基于物理仿真分析技术的车加工解决方案论文
近几年高性能航空发动机上关键零部件结构要求越来越复杂，新材料、新结构、新工艺越来越多，对零件制造提出了较高的要求。随着虚拟制造技术的不断发展，仿真分析技术在航空制造业的应用也越来越广泛深入。仿真分析技术可以分为两大类型：几何仿真和物理仿真。
人们熟知的“加工碰撞干涉检查”属于几何仿真的范畴，其主要是利用VERICUT等仿真加工产品，通过虚拟现实的方式构建数控机床、刀具、夹具和毛坯模型，在刀位数据或NC代码的驱动下，模拟金属切削加工中走刀轨迹和材料被切除的过程，使用户以直观的方式对工艺规划的合理性进行评估，对数控加工程序是否存在干涉进行校验。几何仿真的主要优点是通过验证加工程序的正确性，进行干涉检查，避免机床部件与夹具和零件的碰撞，减少在零件上试切的时间。
但是，在加工中仍然有很多问题是几何仿真无法解决的。例如，很多难加工材料在加工后容易出现变形、应力集中、表面有震纹等质量问题，但是由于几何仿真假定被加工零件是刚性的，不考虑零件加工过程中诸如温度、材料或者刀具磨损等物理属性，因此解决不了上述问题。要解决这类问题，还需要开展物理仿真分析技术研究，通过对工件、刀具、材料属性和加工环境等进行的综合分析，得到加工过程中的切削力和温度等数据。
本文所研究的物理仿真分析，能够帮助用户合理地匹配加工参数和刀具，对数控加工的程序进行优化或提供解决方案，从而减小切削力和零件变形等。所有这些都大大减少了昂贵的切削试验，降低了加工成本，提高了加工效率和机床利用率。
事实上，目前市场上的物理仿真软件很多，如ANSYS或DEFORM等，这些系统的主要工作对象是高等院校或专业研究机构，他们通过应用这些物理仿真软件进行理论研究，而真正在制造企业进行应用研究并取得成效的，还不多见。本文是以TWS（Third Wave Systems）公司的AdvantEdge软件为工具，应用FEM和PM两大模块开展综合的研究和分析工作。其中，AdvantEdge FEM主要用于优化金属切削工艺。在加工过程中，可以有效地提高零件质量，增加材料去除率，延长刀具寿命。利用AdvantEdge FEM可以减少试切次数和成本，快速得到最佳的加工参数，使产品快速市场化。AdvantEdge PM主要用于工艺分析，尤其适合于难加工材料、贵重的加工材料或无法做试切的情况下，对数控加工方案或NC程序进行优化，可以提供给客户一个趋势性结果，帮助客户做出加工决策。
一、主要技术路线
由于物理仿真分析在同行业中几乎没有成功的经验可以借鉴，因此笔者所在单位的技术人员通过一段时间的摸索，才确定了一套适合本企业的技术路线。针对航空产品来讲，首要需要解决的问题是加工参数的选择和加工质量的提高。
根据这两个技术难点可以制定以下方案。
（1）分析零件加工工艺，收集零件关键位置的加工参数及工况信息。
（2）在物理仿真环境下构建零件的微观切削模型，并输入材料性能和加工参数等信息，进行分析计算，得到零件加工过程中的切削力、温度、应力分布和切削状态等参数，并据此结论得到一组优选的切削参数，合理选择刀具。本过程主要使用FEM进行分析，分析流程如图1所示。
图1 FEM分析流程
（3）根据选择的加工参数和刀具等编制数控加工程序。
（4）对数控加工程序进行物理仿真分析。通过输入机床关键参数、零件模型、NC代码和加工环境等参数，优化数控加工程序，得到零件加工过程中的宏观受力。根据分析结果，在使零件负载均衡的前提下，不仅可以对加工方案进行调整，而且可以在物理仿真环境下，对数控加工程序进行优化处理。本过程主要使用PM进行分析和优化，分析流程如图2所示。
图2 PM工作流程
其中第（2）步和第（4）步是物理仿真分析工作的重点。在应用过程中，要结合零件的特点灵活运用，按加工需求，有重点、有针对性地进行分析，并非一定要完全按上述步骤操作。
FEM需要的信息相对比较精确，而且输入的参数越完整，分析的结论越接近实际效果。PM输出的结果可以是一个大致趋势即可，但是对NC程序的代码和格式要求较严格。
二、仿真分析实例
笔者下面以某涡轮盘车加工为例进行分析（图3），该零件材料为高温合金，加工后零件极易变形，属于典型的难加工材料。由于实际加工中每个位置的加工余量和走刀方式等都不一样，加工参数也不一样，因此需要分别进行分析。
图3零件结构简图
1、应用FEM优选加工参数此处仅以该零件加工的参数分析举例说明。FEM是通过构建零件的微观模型及有限元分析模型来进行分析，因此分析时需要将模型进行微观简化。图4为加工参数示意图。表1为准备的三组加工参数。
