基於物理仿真分析技術的車加工解決方案論文

近幾年高性能航空發動機上關鍵零部件結構要求越來越複雜，新材料、新結構、新工藝越來越多，對零件製造提出了較高的要求。隨着虛擬製造技術的不斷髮展，仿真分析技術在航空製造業的應用也越來越廣泛深入。仿真分析技術可以分為兩大類型：幾何仿真和物理仿真。

人們熟知的“加工碰撞干涉檢查”屬於幾何仿真的範疇，其主要是利用VERICUT等仿真加工產品，通過虛擬現實的方式構建數控機牀、刀具、夾具和毛坯模型，在刀位數據或NC代碼的驅動下，模擬金屬切削加工中走刀軌跡和材料被切除的過程，使用户以直觀的方式對工藝規劃的合理性進行評估，對數控加工程序是否存在干涉進行校驗。幾何仿真的主要優點是通過驗證加工程序的正確性，進行干涉檢查，避免機牀部件與夾具和零件的碰撞，減少在零件上試切的時間。

但是，在加工中仍然有很多問題是幾何仿真無法解決的。例如，很多難加工材料在加工後容易出現變形、應力集中、表面有震紋等質量問題，但是由於幾何仿真假定被加工零件是剛性的，不考慮零件加工過程中諸如温度、材料或者刀具磨損等物理屬性，因此解決不了上述問題。要解決這類問題，還需要開展物理仿真分析技術研究，通過對工件、刀具、材料屬性和加工環境等進行的綜合分析，得到加工過程中的切削力和温度等數據。

本文所研究的物理仿真分析，能夠幫助用户合理地匹配加工參數和刀具，對數控加工的程序進行優化或提供解決方案，從而減小切削力和零件變形等。所有這些都大大減少了昂貴的切削試驗，降低了加工成本，提高了加工效率和機牀利用率。

事實上，目前市場上的物理仿真軟件很多，如ANSYS或DEFORM等，這些系統的主要工作對象是高等院校或專業研究機構，他們通過應用這些物理仿真軟件進行理論研究，而真正在製造企業進行應用研究並取得成效的，還不多見。本文是以TWS（Third Wave Systems）公司的AdvantEdge軟件為工具，應用FEM和PM兩大模塊開展綜合的研究和分析工作。其中，AdvantEdge FEM主要用於優化金屬切削工藝。在加工過程中，可以有效地提高零件質量，增加材料去除率，延長刀具壽命。利用AdvantEdge FEM可以減少試切次數和成本，快速得到最佳的加工參數，使產品快速市場化。AdvantEdge PM主要用於工藝分析，尤其適合於難加工材料、貴重的加工材料或無法做試切的'情況下，對數控加工方案或NC程序進行優化，可以提供給客户一個趨勢性結果，幫助客户做出加工決策。

一、主要技術路線

由於物理仿真分析在同行業中幾乎沒有成功的經驗可以借鑑，因此筆者所在單位的技術人員通過一段時間的摸索，才確定了一套適合本企業的技術路線。針對航空產品來講，首要需要解決的問題是加工參數的選擇和加工質量的提高。

根據這兩個技術難點可以制定以下方案。

（1）分析零件加工工藝，收集零件關鍵位置的加工參數及工況信息。

（2）在物理仿真環境下構建零件的微觀切削模型，並輸入材料性能和加工參數等信息，進行分析計算，得到零件加工過程中的切削力、温度、應力分佈和切削狀態等參數，並據此結論得到一組優選的切削參數，合理選擇刀具。本過程主要使用FEM進行分析，分析流程如圖1所示。

圖1 FEM分析流程

（3）根據選擇的加工參數和刀具等編制數控加工程序。

（4）對數控加工程序進行物理仿真分析。通過輸入機牀關鍵參數、零件模型、NC代碼和加工環境等參數，優化數控加工程序，得到零件加工過程中的宏觀受力。根據分析結果，在使零件負載均衡的前提下，不僅可以對加工方案進行調整，而且可以在物理仿真環境下，對數控加工程序進行優化處理。本過程主要使用PM進行分析和優化，分析流程如圖2所示。

圖2 PM工作流程

其中第（2）步和第（4）步是物理仿真分析工作的重點。在應用過程中，要結合零件的特點靈活運用，按加工需求，有重點、有針對性地進行分析，並非一定要完全按上述步驟操作。

FEM需要的信息相對比較精確，而且輸入的參數越完整，分析的結論越接近實際效果。PM輸出的結果可以是一個大致趨勢即可，但是對NC程序的代碼和格式要求較嚴格。

二、仿真分析實例

筆者下面以某渦輪盤車加工為例進行分析（圖3），該零件材料為高温合金，加工後零件極易變形，屬於典型的難加工材料。由於實際加工中每個位置的加工餘量和走刀方式等都不一樣，加工參數也不一樣，因此需要分別進行分析。

圖3零件結構簡圖

1、應用FEM優選加工參數此處僅以該零件加工的參數分析舉例説明。FEM是通過構建零件的微觀模型及有限元分析模型來進行分析，因此分析時需要將模型進行微觀簡化。圖4為加工參數示意圖。表1為準備的三組加工參數。

