摘 要：在高端裝備智能制造技術(shù)大背景下，研究鈦合金Ti-6Al-4V葉片五軸加工仿真及FORCE程序優(yōu)化技術(shù)。用UG和VERICUT軟件構(gòu)建VTC160AN五軸加工中心仿真模型，并用該機(jī)床仿真模型執(zhí)行葉片的仿真加工過(guò)程。在考慮加工刀具和工件材料屬性的情況下，用VERICUT軟件FORCE模塊對(duì)加工程序進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：高端裝備；智能制造；鈦合金；五軸加工；程序優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

自美國(guó)1954年成功研制第一個(gè)實(shí)用鈦合金Ti-6Al-4V以來(lái)，該材料主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件，如壓氣機(jī)盤(pán)和葉片，其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的用量一般占結(jié)構(gòu)總重量的20%～30%。鑒于葉片等部件形狀的特殊性，其加工須采用五軸加工技術(shù)。通過(guò)UG等軟件自動(dòng)編程可獲得加工程序，且該程序可通過(guò)VERICUT軟件仿真模擬驗(yàn)證安全性，但該程序的關(guān)鍵切削參數(shù)基本是按經(jīng)驗(yàn)取得甚至未予考慮，導(dǎo)致實(shí)際加工過(guò)程中出現(xiàn)加工時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、表面質(zhì)量不優(yōu)、刀具磨損嚴(yán)重等問(wèn)題。因此，通過(guò)仿真技術(shù)對(duì)程序參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化在實(shí)際加工中有重要意義，這也符合當(dāng)今高端裝備智能制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

1.VTC160AN五軸加工中心實(shí)體模型構(gòu)建

VTC160AN五軸加工中心屬“3+2”結(jié)構(gòu)的雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸加工中心，X軸、Y軸、Z軸、A軸、C軸行程分別為560mm、410mm、510mm、-120°～30°、0°～360°，配置Maztrol640mn數(shù)控系統(tǒng)。

采用UG軟件構(gòu)建VTC160AN五軸加工中心實(shí)體模型，圖1即為構(gòu)建完成的機(jī)床實(shí)體模型。在建模過(guò)程中，有4點(diǎn)需要注意：（1）構(gòu)建機(jī)床實(shí)體模型尺寸必須與機(jī)床實(shí)際尺寸一致。（2）建模坐標(biāo)系原點(diǎn)應(yīng)與機(jī)床機(jī)械零點(diǎn)或工作臺(tái)中心位置一致。本文在構(gòu)建機(jī)床實(shí)體模型時(shí)將建模坐標(biāo)系原點(diǎn)定在工作臺(tái)中心位置（C軸上表面中心點(diǎn)）。（3）有不同運(yùn)動(dòng)的機(jī)床部件在實(shí)體模型構(gòu)建時(shí)不能合并為組件，如圖2雙轉(zhuǎn)臺(tái)中的C軸模型與A軸模型，其有各自不同的運(yùn)動(dòng)，不能合并。（4）機(jī)床模型輸出有“分部件輸出”和“整體輸出”兩種方式。其中“分部件輸出”有“STL（小平面體）”和“PLY（VERICUT多邊形文件）”兩種格式，“整體輸出”采用“STEP（實(shí)體格式）”?？紤]到機(jī)床仿真模型的構(gòu)建平臺(tái)為VERICUT軟件，所以，在利用UG軟件輸出機(jī)床實(shí)體模型時(shí)應(yīng)該采用“PLY”格式。

2.VTC160AN五軸加工中心仿真模型構(gòu)建

在UG軟件構(gòu)建機(jī)床實(shí)體模型的基礎(chǔ)上，利用VERICUT軟件構(gòu)建VTC160AN五軸加工中心仿真模型，關(guān)鍵注意如下幾點(diǎn)：

（1）分析VTC160AN五軸加工中部件運(yùn)動(dòng)關(guān)系。根據(jù)該機(jī)床的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，可以把機(jī)床分為“刀具分支”和“工件分支”兩個(gè)分支，其中“刀具分支”的拓?fù)潢P(guān)系為“X軸—Y軸—Z軸—主軸—刀具”，“工件分支”的拓?fù)潢P(guān)系為“A軸—C軸—附屬（包括夾具和毛坯）”，如圖3所示。

（2）調(diào)整相關(guān)組件的組件坐標(biāo)系位置。在VERICUT軟件平臺(tái)中，將兩分支中的“X軸、Y軸、Z軸、主軸、A軸、C軸”等稱為組件，且各有獨(dú)立的組件坐標(biāo)系，在添加為機(jī)床組件模型之后，由于這些組件是基于UG機(jī)床實(shí)體建模坐標(biāo)系導(dǎo)入的，組件坐標(biāo)系原點(diǎn)均與UG建模坐標(biāo)系原點(diǎn)（C軸上表面中心點(diǎn)）重合。這樣的結(jié)果對(duì)“X軸、Y軸、Z軸、C軸”是正確的，對(duì)“主軸、A軸”而言，需做組件坐標(biāo)系平移調(diào)整，如圖4所示，“主軸”組件坐標(biāo)系原點(diǎn)需移至主軸端面中心，移動(dòng)坐標(biāo)為（232.5，662，702），“A軸”組件坐標(biāo)系原點(diǎn)需移至A軸旋轉(zhuǎn)中心線中點(diǎn)處，移動(dòng)坐標(biāo)為（0，0，-70），移動(dòng)坐標(biāo)可利用VERICUT相關(guān)距離測(cè)量工具測(cè)量出來(lái)。

