第3期2017年3月
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
钢水包No. 3
Mar. 2017
文章编号：1001 -2265(2017)03 -0144 - 04
D01：10.13462/j. cnki. mmtamt. 2017. 03.037
郑智贞\袁少飞\董芳凯\白云鑫\张余升2
(1•中北大学机械与动力工程学院，太原030051;2•上海航天设备制造总厂，上海2〇〇245)摘要：针对航天零件结构复杂，孔、腔繁多，复杂曲面较多，加工周期长，调试程序时间长等问题，选取 一种新型典型航天阀门壳体零件为研究对象，研究了工件仿真加工和切削参数优化的的全过程，利 用V E R IC U T 软件强大的仿真功能，实现了刀轨仿真和机床加工仿真的同步显示。接着对加工程序 的走刀速度进行动态优化，在实际加工中工件粗加工采用恒体积去除优化方式，精加工阶段采用等 切削厚的优化方式，在软件模块进行设置，完成程序的优化。最后经过实验验证，表明优化后的程序 完全可以满足加工的要求，加工效率较之以前提高了 29.53%。实际生产过程中采用该优化方法和 仿真可以提高加工效率。 关键词：阀门壳体零件；虚拟加工；切削参数优化；加工仿真 中图分类号:T H 16;TG 506 文献标识码:A
Cutting Parameter Optimization and Simulation Verification of Aerospace Valve Shell Parts
ZHENG Zhi-zhen1 ,YUAN Shao-fei1 , DONG Fang-kai1, BAI Yun-xin1, ZHANG Yu-sheng2 (1. School of Mechatronic and Power Engineering, North University of China,Taiyuan 030051, China ；2. Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer, Shanghai 200245 , China)Abstract ： In view of the high processing requiremens of aerospace parts, the complex structure, and the hole and the cavity,and the complex curved surface is more, the processing cycle is long. Based on the model of aerospace valve shell parts as the research object, The whole process of machining and cutting parameters optimization is studied, and the VERICUT software is used to simulate the tool path simu
lation and machining simulation. Then go to knife speed machining program for dynamic optimization, in the actual machining workpiece rough machining with constant volume removal optimization methods, finishing stage by cutting thickness optimization methods, set in the software module, complete the optimization program. Finally ,the experimental results show that the optimized program can meet the processing requirements, and the processing efficiency is improved by 29.53% compared with the previous. In the actual production process, the optimization method and the simulation can be used to improve the machining efficiency.Key words ： valve shell parts ； virtual machining ； program optimization ； processing simulation
〇引言
随着我国航天技术的快速发展，阀门壳体新型零 件整体结构得到了广泛的应用[1]。在飞机上运用此系 列零件可以有效的减少飞行器的连接数目，缩短装配 周期。但是阀门壳体零件孔腔繁多，结构复杂，去除材 料量大，程序调试时间长。由于在平时加工时五轴机 床的稀少和国产化的要求，所以采用三轴机床进行加 工。而在加工多采用试切法，在试切的过程中，不但要 占用机床的工作时间，同时需要机床操作员在整个过 程中对机床进行检查和监控，浪费了大量的时间。
