0 引言

　　整體葉輪是航空發(fā)動(dòng)機(jī)和各類透平機(jī)械的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于航空、汽車、能源等領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是葉片薄，扭曲大，葉片間隔小。整體葉輪屬于復(fù)雜的曲面體零件，可以采用鑄造加工、電火花加工、電解加工及數(shù)控銑削加工等加工方法。數(shù)控加工柔性好，可加工復(fù)雜形狀葉輪，表面質(zhì)量好，效率高，適用廣泛，因此用數(shù)控機(jī)床加工葉輪是目前被廣泛采用的一種制造方法。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。目前采用通用的CAD/CAM軟件來(lái)編制葉輪的數(shù)控加工程序，應(yīng)用較多的有NX、MASTERCAM、CIMATRON等。由于零件形狀復(fù)雜，在CAD/CAM中生成的刀具軌跡考慮了干涉問(wèn)題，但沒(méi)有考慮到機(jī)床的具體結(jié)構(gòu)，不能確保數(shù)控程序的正確性和加工過(guò)程的安全性。

　　VERICUT是專為制造業(yè)設(shè)計(jì)的CNC數(shù)控機(jī)床加工仿真和優(yōu)化軟件，利用仿真加工，可以驗(yàn)證數(shù)控程序的正確性，減少零件首件調(diào)試的風(fēng)險(xiǎn)，增加程序的可信度；模擬數(shù)控機(jī)床的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，減少實(shí)際的切削驗(yàn)證，檢測(cè)潛在的碰撞錯(cuò)誤，降低機(jī)床碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。本文采用VERICUT軟件主要解決的問(wèn)題有：①通過(guò)模擬整個(gè)加工過(guò)程，進(jìn)行干涉檢查，檢測(cè)加工過(guò)程中的碰撞干涉現(xiàn)象和加工后的零件是否出現(xiàn)局部過(guò)切或欠切；②驗(yàn)證了數(shù)控加工程序和后處理器的正確性。

1 整體葉輪五軸數(shù)控加工工藝規(guī)化

　　整體葉輪的用途多種多樣，其結(jié)構(gòu)形式和葉片構(gòu)造也各不相同。根據(jù)葉片曲面構(gòu)造方式的不同，整體葉輪可分為直紋曲面葉輪和自由曲面葉輪。本文的研究對(duì)象為直紋曲面葉輪。

　1.1 整體葉輪的加工階段劃分

　　整體葉輪的加工主要包括葉片、流道面和葉根圓角等曲面的加工，大約占整個(gè)毛坯材料的60%左右。根據(jù)零件的復(fù)雜程度可將整個(gè)數(shù)控加工過(guò)程劃分成不同階段。本文中葉輪零件結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，葉片扭曲小，且葉片為直紋面，所以把葉輪數(shù)控加工過(guò)程劃分成兩個(gè)階段，粗加工和精加工。粗加工的任務(wù)是盡快去除大量整體葉輪各個(gè)表面多余的材料，加工出整體葉輪的大致輪廓，為精加工做準(zhǔn)備。接下來(lái)精加工是整個(gè)加工階段中最重要的階段，其目的是為了獲得設(shè)計(jì)的加工精度和表面質(zhì)量。精加工又可細(xì)分為葉片精加工、流道面精加工和葉根圓角精加工。

　　整體葉輪數(shù)控加工階段流程如下：加工葉輪輪身（毛坯加工）——葉片流道面粗加工——葉片、葉根圓角粗加工——葉片、葉根精加工——流道面的精加工。

　　1.2 刀具的選擇

　　選擇刀具時(shí)應(yīng)綜合考慮毛坯的材料、機(jī)床類型、允許的切削用量、刀具剛性和耐用度等因素，當(dāng)然也要考慮加工的成本。粗加工時(shí)，多選擇平底立銑刀，也可以選擇帶有圓角的環(huán)形刀，這種刀具有效切削面積大，切除材料效率高。精加工多采用球頭銑刀，為保證刀具剛性，可采用錐柄球頭銑刀。

