飞轮壳数控加工工艺优化及仿真

韩旭，兰海，王春，孙治成

(1.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028；2.大连创新零部件制造公司，辽宁 大连 116028) *



飞轮壳数控加工工艺优化及仿真

韩旭1，兰海2，王春1，孙治成2

(1.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028；2.大连创新零部件制造公司，辽宁 大连 116028)*

为了缩短某飞轮壳生产线时间节拍，对其瓶颈工序数控加工工艺进行分析，确定了其工艺不合理之处，提出了加工工艺优化方案.为了验证优化方案的合理性，运用了VERICUT数控加工软件对原加工工艺和改进工艺进行仿真模拟，并按照实际机床和刀具参数对VERICUT进行相应设置，保证了仿真的准确性.仿真结果证明优化方案正确可行，能够大幅缩短加工生产节拍.

加工工艺；VERICUT；优化方案

0 引言

飞轮壳是发动机上一个重要的零部件，其作用是连接发动机与变速器，承担发动机与变速器的部分重量，同时也是发动机重要的支撑部件[1].其结构特点是零件形状不规则，毛坯壁薄，刚性差等[2].飞轮壳加工质量的好坏对于发动机的可靠性和寿命起到重要的作用[3].目前，飞轮壳的生产较多采用数控加工方法，而加工工艺及加工路径的合理性直接决定了产品质量、精度及效率的高低.但是在实际加工中验证加工工艺成本较高、效率低下，耽误生产进度，为了更准确快速的验证加工工艺，需要专用数控加工模拟软件对加工工艺进行仿真.VERICUT是由CGTECH公司开发的数控加工仿真专用软件，具备同时进行刀具轨迹、机床运动及加工时间仿真功能[4]，可以直观、形象的展现数控加工的全过程[5]，并能对仿真后切削模型尺寸精度进行测量，保留切削模型供后续加工仿真使用[6].

本文为了缩短某飞轮壳生产线时间节拍，将其加工节拍从380 s缩短到350 s，对其瓶颈数控加工工序进行分析，确定工艺不合理之处，提出加工工艺优化方案，并利用VERICUT对飞轮壳优化前后的加工过程进行仿真，验证优化方案的正确可行.

1 飞轮壳加工工艺分析

1.1 原加工工艺

此次加工飞轮壳结构如图1所示，工件所用材料为ZL104，属于大型薄壁壳类零件.其结构特点是孔系多，刚性差，易变形、工艺性较差.下面是几处加工难点的原有工艺安排.

图1 飞轮壳结构

(1)铣A、M基准面，保证A、M面距离5.8±0.5；腹板厚度24±0.4.

工艺安排采用Φ63盘铣刀，一次精加工完毕.主轴转速为6 800 r/min，进给速度为3200mm/min，切深0.3 mm.

(4)加工2×M8-6H螺纹孔，工艺分为两道工序：①φ7.4钻头钻2×M8-6H螺纹底孔，保证直径φ7.4，深度19MAX.主轴转速为5 595 r/min，进给速度为1 678 mm/min;②M8挤压丝锥攻螺纹2-M8-6H，保证深度14MIN.刚性攻丝转速为600 r/min，进给速度为750 mm/min.其中，M8挤压丝锥材质为高速钢.

(5)加工3×M10-6H螺纹孔，工艺分为两道工序：①φ9.2钻头钻3×M10-6H螺纹底孔，保证深度34MAX.主轴转速为5 192 r/min，进给速度为908.5 mm/min;②M10挤压丝锥攻螺纹3-M10-6H，保证深度25MIN.刚性攻丝转速为600 r/min，进给速度为900 mm/min.其中，M10挤压丝锥为高速钢.

1.2 原加工工艺问题分析

虽然此次加工的飞轮壳已大范围投产，但其加工工艺性仍有不合理之处：

(1)铣A、M基准面时刀具加工路径不合理.在加工中，加工路径并不是按照最短距离编制的，而且抬刀次数较多，空走刀时间较长，影响加工效率.

由于工序安排多，增加了工艺准备时间和加工时间，降低了生产效率.

(3)在加工M8、M10螺纹孔时，采用的是高速钢材质的丝锥，其切削速度与进给速度低，刀具使用寿命短，加工效率低.

1.3 加工工艺优化方案

基于以上几点不合理之处，本文对飞轮壳加工工艺做出如下改进：

(1)针对A、M面刀具加工路径过长问题，按照最短距离原则重新规划了刀具路径，减少抬刀次数，以缩短加工时间;

(2)设计制造新型金刚石镗刀，代替φ88.2孔粗镗与φ88.7孔半精镗刀具，将φ88.9孔加工工艺优化为两道工序;

(3)设计制造新型金刚石铰刀，代替φ17.6半精镗刀和φ18.02铰刀，将φ18.02孔工艺改进为两道工序;

(4)为了提高M8、M10螺纹孔加工效率，优化工艺选择用瓦尔特HP8061716-M8、HP8061716-M10硬质合金挤压丝锥.加工M8螺纹孔时，主轴转速由原来的600 r/min提高到2 300 r/min，进给速度由原来的750 mm/min提高到2 875 mm/min.加工M10螺纹孔时，主轴转速由原来的600 r/min提高到1 900 r/min，进给速度由原来的900 mm/min提高到2 850 mm/min.

