郑智贞　白云鑫　张余升　袁少飞　董芳凯

(①中北大学机械与动力工程学院，山西 太原 030051；②上海航天设备制造总厂，上海 200245)



一种阀门壳体工件加工走刀速度动态优化方法

郑智贞①白云鑫①张余升②袁少飞①董芳凯①

(①中北大学机械与动力工程学院，山西 太原 030051；②上海航天设备制造总厂，上海 200245)

针对航天零件加工精度要求高，加工过程中材料去除量大，加工效率低等特点。选取了一种阀门壳体类新型航天整体结构零件加工为研究对象，利用VERICUT软件对数控加工程序进行优化，重点对走刀速度进行动态优化。工件粗加工阶段采用恒体积去除优化方式，精加工阶段采用等切削厚优化方式。实现了切削过程中走刀速度随着切削体积、切削厚度的改变而实时改变。最后对优化程序进行了实验验证，实验结果表明优化程序后加工的工件完全满足加工要求，且加工效率提高了29.71%。为提高阀门壳体工件加工效率提供了一种有效的优化方法。

阀门壳体工件；VERICUT；走刀速度；动态优化

随着我国航天技术的快速发展，阀门壳体类新型航天整体结构零件得到广泛使用[1]。此系列零件可有效减少航天飞行器中的连接件数目，缩短飞行器的装配周期。但是航空航天阀门壳体类零件具有结构复杂，孔、腔多等特点[2]。目前这类工件多采用直接铣削加工方法，加工过程中走刀环境复杂，材料去除量大，加工效率低。可对切削参数进行优化，以此来提高加工效率，降低加工成本。

文中以图1所示的阀门壳体类新型航天整体结构零件为例，研究该工件在铣削加工过程中刀具切削量的变化情况对工件加工效率的影响。通过分析，提出一种工件加工走刀速度动态优化方法。即将刀路轨迹分段，在粗加工阶段，材料去除量大，采用恒体积去除切削参数优化方法；在精加工阶段，为保证加工表面质量，采用等切削厚的程序优化方法。优化结束后，通过实际加工对程序进行了加工实验，验证了优化程序的正确性。

1　程序优化原理

通过分析加工过程中切削参数间的相互关系，和切削环境改变对切削参数的影响，确定了切削参数中的走刀速度作为程序优化参数。

1.1优化变量确定

在机床性能和所使用刀具材料确定的情况下，影响加工时间的切削参数可用式(1)来表示，其中S为主轴转速，Vf为走刀速度，Ap为切削深度，Aw为切削宽度。

T(x)=[S，Vf,，Ap，Aw]

(1)

理论上增大各切削参数的值可以提高加工效率，但在实际加工过程中，由于机床和刀具性能的限制，参数值的设定不能随意增大。刀具在切削过程中，主轴转速、切削深度和切削宽度等参数设置是根据材料性能确定的，保持恒定不变，它们的优化空间较小。走刀速度的设定是根据切削去除量的大小设定一个相对合理的参数值[3]。但在加工过程中材料去除的体积、厚度会随着工件的轮廓形状发生变化，固定不变的走刀速度与变化的材料去除量相矛盾。因此通过实时改变走刀速度，保证切削过程走刀速度根据切削量的不同随时保持在最合理的工作状态，可以达到优化程序，提高加工效率的目的。具体的程序优化方法，说明如下。

1.2优化原理

具体优化方法是在虚拟加工过程中，根据设定的解析距离，在不改变走刀路径的前提下将原走刀程序分解成多段等距离新刀路，在每段新刀路中根据具体的切削情况分配最合适的走刀速度[4]。

每道工序中都会有粗加工和精加工两种加工过程，粗加工以大量去除材料为主，精加工过程以保证表面加工质量为主，因此在不同的加工方法时采取不同的优化方法。

1.2.1粗加工恒体积去除切削参数优化

传统的数控程序编写方法是，在CAM环境中制定好走刀路径，然后根据切削情况设置主轴转速、切削深度、切削宽度和走刀速度等切削参数。加工过程中的体积去除率Q(mm3/min)可用公式(2)表示:

Q=Vf×Aw×Ap

(2)