而在近年来虚拟加工技术快速发展，利用虚拟加
工对航天复杂件进行虚拟仿真加工可以减少对机床的
占有率，提高加工的效率。而且切削参数的优化减少 了加工时间，x t 提高零件的加工效率有着十分重要的 意义。
目前，国内对VERICUT 的优化功能进行了深人的 研究，包括仿真系统的建立、优化参数的设置等。但大 多数应用软件的优化模块进行单一的优化，且优化后 的程序少有进行验证的，因此不能确定程序优化后是 否合理，也没有验证程序优化后的可行性[2]。本文在 仿真加工的基础上，粗加工阶段采用恒体积优化方式， 精加工阶段采用等切削厚的优化方式，对加工程序进
收稿日期:2016-10-12；修回日期:2016-11-21
作者简介：郑智贞（1970—），女，山西神池人，中北大学硕士研究生导师，研究方向为数字化制造技术研究，（E -
mail )hyt 97@ 163. com ；通讯作者:
袁少飞（1991 一
），男，山西河津人，中北大学硕士，研究方向为机械装备产品数字化设计与制造技术，（E -mail )1195943102@qq .C 〇mD
2017年3月郑智贞，等：航天阀门壳体零件的切剤参数优化与仿真验证• 145 •
行优化，并验证了优化后程序的可行性，缩短了加工时 间。对同类零件提高加工效率有着很好的借鉴意义。
1 N X9.0环境下阀门壳体零件的仿真加工1.1结构特点分析位上：结构'会采取不同的加，工策略，包括粗加工%率鑛加工和精加工，由子阀门壳体零件外表结构复杂，走 刀需要综合多个因素，对于要进行合理的设计m。根据设计好的加工X•序，在U G里完成加|程序的编写和后置处理B
阀门壳体零件（图1)主要用来控制流体的方向、压力、流量的装置，是用来控制设备内介质流动或停止 并能控制流量》.该零件主要由法兰、腔体、密封槽和螺 纹孔等特征，法S其密封和连接的作用，而腔体主要控 制液态或肴气体的流向》
分丝辊图1阀门壳体零件图
1.2工艺分析
在零件切削加工前，首先要对零件的特点进行分 析，制定合理的加工工艺以方便旭工程序的编釋。
如图2所氣要加工如图所®的零件需要加工的毛坯规格为枳〇〇X16〇的棒料，材质为5A〇6，完成加
X零件需要需要五个方向进行加工，如图2所示，为加 30：序流程图。需要说明的是，该加工实验主要验证 虚拟加工程序的可行性和优化的可行性。考虑加工成 本和时间，加工过程仅完成阀门壳体零件的加工第一 个太工序，即只加工零件的外部恃征。
图2加工工序流程图
如图.2所示:，零件的外表面：加::1要经过五个位. 的加i，每个工位都会经过粗加工、精加i，由于每个 3：位可能会经过多步加工，期间会经过多次换刀。最 后加X所需要的刀：具有D80端统刀，D20立铣刀，D10 立铣刀，D6r3的球头铣刀各一把。
根据上述的阀门壳体零件加1流程图，在加：|中制定合适的加工策略。根据数控加工程序尽量集中的原则，在分别进行五个工位进行加I时，每个0C 2切削参数优化
在工件加工的过程中，生产效率的提高可以降低
成本、而鄭_时间的减少"以提顧生产敏率在, TCr iC U t软件设置好毛坯、机床、程序和刀具后彳X件加 ：工时间；主要由I主轴转速二切削深度人进给量F、切削 .宽度戶等麗素决定的，如果忽略次的要：菌素对加t c的 影响g工許加工的时间为；
T=[S,F,A,P)⑴理论上说，上式中内的参数可以取值越大，加工效 率也越高^俱是在实地加工甲，毎把
铣苁在.加1工袢 时都有其极限参数值，不可能让每个参数无限的提高。因此在设定合理参数值时，每个参数都应该在合理的 范围值内不至于偏离实际太®。在限定好参数值后，选取进给i f作为优化的变毫p
2.1优化原理
.上述i f f加^中/每道工序都会有精加3；和粗 爾工的阶段，粗加工主聲H鲁除材料为主，而精加工細 以保证加工质暈为主。在每道工序中本同的加工阶段 采用不同的优化方法不仅可以减少加工的时间，还能 保护刀体。一般的程序加工中提前设置好了进给量，不能根据实际加工的情况进行调整。粗加工酚段采用 恒体积去除优化的方法，在工件加.工过程中，单位时间 内材料去除靂j
Q = F -A - P(2)其中，F为单位时间进给量为切削深度
;JP为切
削宽度0：
在实际加工1中，毛坯的外部轮廓不可能与I件轮 廓完全相同,，但是在加工过程中，切削宽度P和切削 深度乂不变，只能通过改变进给：暈来保证体积的恒定a 此种优化方式在粗加 工阶段可以在体积大的时候降低 进给1議，避免切削最过大的情况，从而可以保护刀具和 机床_。
每次租加工后加工的表面会留有一定的余量，而 旦表面粗糙度较高。因此精加工阶段采用等削厚优化 方式优化方式，自切削厚度大f指定的切削厚度时，进 给量变低選切削厚度大于切削厚度时，进给量变高。等切厚的切削方式可以使刀具切削状态保持在较为稳 定的状态，切削力平稳，保证了表面加工质瘇s
2.2程序优化
根据上述的优化原理和工艺规划的过程，分析每 个工序的粗加工和精加工的过程，这个过程中选用的 刀具，在每把万具下设置进歡量IF和解析距离两个方 面的设定，完成优化方法的设亶[2]，完成所有工序的优 化工作。如图3 ~图5
