叶片零件数控如何加工

　　摘要:叶片零件作为现代高端制造业(航天、航空、航海)动力设备的核心部件，传统的制造工艺并不能满足高端叶片加工的需要，新型数控机床在加工精度、效率方面有了显著性的提升。计算机仿真技术的发展加快了高端制造业的发展，本文主要针对叶片零件的数控加工的仿真技术进行研究，从叶片加工的工艺设计、加工制造过程(切削过程)以及对加工过程中可能的误差点进行分析，利用仿真过程解决了各个环节的虚拟执行过程，为实际工业生产过程提供可靠的数据支撑。

　　关键词:叶片零件;数控加工;计算机仿真;工艺设计;虚拟执行

　　引言

　　自上世纪中期MIT开发出第一代数控机床后，数控技术的伴随着信息技术的发展已经带动了国防工业、高端制造业的飞速发展，先进工艺的提升解决了传统工艺无法满足的制造条件。当前，国家提倡建设“智能制造”强国[1，4-5]，先进的数据化制造技术是未来实现工业4.0的基础，计算机仿真技术作为数控技术研究的补充，对数控技术的研究提供完整、准确的数据环境，并且为制造执行过程提供数据分析，为研究人员验证算法提供稳定的环境支撑[2-3]。叶片零件作为高端产品的核心部件，提升其精度、耐用度是产品竞争力的核心体现，主要体现在复杂产品空间自由曲面的加工精度以及后期人工修正的比率，当前国内对于叶片零件的加工主要采用数字机床，叶片零件加工的精度直接关系到最终产品的成败，如XXX驱逐舰的国产化主要取决于国产数控技术的发展，提升了国产内燃机的强度，促进了大型军舰国产化的进度。叶片零件的仿真技术主要通过计算机仿真工具对叶片加工过程进行模拟化，如采用计算机辅助制造技术(CAM)自动完成叶片加工路径规划、控制程序编辑以及校验、加工以及装配等整个流程的模拟仿真，并且通过记录过程数据对整个流程关键点进行实时分析为制造人员提供关键数据支持。本文通过CAM软件设计叶片零件的加工过程的仿真，并通过实际实验进行仿真结果分析[18-22]。

　　1叶片零件数控加工仿真

　　1.1有限单元分析法介绍

　　有限单元分析法是指将连续的整体单元通过离散成为有限数量(特定数量)的单元，而各个单元在边界处即可相互连接，而对于结果分析是通过单元受力结果的集合进行综合代替，该过程在工程力学的研究中被称为是有限单元法，最终的实际结果是否准确取(接近实际物理结果)决于有限单元结构的选取以及单元网络划分是否准确，而在实际工程中，为了提升分析结果的准确性，往往通过提高单元数量来提升结果的精度，但是该方法是以增加计算开销作为代价的。研究人员主要在确保满足工程精度要求的前提下，降低目标对象的复杂度，从而缩短分析、计算的时间。本文采用Ansys软件作为有限元分析工具，结合与CAD的三维模型数据的无缝接入，通过数据处理、计算分析以及结果处理三个阶段完成工程过程分析。其流程如图1所示。

　　1.2计算机辅助制造仿真

　　本文设计过程中采用UGNX的CAM模块进行辅助制造仿真，主要包含人机交互的工艺参数输入、刀具轨迹分析计算、刀具轨迹编辑、刀具轨迹仿真以及结果后处理程序构成。(1)工艺参数输入:该单元利用人机交互界面，将设计过程中所相关的工艺参数作为输入，包含毛坯、刀具、夹具等工艺参数数据;(2)刀具轨迹分析计算单元:该单元主要完成对工艺方法的制定，包含了业界主流的加工工艺，例如针对削铁工艺，包含单向切、双向切、环切等平面统削模式，并且利用投影法在刀面上通过控制刀具实现曲面加工;(3)刀具轨迹编辑单元:该单元主要针对在计算过程中出现的偏差问题进行临时参数更改解决过程中的问题;(4)刀具轨迹仿真单元:该单元主要完成对目标过程的仿真，根据实际工程处理过程虚拟相关零部件完成正流程的仿真执行;(5)结果后处理程序:该单元主要针对仿真结果进行统计分析，并且调用系统工具将最终的执行程序生成所需的数控代码[14-17]。其编程步骤如图2所示。

　　1.3物理模型算法介绍

　　作为在数控加工过程中模拟叶片零件切割的过程，热效应对叶片的生产过程有相对较高的影响，本文充分考虑了热效应在叶片加工过程中的影响因素，如公式1所示为热传导效应表示:(1)其中:T为温度;t为时间;ρ为密度;c为比热;L为潜热;λ为导热系数;(x、y、z)为坐标;fs为固相的质量分数。通常难以计算定向凝固中的热辐射，因为存储每个表面因素对其他视觉因子所需的大量学习，本文中，采用蒙特卡罗方法得到的数值方法来处理定向凝固中的辐射，需要更少的记忆和更高的精度。然后，被切割的叶片单元表面i所包围可划分为具有相同数量n的常规离散空间单元，其温度计算为包括的表面单元的平均值，之后可以计算名为i-j的特定空间单元与表面单元i之间的热辐射如公式2所示。(2)其中:Ti为表面单元i的温度;Ti-j为叶片表面单元i-j的温度;Fi和Fi-j分别为两个叶片单元表面的面积，s为Stefan-Boltzman常数。1.4叶片零件的数控加工仿真模型基于仿真系统工具的模型设计主要通过二次开发工具对叶片曲面特征函数进行编写，通过计算求得曲面各个型质点出的曲率半径，其程序设计如图3所示。工过程中对发生干涉现象的参数进行微调即可，提升切削效率、在UGNX的CAM模块中参数设置如图4所示，主要对主轴转速、快速进给率、切削进给率等进行了设置。通过调用以上算法程序对初始化参数进行执行，得出一组实验数据，经过校验处理，最终通过后处理程序进行处理形成数据代码，如图5所示。

　　2结论

　　本文主要从数控机床在叶片类零件设计过程中用到的仿真技术进行介绍，从有限元单元分析法、CAM技术以及模型构建等数控加工仿真等相关进行介绍，主要对叶片编程与加工过程仿真，叶片切削过程中的切削受力变形进行了较详细的研究。

　　参考文献

　　[1]刘玉波.高速铣削镍基高温合金复杂薄壁零件关键技术研究[D].哈尔滨理工大学，2016.

　　[2]吴宝海，张莹，张定华.基于广域空间的自由曲面宽行加工方法[J].机械工程学报，2011

　　阅读期刊：《电子产品可靠性与环境试验》

　　《电子产品可靠性与环境试验》(双月刊)创刊于1962年，是一份由信息产业部主管、信息产业部电子第五研究所主办、中国电子学会可靠性分会协办的可靠性研究专业刊物，1962年创刊，国内外公开发行。