摘 要：在高端装备智能制造技术大背景下，研究钛合金Ti-6Al-4V叶片五轴加工仿真及FORCE程序优化技术。用UG和VERICUT软件构建VTC160AN五轴加工中心仿真模型，并用该机床仿真模型执行叶片的仿真加工过程。在考虑加工刀具和工件材料属性的情况下，用VERICUT软件FORCE模块对加工程序进行优化。

关键词：高端装备；智能制造；钛合金；五轴加工；程序优化

中图分类号：TH16 文献标识码：A

自美国1954年成功研制第一个实用钛合金Ti-6Al-4V以来，该材料主要用于制造航空发动机压气机部件，如压气机盘和叶片，其在航空发动机中的用量一般占结构总重量的20%～30%。鉴于叶片等部件形状的特殊性，其加工须采用五轴加工技术。通过UG等软件自动编程可获得加工程序，且该程序可通过VERICUT软件仿真模拟验证安全性，但该程序的关键切削参数基本是按经验取得甚至未予考虑，导致实际加工过程中出现加工时间过长、表面质量不优、刀具磨损严重等问题。因此，通过仿真技术对程序参数进行优化在实际加工中有重要意义，这也符合当今高端装备智能制造技术发展趋势。

1.VTC160AN五轴加工中心实体模型构建

VTC160AN五轴加工中心属“3+2”结构的双转台五轴加工中心，X轴、Y轴、Z轴、A轴、C轴行程分别为560mm、410mm、510mm、-120°～30°、0°～360°，配置Maztrol640mn数控系统。

采用UG软件构建VTC160AN五轴加工中心实体模型，图1即为构建完成的机床实体模型。在建模过程中，有4点需要注意：（1）构建机床实体模型尺寸必须与机床实际尺寸一致。（2）建模坐标系原点应与机床机械零点或工作台中心位置一致。本文在构建机床实体模型时将建模坐标系原点定在工作台中心位置（C轴上表面中心点）。（3）有不同运动的机床部件在实体模型构建时不能合并为组件，如图2双转台中的C轴模型与A轴模型，其有各自不同的运动，不能合并。（4）机床模型输出有“分部件输出”和“整体输出”两种方式。其中“分部件输出”有“STL（小平面体）”和“PLY（VERICUT多边形文件）”两种格式，“整体输出”采用“STEP（实体格式）”。考虑到机床仿真模型的构建平台为VERICUT软件，所以，在利用UG软件输出机床实体模型时应该采用“PLY”格式。

2.VTC160AN五軸加工中心仿真模型构建

在UG软件构建机床实体模型的基础上，利用VERICUT软件构建VTC160AN五轴加工中心仿真模型，关键注意如下几点：

（1）分析VTC160AN五轴加工中部件运动关系。根据该机床的结构及运动特点，可以把机床分为“刀具分支”和“工件分支”两个分支，其中“刀具分支”的拓扑关系为“X轴—Y轴—Z轴—主轴—刀具”，“工件分支”的拓扑关系为“A轴—C轴—附属（包括夹具和毛坯）”，如图3所示。

（2）调整相关组件的组件坐标系位置。在VERICUT软件平台中，将两分支中的“X轴、Y轴、Z轴、主轴、A轴、C轴”等称为组件，且各有独立的组件坐标系，在添加为机床组件模型之后，由于这些组件是基于UG机床实体建模坐标系导入的，组件坐标系原点均与UG建模坐标系原点（C轴上表面中心点）重合。这样的结果对“X轴、Y轴、Z轴、C轴”是正确的，对“主轴、A轴”而言，需做组件坐标系平移调整，如图4所示，“主轴”组件坐标系原点需移至主轴端面中心，移动坐标为（232.5，662，702），“A轴”组件坐标系原点需移至A轴旋转中心线中点处，移动坐标为（0，0，-70），移动坐标可利用VERICUT相关距离测量工具测量出来。

（3）机床行程极限与碰撞检查设置。行程极限设置必须与机床实际行程一致，碰撞检查设置主要是设置一个碰撞参数，当刀具与工件或机床工作台距离小于该碰撞参数时，认为碰撞发生，应该产生警惕，是一种安全设置。具体操作是：在VERICUT菜单栏“配置”项下选择“机床设定”，添加“X轴、Y轴、Z轴、A轴、C轴”行程极限及碰撞参数，如图5、图6所示。