其中：Vf为走刀速度，mm/s；Aw为切削宽度，mm；Ap为切削深度，mm。

但是在工件加工时，因工件表面形状的关系，刀具在不同位置的切削量不同。如图2所示，如果刀具走刀速度保持不变，刀具在圆周铣削过程中，因毛坯材料外部轮廓形状与工件外部轮廓不完全相同，材料的体积去除会时刻发生变化。因切削宽度Aw和切削深度Ap不变，可通过改变走刀速度Vf的方法，保证切削过程中体积去除恒定。

恒体积去除优化模式，主要应用于材料切削余量变化比较大，特别是粗加工阶段。此种优化方式，在体积去除小的时候提高走刀速度，进而提高加工效率，同时避免了切削量过大的状况，起到保护机床和刀具的作用。

1.2.2精加工等削厚切削参数优化

粗加工完成后会留有一定余量，余量的表面一般会呈现出台阶状。等削厚是针对精加工过程切削参数优化的一种方法。精加工的切削示意图如图3所示，工件表面状况变化频繁，若采用恒体积去除的方法，刀具走刀速度会高频率和大幅度的变化，不利于保证表面加工质量。等削厚去除材料优化提供了一种可以使刀具切削状态保持在相对稳定的工作过程的一种方法。通过VERICUT优化分析计算切削模型和切削厚度，当大于给定的切削厚度时，降低走刀速度，当小于给定的切削厚度时，提高走刀速度，动态地维持切削厚度相对恒定，使得切削力平稳，保证工件表面加工质量。

通过以上两种动态切削参数优化方式，完成阀门壳体工件加工过程中粗加工和精加工各工序的优化。具体的优化过程通过VERICUT软件提供的虚拟加工环境实现。

2　工艺流程制定和程序优化

在进行程序优化前，首先要制定出合理的加工工艺，完成走刀程序的编写。

2.1工艺制定

如图4所示的阀门壳体工件，加工工件的毛坯材料为A506，规格为140 mm×149.5 mm×170 mm的方块。完成零件加工需要经过5个方向的加工，根据加工顺序分别是：①工位前端大法兰孔方向；②工位底端法兰盘方向；③工位后端法兰盘方向；④工位左侧面方向；⑤工位右侧面方向。具体加工的工序流程图如图5所示。需要说明的是，该加工实验以验证优化程序的可行性为目的。考虑加工成本和时间等因素，加工过程仅完成阀门壳体工件的外部特征加工。

根据以上制定的加工工艺，在UG环境下生成数控程序。然后通过VERICUT软件对原程序进行优化。

2.2VERICUT程序优化过程

VERICUT提供了利用上述优化原理进行程序优化的环境，通过调用VERICUT内部机床模型及其控制系统和设置刀具库，实现完全模拟机床实际加工，并完成工件程序优化工作。具体优化流程如图6所示。

优化过程以刀具为基础，优化设置需要在每把刀上创建优化操作。具体的操作过程阐述如下[5-6]：

(1)选择优化方法，如图7所示，在切削情况下输入编程过程中设置的切削深度、切削宽度和走刀速度参数。然后在优化方法下选择工序所需的优化方法和设置主轴转速，根据切削工序，粗加工选择体积去除优化方法，精加工选择削厚优化方法。

(2)设定解析距离，解析距离设定要小于刀具直径。一般为刀具直径的0.25～0.8倍。值设置的过大降低程序的解析精度，不能起到对原刀路充分优化的作用；设置的过小使刀具走刀速度改变频繁增大刀具振动，也会使程序更加复杂。设置方法如图8所示。

(3)限定走刀速度极限值。设定极限值是为了避免程序在优化过程中出现走刀速度发生剧烈突变。如果缺少极大值的设定，在非切削材料时走刀速度瞬时提高到机床能达到的最大速度。但在实际操作中一般不会出现使用机床极限速度加工的情况。设置方法如图9所示。