　　根據(jù)葉輪的加工階段，選用的刀具包括：①球頭刀R4×50mm，刃長(zhǎng)40mm，帶2°的錐角，整體合金刀，用于葉輪的開(kāi)粗；②球頭刀R5×55mm，刃長(zhǎng)45mm，整體合金刀，用于葉輪精加工。

　　1.3 刀具軌跡的生成

　　整體葉輪采用五坐標(biāo)數(shù)控加工，因?yàn)槎嗔藘蓚€(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，所以可以加工復(fù)雜的零件，但也帶來(lái)了干涉問(wèn)題。葉片扭曲且間隔小的特點(diǎn)，流道面的加工采用點(diǎn)銑，加工流道面的過(guò)程中為了避免與葉片的干涉，刀軸矢量不能垂直于流道面，可以采用刀軸矢量指向于某一點(diǎn)的方法來(lái)避免與葉輪的干涉。葉片是直紋曲面，可以采用側(cè)銑法加工，即用圓柱銑刀或圓錐銑刀的側(cè)刃銑削葉片曲面。

　　目前采用通用的CAD/CAM軟件來(lái)編制葉輪的數(shù)控加工程序。本文采用NX7.0，根據(jù)葉輪的加工階段生成了刀具軌跡，包括流道面的開(kāi)粗和精加工，葉輪以及葉根圓角的粗加工和精加工。

　　1.4 后置處理

　　經(jīng)過(guò)NX生產(chǎn)的刀位文件還不能直接使用，需要經(jīng)過(guò)后置處理轉(zhuǎn)換成數(shù)控機(jī)床能執(zhí)行的數(shù)控程序，并輸入機(jī)床才能進(jìn)行零件數(shù)控加工。本文采用NX自帶的后置處理和制作機(jī)床描述信息模塊，選擇機(jī)床模型為“5-Ax Mill Vertical AC-Table”，立式帶AC旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的五軸數(shù)控銑床，控制系統(tǒng)為Heiden-hainTNC，最后生成了能夠加工整體葉輪的G代碼。

2 DOOSAN VMD600 5軸仿真機(jī)床構(gòu)建

　　仿真加工中心采用DOOSAN VMD600五軸數(shù)控機(jī)床，具有X、Y、Z三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸，工作臺(tái)可以繞X和Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，即帶A角和C角。X、Y、Z軸行程為1050mm、600mm、500mm，A軸旋轉(zhuǎn)范圍-120°～30°，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20000r/min，刀具存儲(chǔ)容量為24把。

一般情況下，如機(jī)床外殼，控制系統(tǒng)操作面板等實(shí)際仿真過(guò)程中不需要的部件可以不導(dǎo)出，本文在構(gòu)建機(jī)床時(shí)將不導(dǎo)出機(jī)床外殼、控制系統(tǒng)操作面板等部件。

　　(1)定義機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)

　　新建項(xiàng)目文件，在機(jī)床機(jī)構(gòu)樹(shù)下，定義機(jī)床部件結(jié)構(gòu)樹(shù)。DOOSAN VMD600有兩大傳動(dòng)鏈，主軸傳動(dòng)鏈和毛坯進(jìn)給傳動(dòng)鏈。主軸傳動(dòng)鏈由主軸帶著刀具通過(guò)立柱沿著Z向運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)組件和實(shí)現(xiàn)X向運(yùn)動(dòng)的組件相連，依次添加Base→X→Z→spindle→Tool。毛坯安裝在實(shí)現(xiàn)C向轉(zhuǎn)動(dòng)的工作臺(tái)上，該組件還能實(shí)現(xiàn)A向旋轉(zhuǎn)，Y軸直線運(yùn)動(dòng)，所以依次添加Bas→—Y→A→C，這樣就得到了機(jī)床組件樹(shù)。