3.钛合金Ti-6Al-4V叶片加工仿真

在UG软件中生成叶片加工的刀具轨迹并后置处理成NC代码程序。按照参考文献1中叶片加工仿真过程，基于VTC160AN五轴加工中心仿真模型对钛合金Ti-6Al-4V叶片进行加工仿真，如图7所示，毛坯尺寸为“105×55×100”，刀具选择球头刀D12R6。

仿真过程过切、残留及碰撞干涉检查是必需的。在菜单栏“分析”下选择“自动-比较”，VERICUT软件会自动检查加工程序是否存在过切、残留及碰撞干涉，检查结果会以不同颜色显示，如图8所示。如果存在“过切、残留或碰撞干涉”现象，说明加工程序有问题，需分析如何调整并返回修改程序。

4.FORCE程序优化

VERICUT软件Force模块是一种基于物理性能的优化方法，通过分析刀具的几何外形和参数、毛坯和刀具的材料属性、具体的切削刃几何形状以及VERICUT中每一刀的切削接触状况，计算出理想的进给速度，并通过一系列专用的材料系数来计算材料的受力以及摩擦和温度的影响，在NC程序中插补入合适的切削条件。

钛合金Ti-6Al-4V在切削过程中具有变形系数小、切削温度高、单位面积上的切削力大、冷硬现象严重、刀具易磨损、硬度小于HB300易粘刀等切削特点，从降低切削温度和减少黏结两方面考虑，选用红硬性好、抗弯强度高、导热性能好、与钛合金亲和性差的刀具材料，YG类硬质合金、金刚石和立方氮化硼比较合适。这里选用德国Emuge-Franken工具商提供的YG类硬质合金D12R6球刀，该刀具建议切削条件为：转速2120r/min、进给速度650mm/min、切削深度0.72mm、受力极限130N、每齿进给量0.01mm～0.05mm。endprint

图9为用VERICUT FORCE模块分析计算出当前加工程序的刀具受力图，从图中可以看出，刀具受力不均匀且有部分区域接近甚至超出刀具受力极限（最大受力达到150N以上，超出刀具受力极限130N），这会加剧刀具的磨损，进而影响加工表面质量。

VERICUT软件在推出FORCE模块功能时，经切削实验做了大量材料系数供用户使用，可以在图10中将加工材料选择为Ti-6Al-4V，图11设置选用刀具的切削条件，程序自动优化，优化结果如图12所示，相比优化前，优化后刀具受力更均匀了，且不超过100N。

从图13中可以看出，程序优化之前进给速度保持不变，这就会造成在切削过程中刀具轴线与加工表面角度的变化而引起刀具受力的变化，程序优化之后进给速度随着刀具轴线与加工表面角度的变化而不断调整，以保持较稳定的切削力（见图12）。

图14显示，优化前程序加工时间为82min，优化后程序加工时间为57min，加工时间缩短了30.4%，大大提高了加工效率。

图15显示，优化前零件表面部分区域刀痕明显且不光滑，优化后有较大改善。这主要是因为切削力相对稳定之后，刀具偏摆的变化很小，表面处理质量更好。

结论

用VERICUT软件对钛合金Ti-6Al-4V叶片进行五轴加工仿真，能够验证程序的安全性。进一步使用其中FORCE模块，可根据刀具及材料特性，对加工程序优化，调整加工过程中的进給速度及刀具受力，提高加工效率和质量，对航空发动机叶片等高端装备智能制造有重要实用价值。

参考文献

[1]唐建林，黄志辉.基于UG-VERICUT软件平台的VTC160AN五轴加工中心仿真模型构建及应用研究[J].科技创新与应用，2016（16）：70-70.

[2]杨勇，李长河，孙杰.铝合金Ti6Al4V铣削加工中切削力的三维数值模拟[J]. 应用基础与工程科学学报， 2010，18（3）：493-500.

[3] R.V.Kazban， K.M.V.Pena， J.J.Mason. Measurements of forces and temperature fileds in high-speed machining of 6061-T6 aluminum alloy[J]. Experimental Mechanices 2008（1）：307-317.endprint