为设置方法和优化的结果。
• 146 •组合机床与自动化加工技术第3期
消声室制作
图3切削参数优化设置
图4设置解析距离
图5优化时间对比图
图5为优化前后时间的对比圈5采用w.ricut_优化 程序后，每个工序的加工时间有f定的减少。
3零件的仿真加工
创建仿寘加工过程是实现整个虚拟力O：仿真过程 的核心，因为在进行仿真加j后才可以对设计的程序 和刀路轨迹进行验证，并且在仿真的过程中对可能出 现的干涉、碰撞，对程序进行修改|。图6为仿真加工 的流程图。3.1仿真模型的建立
打开rericut软件，建立新的项目命名为“阀门”，建立和编程中相对应的工說1，2，3，4，5D对每个：]：位 中的机床选择“hass j!2’*，控制系统选捧“liass._mini-mill%在每个疋位中添加每步加工时所
需要的毛坯和 零件面，建立和程痒中_相对處的四杷刀_具，掭加G■代码程序和坐标系的创建，完成每个工佼上对机床控制 模型、控制系统、力具和坐标系的创建^。
3.2 Vericut仿真验证
进人软件，选取工位1现用,，其他|位不选择，重 置模型，模拟零件第一个加工仿真，观察加C C运动时的 刀具运动轨迹、干涉和|件的过切情况等出现的状况，对加j f5出现的向题，及时的修改輯序，避免食实体加 X中出现的模拟中遇到相似的问题。
分别选取工位1、2、3、4、5，可以得到每步工序每—把刀的走刀路线，并:a发生碰撞、超行程等错误时，系统会自动给予警告提示。根据模拟加丈中出现的问 题，对加工程序进行修改达到仿真中没有错误。仿真 过程中若出现问题可及时的改正N C代码，，直到程序 完全的正确，经过仿真验证的程序不仅避免了加X中心刀具的损伤，还减少T经常停机观察加:£的浪费的 时同，.藝象程度上搞翕了欢率B
在使用优化后程序进行仿真后，通过质：量裣测命 令对加HI后的零件进行检测后，查看过切和欠切的部 分，在交互式优化模式分析的命令里对过切部分的程 序进行修改，以达到要求的程度。
4加工实验验证
在加工仿真后，为了验证仿真的准确性，我们进行 实体的力t t X M o
在haas v f~6立式加工中心分别采用优化前的程序 和优化后的程序进行了零件的加工。需要D SO端铣 刀，D20端统刀，D10立铣刀，D6r3球头铣刀各一把。毛坯采用两个批〇〇x160的圓柱棒料铣成。
将U G编程好的程序经过后处理后导人lmas v f-6立式加31中心对毛坯进行：加0：，记录加工中錄个工序 所用的时间，图7为加i过程；利用V e ric u t虚拟加 环境，根据程序优化原理，完成优化工作，将优化后的 程序输人机床中进行加工，记录加工財每个X序所用 的时间，图8为程序优化前和优化后的加工实物D
图7
千斤顶设计
零件加工
2017年3月
郑智贞，等：航天阀门壳沐零件的切削参数优fc 与仿真验证
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图8
加工对比图
加工过程中记录下，各个工位加工前程序和优化 后程序的加工的时间如表1所示。
优化前和优化后都完成了零件加工，加工要求完 全符合设计要求。分析表格中的数据可以看出，优化
后的程序在加工时间在不同的程度上都有一定的减 少。总体而言，v e ric u t 加工模拟可以较为准确的验证 零件的准确性，采用优化程序加工时间相较于原程序 加工效率提高了 29. 53%。
表1
程序优化前后时间对照表
楼宇对讲门禁系统工位优化前加工时间 Tl / m in 优化后加工时间
T
2/ m in
优化率
AT/TI
1363113.89%2161318.75%3594620.03%41258432. 8%5
123
79
35.77%
通过加工实践验证，零件的加工过程与仿真虚拟
加工过程吻合，验证了零件加工在一般加工过程中仿 真虚拟加工运用的可行性和优化的必要性。
5结束语
本文以航天复杂件阀门壳体类零件为例，完成了 数控零件的加工程序的编制，利用V e ric u t 软件进行加 工的仿真，并且根据程序优化原理对刀具运行轨迹进 行了研究优化和仿真验证，最后进行为了验证仿真的
准确性进行了实体加工验证。加工结果表明，虚拟仿
真加工可以及时的更改程序的错误，保护刀具和机床，程序的优化表明可以将路径分段，并在每段路径改变新的走刀速度，对走到速度进行动态优化，改变了传统加工中编程完后不能改变的缺陷。程序的优化使工件的加工效率得到提高，对加工材料去除量大的工件提 供一种降低生产成本的途径。
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(上接第143页）
(4) 铣削力&和F y 随进给率增加而增加，进给率
对铣削力圪和F y 影响比较明显，主要是进给率影响
ar台切屑宽度和厚度所引起的。
(5) 靠近盲孔底面横截面处位错随进给率增加而
增加，铣削力随进给率增加而不断增加。位错随进给 率变化和铣削力随进给率变化一致，位错现象是影响 铣削力的另一个重要原因。位错增加会增加铣削过程 中的铣削力。
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