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      1 引言

      葉輪是機械裝備行業(yè)重要的典型零件，在能源動力、航空航天、石油化工、冶金等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其加工方法、加工精度和加工表面質(zhì)量對其最終的性能參數(shù)有很大影響。由于使用環(huán)境中防銹、防腐蝕的要求，某些葉輪必須采用不銹鋼材料進(jìn)行制造。

      不銹鋼屬于難加工材料，其加工存在多項技術(shù)難點：（1）易加工硬化，硬化后的強度可達(dá)到（1470～1960）MPa，硬化層的深度可達(dá)到0.1mm 以上；（2）切削力大，單位切削力比45 鋼高25%；（3）切削溫度高，塑性變形和摩擦產(chǎn)生的切削熱非常多，且不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)約為45 鋼的1/2～1/4，切削熱集中在切削區(qū)和刀—屑接觸面上；（4）切屑不易折斷、易粘結(jié)；（5）刀具磨損大，加工不銹鋼的刀具壽命約為加工45 鋼的1/3～1/2；（6）不銹鋼的線膨脹系數(shù)約為碳素鋼的1.5 倍，在切削溫度作用下，工件尺寸精度較難控制[1]。

      葉輪零件形狀復(fù)雜，要確保數(shù)控加工程序不存在問題十分困難，主要包括：過切、欠切以及機床各部件之間的干涉碰撞等。考慮到高昂的加工成本，為了提高加工成功率，引入了數(shù)控加工仿真技術(shù)。數(shù)控加工仿真不但可以模擬刀具的切削軌跡，還可以模擬機床的運動，被加工工件的切削過程等。在不銹鋼葉輪的數(shù)控加工中應(yīng)用仿真技術(shù)，可以縮短加工的準(zhǔn)備時間，優(yōu)化加工程序，提高加工成功率，同時起到對機床、刀具以及工件的保護(hù)作用[3~6]。

      2 仿真方法及仿真流程

      數(shù)控仿真的含義為：運用編程語言（如C，VC 等）構(gòu)建數(shù)控仿真平臺，導(dǎo)入實際加工需要的某種指令文件（如刀位軌跡文件、數(shù)控程序代碼等），基于該平臺運行模擬實際的加工過程，從而發(fā)現(xiàn)加工可能存在的問題，最終對數(shù)控加工實現(xiàn)優(yōu)化。

      數(shù)控加工仿真文件主要有刀位軌跡文件（CLSF）和數(shù)控程序代碼（NC）。基于刀位軌跡文件仿真的主要目的是檢驗刀具運動軌跡的正確性、安全性。基于數(shù)控代碼仿真則既能檢查刀具軌跡正確與否，又能判斷加工參數(shù)選擇是否合適等。由于直接驅(qū)動數(shù)控機床運動的是數(shù)控程序代碼，而不是刀位軌跡文件，所以基于NC 程序的加工仿真比基于CLSF 數(shù)據(jù)的加工仿真能更好地反映零件的實際加工過程和加工結(jié)果。

      構(gòu)建仿真平臺實現(xiàn)虛擬機床建模常用兩種方法：（1）通過高級語言編程借助OpenGL 三維圖形引擎功能實現(xiàn)機床幾何建模和運動仿真；（2）通過CAD 軟件建立虛擬機床幾何建模或直接利用虛擬制造軟件來實現(xiàn)，例如美國CGTech 公司的VERICUT 等。由于虛擬制造軟件中一般配置了常見機床的控制系統(tǒng)，可以不需要編程來建立機床的幾何模型，還可設(shè)置各數(shù)控指令的含義及運動方式，所以更為方便快捷[4]。

      VERICUT 系統(tǒng)可以仿真3 軸和多軸機床的運動及工件加工過程的變化，并且在仿真、驗證和分析NC 程序時，能夠檢測錯誤自動報警，并統(tǒng)計出錯誤的數(shù)量及發(fā)生位置[2]。其仿真流程，如圖1 所示。