在对程序优化过程中每一工位都是粗加工和精加工同时存在。在程序优化的过程中需要对每一工位的每把刀具用以上步骤进行优化设置，直到完成所有工序原刀路的优化工作。

3　实验验证

为验证以上切削参数优化程序的效果。在Haas vf-6立式加工中心上分别用优化前和优化后的程序进行了工件加工。

3.1实验条件

为保证实验的顺利完成，做了充分的准备，具体的必要实验条件：

机床：Haas vf-6立式加工中心；

毛坯：原始毛坯料为φ200 mm×160 mm圆柱棒料两个。因没有符合设计规格的方块毛坯料，我们采用圆柱料铣削成方块的做法；

夹具：平口钳；

刀具：D80 mm端铣刀，D20 mm立铣刀，D10 mm立铣刀，D12R6球头铣刀各一把。

3.2加工实验步骤

(1)根据制定好的工艺顺序在UG软件中完成阀门壳体工件的数控加工程序的编写，然后将编写好的程序导入到vf-6加工中心进行工件加工。加工过程中记录各工位的加工时间。图10所示为加工过程中的某一瞬间。

(2)通过VERICUT虚拟加工环境，根据程序优化原理，完成原始程序的优化工作。

(3)将优化后程序导入加工中心，再加工一个同参数工件，验证理论优化程序的正确性。同时在加工过程中记录各工位的加工时间。图11所示分别为优化程序和未优化程序加工实物。

3.3结果分析

加工过程中，记录下的各工位优化前程序和优化后程序加工时间如表1所示。

表1程序优化前后加工时间对照表

工位优化前加工时间T1/min优化后加工时间T2/min优化率△T/T11353014.75%2161314.56%3584522.41%41198033.0%51227835.66%

优化前程序和优化程序都完成了工件加工，加工结果完全符合设计要求。分析表1数据可以看出，优化程序每个工位加工时间不同程度上有所减少。总体来说，采用优化程序加工工件的时间相较于原程序加工效率提高了29.71%。实验结果表明，将程序分段，并在每段添加走刀速度的程序优化方法切实可行，这对于节约加工成本，保证加工进度有重要意义。

4　结语

本文针对航空工件中阀门壳体类工件，加工效率低的问题，进行了走刀速度的优化研究。并以一种材料为5A06铝的阀门壳体工件为例，对优化方法进行了实验验证。验证了将刀路轨迹分段，并在每段添加新走刀速度，是提高加工效率一种行之有效的优化方法。这种方法考虑了切削过程中切削体积和厚度变化因素的影响，采用恒体积去除和等削厚的优化方法，对切削参数中的走刀速度进行了动态优化，改善了传统方法中切削参数一旦设定就不再改变的不足。最终优化程序加工工件的效率有了较大的提高，提高效率达到29.71%，这为提高加工效率，降低加工成本提供了有效的途径。

[1] 中国科学技术协会.航天科学技术学科发展报告2012-2013[M].北京:中国科学技术出版社，2014.

[2]魏建梅,何顺,金英卓.一种喷嘴壳体工件的数控加工方：中国，CN102806443B[P].2014-04-16.

[3]郑智贞，白云鑫，张余生，等，板类工件切削参数优化分析与实验验证[J].制造技术与机床，2015(2)：108-112.

[4]周代忠，师俊东，陈雅莉,等，一种数控加工工艺参数优化方法：中国，CN10233179B[P].2013-06-05.

[5]刘强，李忠群.数控铣削加工过程仿真与优化[M].北京：航空工业出版社 .2011.

[6]杨胜群.VERICUT数控加工仿真技术[M].北京：清华大学出版社，2013.

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A dynamic optimization method for feedrate of valve housing parts

ZHENG Zhizhen①, BAI Yunxin①, ZHANG Yusheng②, YUAN Shaofei①, DONG Fangkai①

(①School of Mechatronic and Power Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, CHN;②Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer, Shanghai 200245, CHN)

In view of the high processing requirements of aerospace parts, the large removal amount of material, and the low efficiency of processing, a new aerospace integral structure part of valve housing is selected as the research object, and the VERICUT software is used to optimize the NC machining program, especially the dynamic optimization of the feedrate. The optimization method of constant volume cutting is adopted in the rough machining stage and the equal thickness in the finishing stage. It has achieved the feedrate's real-time change as the cutting volume and thickness change in the cutting process. At last, the optimization program is verified by experiments. The results show that the parts processed by the optimized process can fully meet the processing requirements, and the processing efficiency is improved by 29.71%.An effective optimization method to improve the machining efficiency of the valve housing parts is provided.

valve housing parts; VERICUT; feedrate; dynamic optimization

TH164

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.10.021

郑智贞，女，1970年生，副教授，硕士研究生导师，主要从事数字化制造技术研究。

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2016-06-07)

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