如图5所示，每张图上面的色带表示加工时的温度状态，下面的曲线中，X方向（红色曲线）为零件所受的切向力，Y方向（绿色曲线）为零件所受的轴向力，从三组参数分析可以看出，影响零件表面温度和组织状态的主要是进给速度，进给速度越快，刀具和零件被加工表面的温度越高。而影响零件变形的轴向受力是切深，当切深由0、5mm减小至0、25mm时，轴向切削力由900N减小至400N左右。零件所受的切向力变化不明显，量值比轴向力小很多。
图5所示的结果仅仅展示了仿真后的温度和受力情况，还有零件及刀具表面的应力、应变等云图和切屑状态等，由于篇幅原因，就不再一一详述，所有分析结论都为加工参数和刀具的选择提供有利的数据基础。
2、应用PM优化数控加工解决方案
FEM分析后，选择的加工参数和刀具可以用作数控程序编制的依据。PM则是对数控加工程序进行分析。通过PM物理仿真分析，可以预先发现工艺方案中存在的问题，及时对输入的数据进行修正，重新定义仿真环境，直至对工艺方案和加工参数等进行优化至满意为止。
首先，为了验证PM分析的准确性，笔者到现场搜集了涡轮盘普通设备加工的走刀路线、加工刀具和加工参数等信息，并与数控加工的参数进行了对比分析。图6是加工辐板内腔的一个对比分析，左侧图a、图c、图e和图g反映的是普通设备加工情况，右侧的图b、图d、图f和图h是数控设备的加工情况。各个方向的力峰值对比见表2。
通过分析表明，普通车床加工产生的力普遍比数控车床加工产生的力要大，而且是成倍增长。普通车床加工采用成型车刀进行加工，数控车床使用标准刀片进行加工。成型车刀与零件的接触面积较大，去除材料体积大，因此产生的力也较大。而使用标准刀片，则可以合理地对刀轨进行分布，去除余量较为均匀，因此受力比较均衡。分析结果与实际加工结论是一致的。
编程人员编制的数控程序往往是从切削开始到切削结束，始终是一个恒定的进给。PM优化数控程序主要是根据零件受力的不均衡，对进给速度进行优化，而对进给进行优化，需要根据分析结果确定以下参数。
（1）优化部位。该部位包括快速进给和切削部位等，一般地，技术人员会将快速进给部位设成G00，不参与切削，因此不需要做优化。而切削部位进给值的优化也可以确定在某一段程序段中。
（2）优化时零件的受力范围。原始程序分析完之后，如果有问题，总是会有受力大小突变比较明显的.位置，这也是零件比较敏感的位置，需要进一步进行优化。根据原始程序的分析结果，在优化时，需要给定零件一个合理的受力范围，这样系统在优化时会根据这个给定的范围对进给进行重新设定，从而使得分析出来的受力曲线图比较平稳。
（3）优化后进给值范围。系统根据设定的进给值进行优化，最大进给值应大于零，否则就不会按设定值进行优化。
图7为PM数控程序进给优化界面。
以涡轮盘的一个车加工程序为例，刀具轨迹如图8所示。
通过分析得到的切削力曲线，如图9中的红色曲线所示。
根据得到的切削力，基于均衡载荷原则进行优化，优化后的曲线为绿色曲线。可见，优化后的加工程序，不仅缩短了加工时间，而且切削力更加均衡。仅从数值上比较，加工时间从606s减少到360s，加工效率可以提高40%0 NC程序应用PM分析后，可以不进行优化，通过调整加工方案，改变零件的加工余量，使零件受力区域均衡。笔者针对车加工部位的不同进行了分析，并总结出了基于车加工特征的解决方案。
（1）直线。刀轨为水平或垂直方向直线，在余量均匀，切削参数恒定的情况下，理论上切削载荷均匀。因此可根据零件刚性情况，通过减小进给速度和切削深度来减小载荷，从而减小零件变形。
（2）斜线。刀轨为斜直线，当余量均匀的时候，轴向和切向切削力变化不大，可以看成相同。斜线走刀的时候，需要把余量留得均匀，这样切削力比较稳定。斜线走刀时，要考虑零件的刚性来选择合理的走刀方式。
（3）圆角。圆角分为凸圆和凹圆，在圆角的部分，由于切削量及切削角度的变化，切削力会发生很大的变化。在车加工发动机轮盘辐板时，要特别注意，因为在凹圆角处，轴向力较大，对于刚性较弱的长辐板影响较大。制定加工方案时，应先把圆角处的余量处理一下，尽量变小，再将圆角处进给量设定减小，大约为正常切削进给的1 /3左右。
（4）拐点。在拐点处切削体积较大，因此容易发生切削力的突变。而且，在拐点处还存在应力集中，加之切削力比较大，所以需要考虑零件的刚性来选择处理方式。建议编程时，在拐点处尽量选择圆弧走刀方式，并在加工前先处理拐点处余量。
三、结语
目前很多加工参数的选择仍然需要现场试切获得，试验成本极高，并造成不必要的资源浪费。航空发动机产品制造迫切需要物理仿真分析技术的应用和推广。本文提出了一种结合FEM和PM两种物理仿真模块对车削加工过程进行分析的方法，解决了几何仿真解决不了的诸多问题。本文提出的方法具有参数研究功能，可以进行切削速度、进给量、前角及切削刃圆弧半径等参数的研究，同时对数控加工方案的制定，数控加工程序的优化，提高零件质量、精度等都具有现实的指导意义。
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