基于Production Module 3D数控铣削仿真技术在钛合金主吊挂加工中的应用

吴东华， 邓志刚， 张德纯， 赵万岳， 丁代华

（1.中国航发贵州黎阳航空动力有限公司，贵阳 550015；2.湖南三一工业职业技术学院，长沙 410129）

0 引言

航空发动机制造技术是航空工业的关键技术，而吊挂作为发动机与飞机连接的关键核心零件，需要承受很大的力矩，要求使用寿命长，对于吊挂工作时的可靠性是满足发动机与飞机连接的关键，因此零件毛坯采用模锻件，加工工艺要求稳定可靠，尺寸需满足设计图样要求，零件装机前采用无损检测判别是否出现裂纹等[1]。目前，行业内对航空发动机吊挂的合格性判定只关注满足设计图样要求，对吊挂寿命和可靠性方面关注不够。对吊挂失效分析后发现，大多数为表面缺陷引起的微裂纹疲劳失效，而微裂纹最容易出现在切削力和切削温度突变的地方。

钛合金材料因其比强度高、密度低、耐腐蚀性能好等优越的物理及化学性能，在工程材料应用中占有很大比例，尤其是在航天、航空制造业等高端制造业中。但由于其导热性能差、弹性变形量大等原因，导致钛合金在加工过程中切削热难以散发、容易产生应力集中、容易与刀具后刀面产生严重摩擦。

主吊挂是航空发动机的重要零部件之一，主要采用钛合金和特种钢制造而成，从发展趋势来看，航空发动机吊挂用钛合金材料的比例正在逐步增大，作为受力零件，其制造符合性一直是关注的重点。同时由于钛合金材料的切削加工性能等因素的影响，使其在推广及应用中受到了一定的制约。

1 软件概述

Production Module 3D是一款基于有限元仿真的CAE软件，由Third Wave Systems公司于2005年开发面世。软件操作简单，能客观地反映零件加工过程中切削力的趋势，能对金属切削过程中的参数优化结果进行定量的判断，使编程人员及操作人员预先了解零件的加工过程，减少零件切削试验的时间消耗，提高加工效率。其主要特点如下：1）材料库中数据都是通过试验或AdvantEdge分析得到的[2]；2）可将刀具手册中的刀具参数直接录入软件的刀具表中，做到加工刀具参数一致性，同时根据刀具的材料在软件中选择对应的刀具材料，做到刀具材料的一致性；3）可进行三轴及多轴铣削仿真；4）可进行G代码和APT代码输入，有完整的机床后置处理可选择G代码输入程序，否则建议采用APT代码输入程序，可不受机床系统的限制；5）可以得到加工过程中的切削力、温度、功率等结果；6）通过优化进给量及切削速度对切削力及温度进行优化。

软件优化原理如图1所示，主要体现为消除加工中的峰值力保护刀具免受瞬时冲击，提升较低切削力至可控水平，从而提高进给速率，使加工过程更加平稳。

图1 软件优化原理

具体实现仿真的步骤如图2所示。

图2 实现仿真的步骤

2 加工实例

2.1 零件优化前信息

某吊挂零件材料为TA15，TA15是航空领域中使用最广泛的钛合金材料之一，其和45钢的主要力学和物理性能对照如表1所示。

表1 TA15和45钢的主要力学和物理性能对照

毛坯采用锻件，零件加工余量很大，且零件支撑面短，零件高度为131 mm，加工中常因切削参数选择不合理导致振动、崩刃，加工效率低，加工质量不稳定，刀具损耗大。该零件某批次共10件，从45工序的加工情况来看，加工周期为4 d，消耗5把ϕ20硬质合金立铣刀、3把ϕ6硬质合金立铣刀（刀具损坏大多是因为振动或者瞬时切削峰值力而导致的崩刃），零件工序加工内容如图3所示。

