板类工件切削参数优化分析与实验验证

郑智贞 白云鑫 张余升 葛青建 秦慧斌

(①中北大学机械与动力工程学院，山西 太原030051;②上海航天设备制造总厂，上海200245;③四川华庆机械有限责任公司，四川 成都611930)

现代航空航天工业中，为减轻飞行器自重，提高飞行器的各项机械性能，飞行器零部件中越来越多的使用整体薄壁结构件。但是薄壁板类零件通常结构复杂、加工特征多、变型较多、数控编程效率较低，使得加工周期变长，影响飞行器的整体制造速度。直接用自动编程软件生成的数控加工程序进行加工，加工时间长，机床利用率低。以本文中板类工件为例，工件三维模型如图1 所示。材料为45#钢，硬度较大、去除率高。因此，为了减少加工时间，对加工程序进行优化，提高加工效率是十分有意义的。

目前，国内对VERICUT 优化功能进行了深入的研究，从建立仿真系统，优化参数设置到操作流程等。但大多都是应用VERICUT 中的优化模块对程序进行单一的优化，优化后程序少有经过机床实际加工的验证，因此在参数设置方面难以确定其合理性。优化程序若应用于实际机床加工，能否顺利完成加工任务也未经过验证。本文在VERICUT 仿真的基础上，通过对切削参数的分析，合理地对加工程序进行了优化。并通过实际加工验证了优化的可行性。解决了工件加工效率低的问题，并且通过工件加工表面粗糙度检测，优化后的程序加工质量也有所提高。对同类工件加工效率的提高有很好的借鉴意义。

1 板类工件加工工艺分析

如图1 模型所示，该工件是一种典型的板类工件，主要结构是槽和筋。加工所使用的毛坯是一块大小为244 mm×234 mm×12 mm，材料为45#钢的板，毛坯的重量为5.135 kg，加工完成后重量为2.980 kg。加工时首先用Φ10 mm 的钻头钻8 个直径相同的通孔，然后将Φ10 mm 铣刀伸入孔内，将孔铣至模型要求的大小。采用先钻后铣的原因是钻的效率比铣高的多，如果直接采用铣孔的加工方法将会浪费大量的时间。完成孔加工后，接下来继续加工槽，槽加工是整个工序中材料去除多，时间耗用长的一道工序，因此选用直径较大的Φ20 mm 铣刀。铣槽完成后，再将筋边铣到指定高度。经过前4 个工步的加工完成了工件粗加工过程。

进行工件的精加工时考虑到加工效率和工件的结构特征等因素，在精铣不同部位采用不同铣刀。由于槽周边有小圆弧结构，为了保证加工精度，需要使用小直径(Φ6 mm)铣刀，在铣筋边上表面时结构简单可适当增大刀具直径(Φ10 mm)，来提高加工效率。最后精铣槽的底面和圆孔，完成整个工件的加工。具体加工顺序和所需刀具如表1 所示。

根据制定的工艺方案，在UG 软件中生成初始加工程序。

2 板类工件仿真加工

在制定好工艺方案，生成加工程序之后，首先进行一次加工仿真。根据仿真结果可以观察工件在加工过程中的碰撞和干涉情况，以及进行过切和欠切的检查。保证工件在用加工中心加工时能够更加安全可靠［1］。具体的仿真加工流程如图2 所示。

在构建VERICUT 仿真加工系统时，首先创建虚拟机床模型，由于在之后的实际加工时采用的加工中心型号为“hass_vf6”，因此该工件的仿真机床模型可调用系统自带的同一系列名为“hascnc”机床模型。

然后再导入控制该机床的控制系统，相应地可调用系统自带的与机床模型相匹配的名为“hass_vf2”的控制系统。接下来创建毛坯和夹具，用来检测机床与夹具、机床与毛坯直径或者其他运动部件之间是否存在干涉或者碰撞，保证加工过程的安全。最后创建加工所用的刀具库，刀具构建主要是刀柄和刀具的创建，创建刀柄主要是检测在加工过程中是否会和夹具、工件等发生碰撞，以更真实地呈现加工环境。