通过以上优化方法，原加工工艺存在的不足将得到较大的改进.为了验证优化结果，本文运用VERICUT仿真软件，对原加工工艺和优化后的工艺进行了模拟仿真.

2 VERICUT加工仿真

2.1 VERICUT仿真设置

为了保证仿真模拟与实际加工相一致，对VERICUT进行如下设置：

(1)建立机床仿真模型，设置机床参数.X/Y/Z各轴行程分别设置为1 300、650、625 mm；换刀参考点设置为位置(0，0，825)；X/Y/Z各轴的最大进给速度设置为8 000 mm/min，快速移动速度分别设置为24、24、20 m/min，加速度分别为2700、2 700、2500 mm/s2.

(2) 导入毛坯、工件模型.根据实际加工中工件在工作台的位置设置工件、毛坯位置.建立工件坐标系、设置工件坐标零点偏置.根据实际刀具长度补偿值设置刀具伸出长度.

(3)设置退刀方式为Z轴退刀.添加换刀时间宏定义，根据实际切削对切削换刀时间4s，对M6添加“Cycle Dwell Time”和“Dwell Time”宏定义，并设置覆盖值为4，再添加“Dwell Macro”宏定义.添加主轴起停时间宏定义，根据实际机床主轴起始和停止时间0.44s，添加M03和M05“ Cycle Dwell Time”和“Dwell Time”宏定义，设置覆盖值为0.44，再添加“Dwell Macro”宏定义.

2.2 仿真结果

将原加工程序和优化加工程序分别导入VERICUT进行仿真模拟，原加工路径与优化加工路径分别如图2所示，加工时间如表1所示.

表1 仿真时间结果 s

图2 原加工与优化路径

2.3 仿真结果分析

根据以上加工路径仿真结果，不难看出，相比于原加工路径，A、M面优化后路径明显缩短，减少了抬刀次数和重复加工路径，刀具路径更加连贯，并且采用顺时针铣削方法，保证加工面的质量要求.

依据仿真时间结果，优化后加工时间比原加工时间缩短66 s， 其中A、M面加工时间缩短14.2s，φ88.9孔加工时间缩短27.2 s，φ18.02孔缩短11 s，M8螺纹孔缩短4.8 s，M10螺纹孔缩短8.8 s.可以看出，在优化刀具路径、改进 φ88.9和φ18.02孔加工工艺、选用硬质合金材质的丝锥加工M8和M10螺纹孔后，总体加工时间明显减少，效率提升较大.

3 结论

本文为了缩短某飞轮壳生产线时间节拍，对飞轮壳瓶颈加工工艺进行分析，确定工艺中存在的不合理之处，提出了优化方案.为了验证优化方案的合理性，同时避免由于实际加工验证而造成生产进度的延误，运用VERICUT对优化前后加工工艺进行仿真模拟.为了保证仿真结果的准确性，结合生产厂商与机床厂商对于机床及刀具各项参数的反馈数据，对VETICUT进行相应的设置，仿真结果验证了优化方案的合理性，实现了加工节拍从380 s缩短到350 s的目标.

[1]刘玉梅,潘为祥.飞轮壳工艺方案分析及典型夹具设计[J].制造技术与机床，2008(5):128-130.

[2]佀金生.飞轮壳加工夹具及刀具设计[J].现代零部件，2014(8):46- 47.

[3]王立萍. 柴油机薄壁件飞轮壳孔系加工工艺的改进[J].柴油机设计与制造，2008(2):43-45.

[4]牟小云. 基于VERICUT的数控机床建模技术[J].现代制造技术与装备，2008(1):55-57.

[5]王敏. VERICUT仿真软件在实际加工中的应用[J]. 机械工程师，2013(4):77-79.

[6]陈思涛. VERICUT仿真技术在数控加工工厂中的应用[J].现代制造，2010(5):76-78.

Optimization and Simulation of CNC Flywheel Housing Machining Technology

HAN Xu1, LAN Hai2, WANG Chun1, SUN Zhicheng2

(1.School of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China; 2.Dalian Innovation Manufacture Company, Dalian 116028, China)

In order to cut down the machining cycle time of a flywheel housing production line, the unreasonable machining process of the flywheel housing was pointed out, and optimization scheme was put forward through the analysis on the key machining process. In order to verify the optimization results, simulations of the original machining process and the improved process were conducted by using software VERICUT. To ensure the accuracy of the simulation, setup and configuration on VERICUT was accordance with the actual machine tool and cutters parameters. The simulation result shows that the optimization scheme is correct and reasonable and capable of shorten the machining cycle time of the flywheel housing.

machining process; VERICUT; optimization

1673- 9590(2016)06- 0076- 03

2016-04-29

韩旭(1988-)，男，硕士研究生；王春(1963-)，男，教授，博士，主要从事数控系统及数字化制造技术的研究

A

E- mail:han_xu88@126.com.