　　(2)添加幾何模型

　　定義好了機(jī)床組件樹(shù)之后，還要給每個(gè)組件添加模型。在NX7.0按照實(shí)際尺寸繪制各部件3D模型，然后導(dǎo)出各部件的stl格式文件，以便VERICUT的導(dǎo)入。添加幾何模型過(guò)程中可以設(shè)置模型的基點(diǎn)、顯示、顏色和定義位置。添加幾何模型后得到機(jī)床模型圖。

　(3)機(jī)床參數(shù)設(shè)置

　　機(jī)床模型建好以后，還要對(duì)機(jī)床參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置的參數(shù)有機(jī)床初始化位置，機(jī)床行程，干涉檢查設(shè)置，控制系統(tǒng)配置等。

　　①機(jī)床干涉檢查設(shè)置。確定已選中“開(kāi)機(jī)床仿真”復(fù)選框。在“碰撞檢測(cè)”標(biāo)簽中，選中“碰撞檢測(cè)”復(fù)選框。在“忽略在切刀和毛坯的間的碰撞”（刀具和毛坯之間的碰撞）下拉列表框中選擇“否”。分別設(shè)置刀具與家具之間、刀具與工作臺(tái)，主軸與夾具、主軸與工作臺(tái)的碰撞檢測(cè)。

　　②初始化位置設(shè)置。在“機(jī)床設(shè)定”→“表”→“添加”。在“位置名”下拉列表框中選擇“初始機(jī)床位置”，在“值(XYZABCUVWABC)”文本框中輸入X150 Y250 2300；

　　③機(jī)床行程設(shè)置。在“機(jī)床設(shè)定”對(duì)話框中，按照上述加工中心DOOSAN VMD600設(shè)定X、Y、Z、A和C的行程范圍。

　　(4)新建刀具庫(kù)

　　按照前面所描述的刀具參數(shù)，添加兩把刀具R4和R5。

3 機(jī)床加工過(guò)程仿真

　　構(gòu)建好了機(jī)床后，下面添加仿真所必須的刀具、工裝、毛坯、數(shù)控程序等以進(jìn)行數(shù)控加工仿真，操作步驟如下：

　　(1)在VERICUT中打開(kāi)機(jī)床模型．在組件模型樹(shù)中，加載Fixture（夾具）和Stock（毛坯）。

　　(2)打開(kāi)“配置”→“控制”→“打開(kāi)控制文件”，加載控制文件hei530.ctl。

　　(3)設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)。設(shè)置毛坯上表面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，在“位置”中輸入0 0 226.7（226.7為夾具和毛坯的Z坐標(biāo)和）。

　　(4)設(shè)置程序零點(diǎn)。在配置G-代碼偏置中選擇程序零點(diǎn)，選擇從“Tool”到“坐標(biāo)原點(diǎn)”。

　　(5)加載之前所創(chuàng)建的刀具庫(kù)。

　　(6)調(diào)入加工程序。添加刀軌文件作為NC驅(qū)動(dòng)程序，本例中的NC程序經(jīng)NX自帶的后置處理器heidenhainTNC生成。

　　(7)在VERICUT主窗口中，點(diǎn)擊右下角的Reset按鈕重置模型，再點(diǎn)擊Play to End按鈕，開(kāi)始數(shù)控加工過(guò)程仿真。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文作者在NX中創(chuàng)建葉輪的三維模型，利用CAM模塊分別對(duì)葉輪流道面和葉片生成相應(yīng)的刀具軌跡，經(jīng)后置處理器生成NC文件，然后基于VERICUT構(gòu)建了DOOSAN VMD600五軸加工中心仿真環(huán)境，通過(guò)模擬數(shù)控機(jī)床的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，減少實(shí)際的切削驗(yàn)證，解決了刀具、工件與機(jī)床部件和夾具的碰撞問(wèn)題，驗(yàn)證了數(shù)控加工程序和后處理器的正確性，從而縮短生產(chǎn)周期，降低成本。