图3 零件45工序加工内容

2.2 零件数控程序的准备

编程采用UG和Mastercam软件相结合的方式进行[3]，采用FANUC系统的三轴加工中心和硬质合金刀具。为方便进行刀具路径的优化，每个操作均单独进行程序处理，因加工振动、崩刃均出现在外形铣削过程中，故对于孔加工程序优化不作讨论。具体加工信息如表2所示。

表2 加工信息

图4 各程序号对应的加工部位

2.3 程序优化

机床采用FANUC系统三轴加工中心（QP2033-L），机床控制采用G-code，按照机床参数说明书进行机床工作台参数、机床最高转速、最高进给速率、机床额定功率等设置。根据刀具编号查阅刀具品牌说明书，查询刀具相关信息。实施步骤如下：1）导入上一工序的STL模型作为本工序的毛坯，选择工件材料为TA15；2）导出毛坯模型时，让UG软件的WCS坐标系与加工坐标系一致；3）将O0144、O0145、……、O0151等程序导入软件，然后进行切削力计算。仿真模型显示图如图5所示，优化前刀具切削力显示图如图6所示。

图5 仿真模型显示图

图6 优化前刀具切削力显示图

程序切削力主要从以下5个方面优化：1）切向力。是大多数操作的主切削力，软件中最常见的刀具寿命和加工周期时间的变量，常用于大多数零件的开粗及精加工。2）径向力。推工具远离工件，可引起工具或工件偏转，常用于薄壁零件的精加工过程优化，用于控制零件的切削变形。3）轴向力。沿刀具轴向下，常用于钻孔、插铣、螺旋铣孔等操作的加工过程优化。4）主轴功率。优化特定机器的极限，常用于根据特定机床进行程序优化，使其更符合对应机床的加工特性。5）刀具接触长度产生的切削力（Load per Unit Length，LPUL）。与拉应力直接相关，常用于高温合金、粉末冶金、淬硬钢的加工过程优化，用于控制刀具的切削受力，减少刀具破损。

程序进给率主要从以下两个方面优化：1）最大切削进给率（Maximum In-Cut Feed Rate）。在切入或切削（in-cut）时允许最大进给，可以定义为线性进给（单位为mm/min）或每齿进给（单位为mm/tooth），可根据刀具手册查询初始数据。2）最大的空切削进给率（Maximum Air-Cut Feed Rate）。在空切削（in air-cut）时允许最大进给（当前切削力为0），用于限制G00的运行速率。

加工效率=（原始加工时间-优化后的加工时间）/原始加工时间×100%[5]。

程序优化设置如表3所示。

表3 程序优化设置

2.4 优化前后对比分析

粗加工优化后的加工效率相比优化前均有所提升，精加工的加工效率有所降低，但本工序的加工效率整体有所提升，降低了切削过程中的瞬时冲击峰值力，切削过程中的切削受力波动幅度变小，受力更均匀。

图7 各程序号对应的切向力-时间曲线软件截图

2.5 机床加工验证

将优化后的O0144.opt、O0145.opt、……O0151.opt等程序，重新导入FANUC系统三轴加工中心（QP2033-L），进行实物切削加工验证。该零件验证批次共10件，从45工序的加工情况来看，加工周期为2 d，效率提高了1倍（减少了装刀、换刀、对刀时间），消耗2把ϕ20硬质合金立铣刀、1把ϕ6硬质合金立铣刀（刀具损坏大多是因为刀具刀尖磨损，无因振动或者瞬时切削峰值力而导致的崩刃），减少了试刀的成本（降低了40%～60%）,缩短制造周期[5]，加工效果改善明显。

3 结论

在传统的机械加工过程中，无法得到确定的切削加工数据，只能凭借加工经验结合零件的实际切削情况进行判断，做出粗略调整，无法详细地调整大量程序的F进给值来对切削过程进行优化。通过对Production Module 3D软件进行切削力模型计算后，能直观地呈现每条程序对应的切削力、切削热等状态，对于程序加工过程能有直观的显现，能快速地对加工过程的瞬时冲击进行捕捉，减少对刀具的损耗，提高了刀具使用效率,降低生产准备时间[5]，使零件的加工过程更加平稳。