仿真过程中若出现问题，则需要返回UG 环境中重新生成NC 代码，直到程序在仿真系统中得到充分验证，即完成了工件的加工仿真。通过仿真环境验证后的程序，再放到加工中心中加工工件，不仅避免了机床不必要的损害，减少了加工过程中经常停机观察加工情况的次数，一定程度上还提高了加工效率。

表1 加工工序表

3 板类工件程序优化

3.1 刀具铣削参数关系的确定

程序优化过程首先研究刀具参数的变化关系，为进一步程序优化提供理论基础。

3.1.1 设计变量

从UG 导出的数控加工程序，已生成了相对固定的切削深度、切削宽度和进给速度值，整个数控加工过程的走刀速度相对固定。

在毛坯、机床、刀具等都确定后，刀具铣削参数的设定就成了影响加工速度的主要因素。主要的铣削参数包括主轴转速S、进给量F、切削深度Ap和切削宽度Aw等。如果忽略次要因素的影响，工件的加工时间T可表示为

理论上讲，式(1)内参数取值越大，加工效率也越高。但是在实际加工中每把刀具在加工一定材料时都有其极限参数值，无限地提高每个切削参数明显有违实践操作。因此每个参数都设定合理的范围值，不至出现参数设置过大和过小等偏离实际的情况［2-3］。

3.1.2 优化原理

如果仅仅确定单个变量的变化范围，则在进行程序优化时，软件优化模块进行程序优化时为了单纯地追求最高加工效率，会将程序参数修改为最高值，这样就失去了程序优化的意义。因此，需要设定另外的参数关系，保证变量变化的合理性。VERICUT 优化模块中的多种优化方式，为我们提供了这样一个确定变量变化关系的平台。其中包括恒定体积去除率切削方式，恒定切屑厚度方式优化以及两种方式结合优化。

恒定体积去除率切削方式优化，当单位时间内刀具去除材料体积变化时，进给速度也相应的发生变化。恒定切屑厚度方式优化，通过变化进给率保持恒定的切屑厚度。两种方式结合优化，这种优化方式下，VERICUT 会分别按照两种优化方式优化速度然后从两个结果中选择较小的那个进给速度作为最终优化速度［4］。

本文中所加工的工件材料去除率大，且多为直线走刀，以恒定体积去除率切削方式优化为例，论述确定变量变化的方法。

在铣削加工中体积去除率可表示为

式中:F为进给速度，mm/min;Ap为切削深度，mm;Aw为切削宽度，mm;V为体积去除率，mm3/min。

在限定体积去除率V的值后，加工过程中若切削体积发生变化，程序会改变进给速度以保证体积去除率的值不发生过大变化。当切削体积小于设定V时，程序会提高进给速度，反之切削体积大于V时，程序会降低进给速度［5］。

3.2 程序优化

应用上面介绍的优化原理，通过创建刀具优化库，设置相应加工参数，对UG 直接生成的程序进行优化。

3.2.1 建立刀具优化库

VERICUT 优化库是建立在刀具库上的，在机床、工件材料确定的情况下，根据刀具参数的设定原则，针对每把刀不同的切削情况，根据前面所述的刀具参数设置原则对每把刀进行相应的参数设置。参数设置的具体操作如图3 所示。

(1)首先在极限选项卡中设定切削进给率的极大和极小两个极限值，以保证进行程序优化时切削进给率F值的合理性。表2 为本工件加工过程中不同刀具设定的进给率F的极限值。

表2 刀具进给率F 设定极限值 mm/min

(2)其次在设定选项卡中主要设置解析度距离，解析度距离是长切削步分为短切削步的参数基础，在需要进行程序优化时，系统会将程序按设定的解析度距离值等间隔打断，然后在每个短切削步上附以最优的进给率F值。

