大型薄壁腔体数控加工与仿真技术的应用

赵永红,白海峰，郑　杰

(中国电子科技集团公司第38研究所，安徽 合肥 230031)



大型薄壁腔体数控加工与仿真技术的应用

赵永红,白海峰，郑杰

(中国电子科技集团公司第38研究所，安徽 合肥 230031)

大型薄壁腔体加工产生变形是难以解决的课题,通过对薄壁腔体结构进行分析,制定合理的工艺流程,制作特殊的工装夹具和刀具；在数控加工中，对薄壁腔体的切削参数进行优化和调整,对刀具路径和下刀方式的修正等改进,并进行系列数控程序的编制；根据数控仿真技术对程序的正确性进行判定，并通过对设计模型和仿真模型进行比较，有效防止刀具在加工过程中出现过切和夹具干涉的现象,可大大减小工艺质量成本,缩短加工周期。

薄壁腔体；数控加工工艺；加工变形；数控仿真加工

薄壁腔体是由各种薄型板(壳)和加强筋构成的轻量化结构，其刚度相对较低，加工工艺性相对较差，在切削力、装夹力等因素作用下极易发生变形和振动。在加工过程中，切削参数(如加工进给、切削宽度、切削深度和转速等)的设定可影响切削力、振动幅度和切削温度[1]，并直接影响零件的加工质量；因此，根据零件的结构特征，制定合理的加工工艺流程，编制数控程序，对零件的变形量和设计尺寸要素控制起决定性的作用。

1　薄壁腔体结构分析

薄壁腔体外形尺寸为61.2 mm×1 128 mm×5 942 mm，腔深壁薄，最大腔深为(59.2±0.05)mm，最小壁厚为(2±0.05)mm，其结构复杂(见图1)，多腔多孔(约2万个)。

图1　结构简图

该薄壁腔体具有如下特点：1)制造精度要求高，为满足装配和性能的要求，对腔体的几何公差提出了较高要求，尤其是关键部位的壁厚和槽宽的主要特征尺寸，要求精度为±0.05 mm，部分对称度、同轴度为±0.05 mm；2)质量轻，整个零件初始原材料为2 000 kg，全部加工结束后质量≤60 kg，材料去除率≥97%。

2　薄壁腔体数控工艺设计

2.1工装设计

薄壁腔体尺寸大，凹腔平面大，尤其底面设计尺寸要求为(2±0.05)mm。四周压紧后中间易产生间隙，在加工过程中产生的切削力对腔体的精度影响较大，若薄壁腔体中间不采取有效的装夹措施，底面的设计尺寸很难保证；因此，根据薄壁腔体的结构，制造一种基础板(见图2)和多种规格的压条工装(数量约100条)，通过基础板和压条使加工底面与基础平台紧密贴合，使切削过程平稳，避免腔体底面产生振动而影响加工要素。

图2　基础板

2.2特殊刀具制作

由于薄壁腔体切削去除量大，刀具的使用寿命将影响零件的加工精度。刀具选用山特维克整体45°螺旋角三刃立铣刀，三刃刀可以增加刀具的刚度，大螺旋角设计可以增加排屑流畅，防止铝屑与刀具粘结。在薄壁腔体中有多处让位沟槽(见图3)，加工时，切削力和阻力都相对较大，因此，要求加工刀具设计除了必须兼顾刀具的外形，不能与薄壁上沟槽发生干涉外，还应具备一定的排屑和容屑能力。为了实现上述沟槽的加工，制造了专用的成型刀具——外圆柱铣刀(见图4)[2]。该刀具的前角Yp为12°～15°，后角为6°，螺旋角λ为30°，刃倾角Yo为9°～12°。该成型刀具结构简单、紧凑，可快速解决现有薄壁沟槽加工中产生的加工振动以及工件受力变形的问题，并辅以大容屑槽，可实现薄壁沟槽的快速加工，提高薄壁沟槽的加工精度和效率。

图3　让位沟槽

图4　专用成型刀具

2.3数控工艺流程设计

根据设计要求，制定工艺流程见表1。

3　数控加工程序编制和三维动态仿真关键技术

3.1数控加工程序编制的关键技术

1)刀具路径轨迹的选择。在数控加工技术中，编程刀具轨迹的路径方式有很多[3]，包括双向切削、等距环切、平行环切、平行环切清角和高速切削等。与数控龙门铣床主轴横梁自重相比，其工作台的自重较大，在拐角处容易产生冲击，因而应尽可能选择

表1　薄壁腔体加工工艺流程

主轴横梁运动相对较多的刀具运动轨迹，这样有利于满足零件精度要求。本文选用双向切削的刀具轨迹方式，且在轨迹的长方向上与主轴横梁保持一致(见图5)。

图5　刀具运动轨迹方式

2)刀具下刀方式的选择。下刀方式包括直接下刀、斜插式下刀和螺旋式下刀[4]。采用直接下刀方式，易黏刀，对刀具的冲击性大，刀尖磨损快；采用螺旋式下刀方式，当腔较小时不易形成螺旋方式，同样存在刀尖磨损快；采用斜插式进刀方式(见图6)，可以减小刀具在下刀时对工件Z向薄壁处周期性冲击而引起强迫振动，同时可以延缓刀具底齿的磨损时间，从而提高刀具的使用寿命。