如圖5所示，每張圖上面的色帶表示加工時的温度狀態，下面的曲線中，X方向（紅色曲線）為零件所受的切向力，Y方向（綠色曲線）為零件所受的軸向力，從三組參數分析可以看出，影響零件表面温度和組織狀態的主要是進給速度，進給速度越快，刀具和零件被加工表面的温度越高。而影響零件變形的軸向受力是切深，當切深由0、5mm減小至0、25mm時，軸向切削力由900N減小至400N左右。零件所受的切向力變化不明顯，量值比軸向力小很多。

圖5所示的結果僅僅展示了仿真後的温度和受力情況，還有零件及刀具表面的應力、應變等雲圖和切屑狀態等，由於篇幅原因，就不再一一詳述，所有分析結論都為加工參數和刀具的選擇提供有利的數據基礎。

2、應用PM優化數控加工解決方案

FEM分析後，選擇的加工參數和刀具可以用作數控程序編制的依據。PM則是對數控加工程序進行分析。通過PM物理仿真分析，可以預先發現工藝方案中存在的問題，及時對輸入的數據進行修正，重新定義仿真環境，直至對工藝方案和加工參數等進行優化至滿意為止。

首先，為了驗證PM分析的準確性，筆者到現場蒐集了渦輪盤普通設備加工的走刀路線、加工刀具和加工參數等信息，並與數控加工的參數進行了對比分析。圖6是加工輻板內腔的一個對比分析，左側圖a、圖c、圖e和圖g反映的是普通設備加工情況，右側的圖b、圖d、圖f和圖h是數控設備的加工情況。各個方向的力峯值對比見表2。

通過分析表明，普通車牀加工產生的力普遍比數控車牀加工產生的力要大，而且是成倍增長。普通車牀加工採用成型車刀進行加工，數控車牀使用標準刀片進行加工。成型車刀與零件的接觸面積較大，去除材料體積大，因此產生的力也較大。而使用標準刀片，則可以合理地對刀軌進行分佈，去除餘量較為均勻，因此受力比較均衡。分析結果與實際加工結論是一致的。

編程人員編制的數控程序往往是從切削開始到切削結束，始終是一個恆定的進給。PM優化數控程序主要是根據零件受力的不均衡，對進給速度進行優化，而對進給進行優化，需要根據分析結果確定以下參數。

（1）優化部位。該部位包括快速進給和切削部位等，一般地，技術人員會將快速進給部位設成G00，不參與切削，因此不需要做優化。而切削部位進給值的優化也可以確定在某一段程序段中。

（2）優化時零件的受力範圍。原始程序分析完之後，如果有問題，總是會有受力大小突變比較明顯的位置，這也是零件比較敏感的位置，需要進一步進行優化。根據原始程序的分析結果，在優化時，需要給定零件一個合理的受力範圍，這樣系統在優化時會根據這個給定的範圍對進給進行重新設定，從而使得分析出來的受力曲線圖比較平穩。

（3）優化後進給值範圍。系統根據設定的進給值進行優化，最大進給值應大於零，否則就不會按設定值進行優化。

圖7為PM數控程序進給優化界面。

以渦輪盤的一個車加工程序為例，刀具軌跡如圖8所示。

通過分析得到的切削力曲線，如圖9中的紅色曲線所示。

根據得到的切削力，基於均衡載荷原則進行優化，優化後的曲線為綠色曲線。可見，優化後的加工程序，不僅縮短了加工時間，而且切削力更加均衡。僅從數值上比較，加工時間從606s減少到360s，加工效率可以提高40%0 NC程序應用PM分析後，可以不進行優化，通過調整加工方案，改變零件的加工餘量，使零件受力區域均衡。筆者針對車加工部位的不同進行了分析，並總結出了基於車加工特徵的解決方案。

（1）直線。刀軌為水平或垂直方向直線，在餘量均勻，切削參數恆定的情況下，理論上切削載荷均勻。因此可根據零件剛性情況，通過減小進給速度和切削深度來減小載荷，從而減小零件變形。

（2）斜線。刀軌為斜直線，當餘量均勻的時候，軸向和切向切削力變化不大，可以看成相同。斜線走刀的時候，需要把餘量留得均勻，這樣切削力比較穩定。斜線走刀時，要考慮零件的剛性來選擇合理的走刀方式。

（3）圓角。圓角分為凸圓和凹圓，在圓角的部分，由於切削量及切削角度的變化，切削力會發生很大的變化。在車加工發動機輪盤輻板時，要特別注意，因為在凹圓角處，軸向力較大，對於剛性較弱的長輻板影響較大。制定加工方案時，應先把圓角處的餘量處理一下，儘量變小，再將圓角處進給量設定減小，大約為正常切削進給的1 /3左右。

（4）拐點。在拐點處切削體積較大，因此容易發生切削力的突變。而且，在拐點處還存在應力集中，加之切削力比較大，所以需要考慮零件的剛性來選擇處理方式。建議編程時，在拐點處儘量選擇圓弧走刀方式，並在加工前先處理拐點處餘量。

三、結語

目前很多加工參數的選擇仍然需要現場試切獲得，試驗成本極高，並造成不必要的資源浪費。航空發動機產品製造迫切需要物理仿真分析技術的應用和推廣。本文提出了一種結合FEM和PM兩種物理仿真模塊對車削加工過程進行分析的方法，解決了幾何仿真解決不了的諸多問題。本文提出的方法具有參數研究功能，可以進行切削速度、進給量、前角及切削刃圓弧半徑等參數的研究，同時對數控加工方案的制定，數控加工程序的優化，提高零件質量、精度等都具有現實的指導意義。