(3)最后在进给/转速选项卡中选择体积去除，即等体积去除的优化方式，并设置合理的体积去除值，作为约束程序优化时添加进给率F值的约束条件。

(4)另外，再根据切削条件设置主轴转速、轴向切深和圆弧形切宽的值。

用以上介绍的方法依次为刀库中有需要的刀具创建各自的优化库，完成所有刀具优化库的创建。

3.2.2 程序优化过程及结果

完成刀具优化库的创建之后，使用VERICUT 的优化模块进行程序的优化。启动优化模块，打开优化控制如图4 所示，将优化方式打开，在优化文件下面设置用户自定义的输出路径。材料和机床使用默认的名字即可，这不会对程序的优化产生影响。然后单机应用和确定按钮，之后对工件进行加工仿真。

表2 优化前后部分程序对比

在仿真的过程中，系统会根据设置的参数自动对程序进行修改，仿真完成后也就完成了程序的优化。优化后的程序会自动保存在之前设置的优化文件输出路径。表2 所示为部分程序优化前后的对比结果［6］。

比较表2 中优化前后的程序，可以看出切削加工进给速度变化频繁，在切削量大时保证正常走刀，在切削量变小时提高过于保守的进给速度，提高空走刀的进给速度。充分保证刀具时刻工作在最佳状态。

4 实例验证及分析

4.1 实例验证

为了验证优化后的程序，能够满足实际加工的要求。在Haas vf-6 立式加工中心上进行了优化程序的验证实验。

验证方法:

(1)用未优化的程序加工1 个工件。加工过程中统计加工时间。

将未优化程序导入加工中心，对刀找准坐标零点，开始自动加工，加工过程记录每个工步加工所消耗的时间。加工过程如图5 所示。

(2)第1 件加工完成后，用优化后的程序加工第2件，导入优化后的程序到加工中心，用相同的方法再次加工1 件工件，同样记录加工时间。

(3)加工完成后比较两工件的质量。如图6 所示分别为2 次加工工件的成型实物图。

测量2 工件的表面粗糙度，比较2 种程序加工工件的加工质量。图7、图8 所示为2 工件筋边的表面粗糙度测量结果。

4.2 结果分析

根据加工过程中记录的每个工步的2 种加工时间，计算出时间优化效率(即优化后节约时间与未优化程序加工时间的比值)，结果如表3 所示。

分析表3 数据可以看出，优化后程序从加工时间上看每个工步加工时间都有所减少。很大程度上提高了加工效率。综合图6 实物图的加工效果和图7、图8的表面粗糙度测量结果。优化后的程序不仅减少了加工时间，而且提高了加工质量，对于提高工作效率有十分重要的意义。

表3 程序优化前后加工时间对照表

5 结语

本文针对航空工件中板类工件加工费时费工的问题，以一种材料为45#钢的板工件为例，使用VERICUT软件对零件进行加工仿真，并在分析优化原理的基础上，确定了各切削参数的设置方法，完成了对原始程序的优化，生成了合适的优化程序，并经过机床的实际加工验证，优化后的程序能应用到实际加工中。优化后的程序充分利用加工中心，在更短的时间完成对工件的加工，经实际加工确定，同未优化的程序相比，优化后的程序使工件的加工时间缩短了29.1%，较大地提高了板工件的加工效率。该方法可以应用到类似工件的加工中，为提高加工效率、降低加工成本提供了有效的途径。

［1］占刚，赵麒.基于UG 与VERICUT 虚拟数控加工仿真技术研究［J］.热处理技术与装备，2012 (12):50-53.

［2］朱正祥，黄筱调.基于VERICUT 的数控机床加工仿真与优化［J］.现代制造工程，2008(3):40-43.

［3］聂伍兵.基于VERICUT 的数控加工优化的研究与应用［J］.制造业自动化，2007(2):84-86.

［4］王学仓，田梦翠.基于VERICUT 的航空零件加工仿真及优化［J］.CAD/CAM 与制造业信息化，2011(12):77-80.

［5］刘强，李忠群.数控铣削加工过程仿真与优化［M］.北京:航空工业出版社，2011.

［6］杨胜群.VERICUT 数控加工仿真技术［M］.北京:清华大学出版社，2013.