NCSIMUL在航空薄壁零件加工中的应用

国际金属加工网 2016年11月02日

NCSIMUL作为制造业的软件解决方案,为数控加工提供了虚拟仿真平台,对于提升数控加工效率具有重要的作用。未来,该虚拟制造技术将应用于更广泛的领域。

数控加工仿真是数控技术、仿真技术与虚拟现实技术等先进技术的交叉应用。实际数控加工过程中,常常为了校验数控程序的正确性,需进行一次或多次试切,同时数控加工参数也需要不断调试,直到确认数控程序能够完成预定的加工要求。这样不仅浪费资源、效率低下,而且可能因操作过程中的碰撞或干涉等问题造成经济损失。数控加工过程仿真则可以很好地解决以上问题。

由于零件的3D形状越来越复杂,机床是多轴联动,在加工过程中,加工参数的选择是否合理,零件与机床是否干涉,是否存在过切等现象既相互关联又各自遵循自己的变化规律。工艺人员以现有的工艺水平以及分析计算手段很难考虑周全,所以必须给技术人员提供一种能综合考虑各种因素,能制定、优化数控工艺流程的辅助手段。为此迫切需要应用相对成熟的仿真技术对数控加工过程进行真实加工前的演示与分析,以便在早期及时发现解决问题。同时也可以缩短产品的生产周期,提高生产效率。

法国SPRING Technologies公司开发的NCSIMUL软件是世界上应用最广泛的专业数控加工仿真系统,具有强大的3D加工仿真、验证、优化等功能。2010年推出的最新版本8.8版为过程仿真提供了强有力的支持。

NCSIMUL软件目前已广泛应用于汽车制造航空航天模具制造等行业,其最大特点是可仿真各种CNC系统,能仿真CAD/CAM后置处理的NC程序,其整个仿真过程包含程序验证、分析、机床仿真、优化和模型输出等。

NCSIMUL的解决方案以标准形式提供了所有用于仿真数控机床运动状态、执行生产前检验和分析NC程序的功能。这些标准功能分为:NC程序分析;加工仿真;结果输出;程序优化-OPTITOOL。

为了最大限度地减少用户用于验证NC程序的时间,NCSIMUL被设计用于分析经过后置处理或手工编制的NC程序。为了广泛满足工业界的需要,NCSIMUL支持结构化的程序(客户编制的子程序)以及使用系统变量、循环、宏程序等。在NCSIMUL的帮助下,没有必要因为确定某些程序问题而对工件加工进行仿真。从加工任务的上载起,NCSIMUL可提供以下功能。

(1)刀具轨迹显示 用户可自行设定刀具轨迹显示,允许进行可视化的分析,用于排除明显碰撞或可能的加工原点错误。

(2)错误报告 在实际加工过程仿真之前,NCSIMUL也可检测到所有语法类型的错误。

(3)动态链接的窗口 所有的加工信息、3D视窗、程序窗口等被紧密地链接。任何信息的改变都将被动态更新,因此程序员可凭借远超过真实数控机床上的交互性对NC程序进行分析。

(4)刀具序列的循环时间 从程序被上载起,NCSIMUL将以表格的形式显示详细的报告,包括每个刀具和每个运动类型的不同时间(快速运动时间、实际加工时间以及总时间等)。 NCSIMUL为每个轴计算进给速度、转速、加速度,这会在加工之前使操作人员获得对加工循环时间的精确估计。

(5)集成化编辑器下的交互式程序修改 NCSIMUL的集成化程序编辑器可及时修正检查到的错误或对程序的即时修改进行测试。

加工仿真

NCSIMUL支持复杂运动仿真,能够对任何加工中心或多通道铣削加工进行仿真,并无任何轴数目的限制。NCSIMUL以标准形式支持所有机床环境元素(如机床控制面板、传送装置、回转头等)。具有能够处理并联机构的能力,尤其是机器人、TRICEPT机床等。

而且接近真实环境的仿真,基于创新的技术,NCSIMUL能够在仿真机床运动的同时去除仿真材料。其具有的3D OpenGL技术能够在不中断仿真过程和不影响仿真性能的情况下轻松进行3D操作(缩放、旋转和平移),或者在多个视窗中动态切换。在任何时候,都可以自动(如每次报警、换刀等)或手动中断仿真,以查看被加工工件。

进行加工事故的检测,在仿真过程中,可以设置对所有类型的碰撞和切削事故(刀具不匹配、主轴停转、刀具在加工工件中的快速移动等)进行检测报警,并在3D视窗中以红色显示报警区域。