3)分层方式上的选择。“2D轮廓加工”和“2D挖槽加工”在分层铣削的顺序中有“依照区域”和“依照深度”2种设置(见图7)，选后者可以做到整个大面的层层剥离，使工件均匀受力[4]，减少变形的产生。

图6　斜插下刀方式

图7　分层设置

3.2数控加工技术过程动态三维实体的仿真技术

目前，比较流行的数控加工技术过程动态软件是Vericut，应用该软件，能够通过数控程序代码逆运算来实现几何实体的仿真。利用MasterCAM X软件的仿真技术，可以实现设计三维几何体和数控加工指令完成仿真几何体的对比，确认零件加工是否满足要求。

3.2.1仿真软件Vericut数控加工过程仿真流程

Vericut模拟仿真软件是一款专为制造业设计的CNC数控加工仿真和优化软件[5-6]，其取代了传统的切削实际试验部件的方式，通过模拟整个机床的加工过程，校验加工程序的准确性，并帮助用户清除编程错误，改进切削效率，减少工件在机床上的调试时间。该软件采用了三维虚拟数控机床仿真加工技术，在虚拟仿真加工过程中能够提供足够的数控加工信息，尤其是在建立整体数控机床(包括床身、夹具及刀具等)和加工零件毛坯的实体几何模型时，采用真实感图形显示技术，把加工过程中的机床和零件动态地显示出来，具有与实际切削加工相同的效果。Vericut软件具有尺寸检查功能，在虚拟仿真加工结束后，可以对工件尺寸和形状进行测量，根据测量结果再次修正程序，保证数控加工程序100%正确。Vericut数控加工过程仿真流程如图8所示。

图8　Vericut数控加工过程仿真流程

3.2.2仿真软件MasterCAM X数控加工三维实时仿真技术

MasterCAM X数控加工三维实时仿真技术利用计算机图形技术，通过动画的形式、形象，直观地模拟数控加工的切削过程[7]。首先生成一个毛坯，然后根据数控加工指令(NC代码)，通过插补运算得到加工轨迹坐标来驱动刀具与工件相对运动，并生成动画，在屏幕上呈现数控加工的实时动态仿真，工件中被切除部分是通过重新涂色来实现的。另外，在实现动画的过程中采用了双缓存技术。在绘图前先分配前、后2个缓存区，绘制时先将图形绘制到后台缓冲区(即虚屏)中，然后通过交换前、后缓存区，将后台缓存区中已经绘制好的图形直接送到前台缓存区，由显示设备完成图像的屏幕显示。此时，应用程序已经在后台缓存区中绘制下一幅图像了。如此反复, 屏幕上总可以显示已经绘制好的图像，而看不到绘制的过程。虚拟仿真三维结果与设计结构三维模型对比如图9所示。

图9　虚拟仿真与设计结构对比

通过上述2种虚拟三维仿真和设计结构的对比，可以确定该数控加工程序的正确性，通过设置不同的颜色，可以显示不同的加工效果。

4　结语

薄壁腔体的制造应根据工艺条件，找出加工的特点，分析制定合理的加工方案。在该零件的制造过程中，采用了多种数控方案，尤其是对数控编程技术有更高的要求，从中运用对称铣削，多种仿真技术手段，确保了零件的正确性和高效性。

[1] 刘一聪. 薄壁零件的数控加工策略[J].企业技术开发,2011(11):74-75.

[2] 赵永红. 圆柱铣刀铣削力过程的物理建模[J].新技术新工艺,2012(9):7-10.

[3] 康亚鹏.MasterCAM X数控加工自动编程[M].北京：机械工业出版社，2006.

[4] 王再尧. 钛合金盒体的数控加工工艺研究[J].航空制造技术,2010(21):54-56.

[5] 杨胜群. VERICUT数控加工仿真技术[M].北京：清华大学出版社，2010.

[6] 陈贞奇，刘涛.基于VERICUT的数控加工仿真验证[J].新技术新工艺,2015(3):47-49.

[7] 戴向国，于复生，刘雪梅. Mastercam 9.0 数控加工基础教程[M]. 北京：人民邮电出版社，2004.

责任编辑马彤

CNC Machining and Simulation of Thin Wall Cavity Parts

ZHAO Yonghong, BAI Haifeng, ZHENG Jie

(No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230031, China)

The deformation of large thin wall cavity is a difficult problem to solve. Through the analysis of the structure of the thin wall cavity, reasonable process, and making special fixtures and tools, optimize cutting parameters of the thin wall cavity in NC machining, and then improve the cutting path and make series of numerical control program. Using the numerical control simulation technology can ensure the correctness of the program. Finally, using the simulation model compare with the design model effectively prevents cutting problem and interference in the process of cutting, greatly reduces the quality cost, and shortens the processing cycle.

thin wall cavity， NC machining process， machine tolerance， NC machining simulation

TG 659

B

赵永红(1977-)，男，工程师，主要从事高速数控加工工艺等方面的研究。

2016-02-29