（3）機(jī)床行程極限與碰撞檢查設(shè)置。行程極限設(shè)置必須與機(jī)床實(shí)際行程一致，碰撞檢查設(shè)置主要是設(shè)置一個(gè)碰撞參數(shù)，當(dāng)?shù)毒吲c工件或機(jī)床工作臺(tái)距離小于該碰撞參數(shù)時(shí)，認(rèn)為碰撞發(fā)生，應(yīng)該產(chǎn)生警惕，是一種安全設(shè)置。具體操作是：在VERICUT菜單欄“配置”項(xiàng)下選擇“機(jī)床設(shè)定”，添加“X軸、Y軸、Z軸、A軸、C軸”行程極限及碰撞參數(shù)，如圖5、圖6所示。

3.鈦合金Ti-6Al-4V葉片加工仿真

在UG軟件中生成葉片加工的刀具軌跡并后置處理成NC代碼程序。按照參考文獻(xiàn)1中葉片加工仿真過(guò)程，基于VTC160AN五軸加工中心仿真模型對(duì)鈦合金Ti-6Al-4V葉片進(jìn)行加工仿真，如圖7所示，毛坯尺寸為“105×55×100”，刀具選擇球頭刀D12R6。

仿真過(guò)程過(guò)切、殘留及碰撞干涉檢查是必需的。在菜單欄“分析”下選擇“自動(dòng)-比較”，VERICUT軟件會(huì)自動(dòng)檢查加工程序是否存在過(guò)切、殘留及碰撞干涉，檢查結(jié)果會(huì)以不同顏色顯示，如圖8所示。如果存在“過(guò)切、殘留或碰撞干涉”現(xiàn)象，說(shuō)明加工程序有問(wèn)題，需分析如何調(diào)整并返回修改程序。

4.FORCE程序優(yōu)化

VERICUT軟件Force模塊是一種基于物理性能的優(yōu)化方法，通過(guò)分析刀具的幾何外形和參數(shù)、毛坯和刀具的材料屬性、具體的切削刃幾何形狀以及VERICUT中每一刀的切削接觸狀況，計(jì)算出理想的進(jìn)給速度，并通過(guò)一系列專用的材料系數(shù)來(lái)計(jì)算材料的受力以及摩擦和溫度的影響，在NC程序中插補(bǔ)入合適的切削條件。

鈦合金Ti-6Al-4V在切削過(guò)程中具有變形系數(shù)小、切削溫度高、單位面積上的切削力大、冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重、刀具易磨損、硬度小于HB300易粘刀等切削特點(diǎn)，從降低切削溫度和減少黏結(jié)兩方面考慮，選用紅硬性好、抗彎強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能好、與鈦合金親和性差的刀具材料，YG類(lèi)硬質(zhì)合金、金剛石和立方氮化硼比較合適。這里選用德國(guó)Emuge-Franken工具商提供的YG類(lèi)硬質(zhì)合金D12R6球刀，該刀具建議切削條件為：轉(zhuǎn)速2120r/min、進(jìn)給速度650mm/min、切削深度0.72mm、受力極限130N、每齒進(jìn)給量0.01mm～0.05mm。endprint

圖9為用VERICUT FORCE模塊分析計(jì)算出當(dāng)前加工程序的刀具受力圖，從圖中可以看出，刀具受力不均勻且有部分區(qū)域接近甚至超出刀具受力極限（最大受力達(dá)到150N以上，超出刀具受力極限130N），這會(huì)加劇刀具的磨損，進(jìn)而影響加工表面質(zhì)量。

VERICUT軟件在推出FORCE模塊功能時(shí)，經(jīng)切削實(shí)驗(yàn)做了大量材料系數(shù)供用戶使用，可以在圖10中將加工材料選擇為T(mén)i-6Al-4V，圖11設(shè)置選用刀具的切削條件，程序自動(dòng)優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如圖12所示，相比優(yōu)化前，優(yōu)化后刀具受力更均勻了，且不超過(guò)100N。

從圖13中可以看出，程序優(yōu)化之前進(jìn)給速度保持不變，這就會(huì)造成在切削過(guò)程中刀具軸線與加工表面角度的變化而引起刀具受力的變化，程序優(yōu)化之后進(jìn)給速度隨著刀具軸線與加工表面角度的變化而不斷調(diào)整，以保持較穩(wěn)定的切削力（見(jiàn)圖12）。

圖14顯示，優(yōu)化前程序加工時(shí)間為82min，優(yōu)化后程序加工時(shí)間為57min，加工時(shí)間縮短了30.4%，大大提高了加工效率。

圖15顯示，優(yōu)化前零件表面部分區(qū)域刀痕明顯且不光滑，優(yōu)化后有較大改善。這主要是因?yàn)榍邢髁ο鄬?duì)穩(wěn)定之后，刀具偏擺的變化很小，表面處理質(zhì)量更好。

結(jié)論

用VERICUT軟件對(duì)鈦合金Ti-6Al-4V葉片進(jìn)行五軸加工仿真，能夠驗(yàn)證程序的安全性。進(jìn)一步使用其中FORCE模塊，可根據(jù)刀具及材料特性，對(duì)加工程序優(yōu)化，調(diào)整加工過(guò)程中的進(jìn)給速度及刀具受力，提高加工效率和質(zhì)量，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等高端裝備智能制造有重要實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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