（4）、公式（5）所示。FFFFFFrlrylyxlxmaxmaxmax%?100201002010020?（4）图 1 环型机匣数控加工程序优化整体流程数控加工程序几何仿 真分析数控加工程序 调整切削力仿真分析切削加工过程 是否稳定?确定数控加工程序分段数量确定数控加工程序分 段长度输出优化后的数控加 工程序根据优化后的数控加 工程序进行加工是否存在干涉 过切和欠切?否否是中国新技术新产品2024 NO.3（上）-11-高 新 技 术FFFFFFrlrylyxlxminminmin%?100201002010020?（5）式中：Frlmax为切向力最大值；Fylmax为径向力最大值；Fxlmax为轴向力最大值；Frlmin为切向力最小值；Fylmin为径向力最小值；Fxlmin为轴向力最小值。3 基于表面粗糙度指标的数控加工程序分段数量计算表面粗糙度是评定零部件表面质量的一项重要的参数，受到刀具、机床、加工环境和切削参数等多种因素的影响，因此根据表面粗糙度的具体参数对在数控加工过程中的切削力进行分段优化能够提升零件表面的加工质量，程序分段计算过程如公式（6）所示。NLR?a120%（6）式中：N 为分段数量；L 为表面粗糙度要求相同的连续加工总长度；Ra为待加工表面粗糙度指标要求。根据分段结果计算各程序段的长度，如公式（7）所示。NLl=（7）式中：l 为各程序段的长度，在一般情况下，l 向下取整。根据每段加工路径的长度，对表面粗糙度参数相同的路径进行分段，对每段路径分别编写数控加工程序，将程序导入物理仿真软件中，再次进行验证。4 应用验证以某整体环形机匣为例，该零件为典型的大长径比、薄壁和弱刚性结构，前后端长径比大于 1 9，壁厚最薄处为1.5 mm，加工过程存在较大的变形风险。同时，前后 2 个端面有端面孔和花边结构，容易导致前后端面边缘产生变形。目前采用的基于经验的程序编制和优化方式无法有效地解决该零件加工过程中的变形问题。采用本文提出的基于切削力均匀分布的数控加工程序分段优化方法，对该零件在数控加工过程中的平稳性进行控制，保证了零件的加工精度，提高了零件加工质量和效率，主要包括以下 6 个步骤。第一步，根据待加工的整体环型机匣零件编写初始数控加工程序，并构建零件的三维仿真模型。在通常情况下，技术人员需要将零件的三维模型按照仿真软件的模型输入要求，进行相应格式的输出。第二步，将待加工的整体环型机匣零件的仿真模型和编写的初始数控加工程序导入仿真软件中，对程序进行几何仿真分析，根据生成的仿真加工模型，检查刀具轨迹有无过切、欠切、干涉和碰撞现象。如果程序存在上述现象中的任意一种或多种，那么技术人员需要对程序进行修改，并再次进行几何仿真分析，直到程序无上述现象。第三步，将不存在过切、欠切、干涉和碰撞现象的数控加工程序导入物理仿真软件中，进行切削力的仿真分析，得到仿真加工过程中任意时刻的切削力数值，包括仿真加工过程中任意时刻 t 所产生的切向力 Fr（t）、径向力 Fy（t）和轴向力 Fx（t）。从各项切削力仿真结果中可以看出，数控加工程序的最大切削力发生在车加工外型面转角处，最大切削力为-423.137 N，切削力波动较大，切削加工过程不稳定，表面粗糙度受到影响比较大。因此，需要对该数控加工程序进行优化，经过计算可得各向平均切削力如下。Fx=339.08 N，Fx1max=406.90 N，Fx1min=271.30 N。第四步，根据待加工零件的表面粗糙度指标确定数控加工程序分段数量。该段加工区域的表面粗糙度 Ra=3.2，加工区域总长度为 39 mm，则数控加工程序分段数量为 N=393.2（1+20%）=15，根据表面粗糙度指标计算程序来计算分段长度 l，l=3915=3 mm。第五步，对分段后的数控加工程序进行物理仿真分析，设定切削力上限值为 406.9 N，下限值为 271.3 N，设定优化参数为径向切削力最大值为 406.9 N、最小值为 271.3 N，最短切屑长度3 mm。对优化后的程序重新进行物理仿真分析，结果表明切削加工过程平稳，切削时间缩短约 32%，程序可以用于零件加工。第六步，根据优化后的结果，输出优化的数控加工程序和切削参数，并用优化后的程序进行加工，经现场验证，采用优化后的程序进行加工，零件加工质量和效率均显著提高。5 结论本文提出了基于切削力均匀分布的整体环型机匣数控加工程序分段优化方法，优化了经验式的数控加工程序，缩短了程序优化周期，提高了零件加工质量，解决了在数控加工过程中的切削力波动问题。本文针对某机匣零件进行加工试验，结果表明零件加工质量较高，在加工过程中切削力变化平稳，多次测量结果基本一致，加工时间缩短，降低了人为因素的影响，加工工艺过程稳定。该方法可应用于各种类型零件的数控加工程序优化，具有较强的实用性。参考文献1 王威，姚晓菊，王鹤亭，等.小直径环形机匣车铣加工表面质量研究 J.中国新技术新产品，2019（18）：43-44.2 王丽花，俸跃伟.航空发动机机匣类零件数控程序优化策略研究 J.制造技术与机床，2013（11）：119-121.图 2 机匣零件示意图