另外,还可以对刀具相对于夹具的伸出长度进行优化。基于NCSIMUL的优化设计,是指通过NCSIMUL的优化模块OPTITOOL重新计算进给速度或主轴转速产生一个优化的刀具加工轨迹文件。优化刀具轨迹并不改变刀具加工的路线,而是确保所产生的优化轨迹文件拥有最佳的进给速度或主轴转速,这样会在最少的时间里生产出高质量的产品。通过选择毛坯和刀具的材料,由OPTITOOL后台的TMP(刀具材料)数据库对进给速度和主轴转速做最优分析,给加工者提供切削参数的设置指导。TMP数据库是SPRING Technologies给用户提供NC加工解决方案的20多年中积累的宝贵经验。

发动机整体叶轮加工实例

首先以某航空发动机制造企业叶轮的加工为例,介绍基于NCSIMUL8.7环境的加工仿真过程。整体叶轮作为发动机的关键薄壁类部件,对发动机的性能影响很大,它的加工成为提高发动机性能的一个关键环节,其质量直接影响其空气动力性能和机械效率。但是由于整体叶轮结构的复杂性,其数控加工技术一直是制造行业的难点。

此型发动机叶轮结构复杂,精度要求很高,采用配置西门子SINUMERIK 840D数控系统、瑞士斯达拉格海科特(StarragHeckert)产的型号为STC1250的带A摆轴、B旋转工作台的卧式五轴铣加工中心进行加工

该叶轮所采取的加工策略为,采用3+2定位五轴加工,尽量减少联动轴数,提高加工的稳定性。采用3D区域清除策略,粗加工留余量0.5mm,下切为3mm,主轴转速8000r/min,进给速度为1200mm/min。采用赛车道加工,光顺余量,下切方式为螺旋,充分发挥高速加工的效率。也可考虑采用五铀联动方式加工,好处是可以给后续的加工留下更均匀的余量,缺点是联动时切削不如定位五轴稳定。

当采取五轴联动加工时,在加工过程中机床、刀具、夹具、毛坯等之间发生碰撞干涉的可能性会更大,所以在加工之前利用NCSIMUL进行仿真就更加有必要了。

在 NCSIMUL8.7中建立该叶轮加工仿真,首先开始新建一个工作任务,在此任务中可添加仿真所必需的所有元素,如机床、控制器、夹具、刀具库、毛坯、程序等等。然后,进行虚拟数控机床建模,在NCSIMUL中,使用NCMOTION模块来构建机床的运动学模型。其次,指定机床控制系统文件,调用 NCSIMUL 8.7中已集成的西门子SINUMERIK 840D系统。NCSIMUL软件本身提供了近百个数控系统文件,包括了从两坐标到五坐标、从FANUC、HEIDENHAIN到SIEMENS的各种数控系统,完全可以满足实际应用的需要。然后进行刀具库建模,定义加工该叶轮所需的所有刀具,类型可包括铣刀车刀镗刀螺纹铣刀探头等,对于结构复杂的刀具,NCSIMUL还提供了NCProfile 模块来进行任意形状刀具的定制。最后几步就是工件毛坯和夹具建模、选择用于该叶轮加工的NC程序以及根据NCSIMUL提供的初始化功能添加一些地板、灯光等辅助选项。最后开始进行仿真。

这种在航空制造领域中的典型薄壁类零件,都是在五轴加工中心上进行加工,五个轴同时参与加工运动时所合成的运动,对于一般的编程人员是很难确定的,但是NCSIMUL机床仿真软件就很好地解决了这个问题。特别是对于做五轴联动机床的后置处理程序是一个难点,而如果有了机床仿真,就能很好地验证后置处理程序,避免了直接在机床上验证后置处理程序,从而节约了财力、人力和工时。对于五轴联动的数控加工程序,通过仿真能成功避免因五轴联动的各轴运动优先级不同而引起的碰伤工件情况。同时应该在整个加工过程中贯穿程序优化的思想,对于粗加工,目的是尽快去掉多余的材料,优化能使得在不断变化的切削条件下,保证刀具以最大安全速度切入材料。对于半精加工和精加工,经过粗加工后,切削抗力很大,优化技术会考虑刀具在何处切入材料,从而调节进给率以维持稳定的切削抗力,这将延长刀具寿命并得到更高的表面质量。对于高速加工,刀具切入材料的方式至关重要。进给率太低会产生磕碰声、振动和工件硬化,这将导致表面粗糙度降低,刀具过早损坏。切削抗力过高会造成切削压力过大及不良的切削条件,从而引起刀具、主轴、夹具或机床的损坏。调节进给率能保持稳定的切削抗力或体积切削率。

综上所述,运用NCSIMUL软件对数控加工进行仿真,验证了其在实际应用中的可行性,解决了数控编程和实际制造加工过程中的过切、欠切,以及刀具、工件与机床部件和工夹具的碰撞问题,降低了材料消耗和生产成本,提高了工作效率。作为今后的一个重要发展方向,数控加工仿真可进一步提高仿真精度和效率,并有利于实现制造系统的集成,将为我国制造业的信息化起到很大的推动作用。


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