      3 葉輪加工仿真

      加工的葉輪零件為某流體機械使用的誘導(dǎo)輪，如圖2 所示。

      該型葉輪的結(jié)構(gòu)特點為：葉片薄，葉片前端最薄處僅1.5mm；流道深，流道開口最深處達(dá)33.75mm；間距小，相鄰葉片最小間距僅22.975mm。該葉輪為獲得理想的動力學(xué)特性，采用了大扭角、根部變圓角等結(jié)構(gòu)，加工時必須采用細(xì)長刀具，刀軸的控制較為困難，同時，由于防銹、防腐蝕的需要，葉輪毛坯采用了難加工材料不銹鋼00Cr17Ni14Mo2，材料的化學(xué)成分，如表1 所示。由于各合金元素的作用，制造中容易出現(xiàn)大量的工藝問題。

      加工使用的機床為德國進(jìn)口的DMU100 monoBLOCK 五軸數(shù)控機床，如圖3 所示。該機床共有X、Y、Z 三個直線軸，C、B 兩個旋轉(zhuǎn)軸，其中C 軸依附于Z 軸，Y 軸依附于X 軸，B 軸依附于Y軸。機床的技術(shù)參數(shù)，如表2 所示。

      由設(shè)計部門根據(jù)流體力學(xué)、空氣動力學(xué)原理計算出原始設(shè)計數(shù)據(jù)，在UG 中建立葉輪的三維模型，如圖2 所示。按照前文所述的仿真流程，分別建立機床模型、刀具模型、工件模型、夾具模型，設(shè)置各仿真參數(shù)，進(jìn)行葉片的加工仿真，如圖4~7 所示。

      4 分析與改進(jìn)

      （1）仿真中發(fā)現(xiàn)，原加工方案中使用的圓柱球頭銑刀剛度不夠，加工中容易折斷，改進(jìn)后重新選擇為錐形球頭銑刀，則刀具剛度大幅提高，同時有利于流道成型；（2）仿真發(fā)現(xiàn)葉片粗加工工序存在過切，同時流道開槽精加工后表面質(zhì)量不能達(dá)到允許值要求，因此需要對加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

      改變加工策略，從“低轉(zhuǎn)速高進(jìn)給量”優(yōu)化為“高轉(zhuǎn)速低進(jìn)給量”，優(yōu)化后的加工參數(shù)，如表3 所示。加工實踐證明，優(yōu)化后的加工方案有利于解決前文所述的不銹鋼加工難題，降低了切削發(fā)熱，將刀具壽命提高了約30%，葉輪變形減小，能保證加工質(zhì)量，同時也提高了加工效率，加工時間降低20%左右，最終的成品，如圖8 所示。

      5 結(jié)論

      復(fù)雜曲面零件（如流體機械中的葉輪）的數(shù)控加工中，采用軟件生成的NC 程序相當(dāng)復(fù)雜，為了確保程序的正確性和高效性，利用仿真軟件對其進(jìn)行驗證、分析和優(yōu)化，可有效地保證刀具路徑精度、零件質(zhì)量和避免機床碰撞。

      本文指出了對不銹鋼葉輪進(jìn)行數(shù)控加工的技術(shù)難點，引入了仿真技術(shù)加以解決。提出了仿真方法和仿真流程，并基于VERICUT 仿真平臺，以某型葉輪的數(shù)控加工為例，具體進(jìn)行了加工仿真。基于對仿真結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)了初始加工方案存在的問題，經(jīng)過改變刀具、優(yōu)化加工方案后，重新進(jìn)行仿真并實際完成加工。實踐證明，針對葉輪數(shù)控加工，特別是不銹鋼材料的葉輪，采用仿真技術(shù)可以增大加工成功率，改善加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，對提高我國流體機械中的葉輪加工水平具有較好的現(xiàn)實意義。