0 引言

　　整體葉輪是航空發動機和各類透平機械的關鍵部件，廣泛應用于航空、汽車、能源等領域，其結構特點是葉片薄，扭曲大，葉片間隔小。整體葉輪屬于復雜的曲面體零件，可以采用鑄造加工、電火花加工、電解加工及數控銑削加工等加工方法。數控加工柔性好，可加工復雜形狀葉輪，表面質量好，效率高，適用廣泛，因此用數控機床加工葉輪是目前被廣泛采用的一種制造方法。國內外很多學者對此進行了研究。目前采用通用的CAD/CAM軟件來編制葉輪的數控加工程序，應用較多的有NX、MASTERCAM、CIMATRON等。由于零件形狀復雜，在CAD/CAM中生成的刀具軌跡考慮了干涉問題，但沒有考慮到機床的具體結構，不能確保數控程序的正確性和加工過程的安全性。

　　VERICUT是專為制造業設計的CNC數控機床加工仿真和優化軟件，利用仿真加工，可以驗證數控程序的正確性，減少零件首件調試的風險，增加程序的可信度；模擬數控機床的實際運動，減少實際的切削驗證，檢測潛在的碰撞錯誤，降低機床碰撞的風險。本文采用VERICUT軟件主要解決的問題有：①通過模擬整個加工過程，進行干涉檢查，檢測加工過程中的碰撞干涉現象和加工后的零件是否出現局部過切或欠切；②驗證了數控加工程序和后處理器的正確性。

1 整體葉輪五軸數控加工工藝規化

　　整體葉輪的用途多種多樣，其結構形式和葉片構造也各不相同。根據葉片曲面構造方式的不同，整體葉輪可分為直紋曲面葉輪和自由曲面葉輪。本文的研究對象為直紋曲面葉輪，如圖1所示。

    圖1 整體式葉輪

　　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，大約占整個毛坯材料的60%左右。根據零件的復雜程度可將整個數控加工過程劃分成不同階段。本文中葉輪零件結構較為簡單，葉片扭曲小，且葉片為直紋面，所以把葉輪數控加工過程劃分成兩個階段，粗加工和精加工。粗加工的任務是盡快去除大量整體葉輪各個表面多余的材料，加工出整體葉輪的大致輪廓，為精加工做準備。接下來精加工是整個加工階段中最重要的階段，其目的是為了獲得設計的加工精度和表面質量。精加工又可細分為葉片精加工、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

　　選擇刀具時應綜合考慮毛坯的材料、機床類型、允許的切削用量、刀具剛性和耐用度等因素，當然也要考慮加工的成本。粗加工時，多選擇平底立銑刀，也可以選擇帶有圓角的環形刀，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。

　　根據葉輪的加工階段，選用的刀具包括：①球頭刀R4×50mm，刃長40mm，帶2°的錐角，整體合金刀，用于葉輪的開粗；②球頭刀R5×55mm，刃長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數控加工，因為多了兩個轉動軸，所以可以加工復雜的零件，但也帶來了干涉問題。葉片扭曲且間隔小的特點，流道面的加工采用點銑，加工流道面的過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的方法來避免與葉輪的干涉。葉片是直紋曲面，可以采用側銑法加工，即用圓柱銑刀或圓錐銑刀的側刃銑削葉片曲面。

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

　　1.4 后置處理

　　經過NX生產的刀位文件還不能直接使用，需要經過后置處理轉換成數控機床能執行的數控程序，并輸入機床才能進行零件數控加工。本文采用NX自帶的后置處理和制作機床描述信息模塊，選擇機床模型為“5-Ax Mill Vertical AC-Table”，立式帶AC旋轉工作臺的五軸數控銑床，控制系統為Heiden-hainTNC，最后生成了能夠加工整體葉輪的G代碼。

2 DOOSAN VMD600 5軸仿真機床構建

　　仿真加工中心采用DOOSAN VMD600五軸數控機床，具有X、Y、Z三個直線運動軸，工作臺可以繞X和Z軸轉動，即帶A角和C角。X、Y、Z軸行程為1050mm、600mm、500mm，A軸旋轉范圍-120°～30°，主軸最高轉速可達20000r/min，刀具存儲容量為24把。

　　在VERICUT中進行仿真加工具體操作如下，工作流程如圖2所示。

    圖2 VERICUT工作流程圖

　　一般情況下，如機床外殼，控制系統操作面板等實際仿真過程中不需要的部件可以不導出，本文在構建機床時將不導出機床外殼、控制系統操作面板等部件。

　　(1)定義機床運動結構

　　新建項目文件，在機床機構樹下，定義機床部件結構樹。DOOSAN VMD600有兩大傳動鏈，主軸傳動鏈和毛坯進給傳動鏈。主軸傳動鏈由主軸帶著刀具通過立柱沿著Z向運動，該運動組件和實現X向運動的組件相連，依次添加Base→X→Z→spindle→Tool。毛坯安裝在實現C向轉動的工作臺上，該組件還能實現A向旋轉，Y軸直線運動，所以依次添加Bas→—Y→A→C，這樣就得到了機床組件樹。

　　(2)添加幾何模型

　　定義好了機床組件樹之后，還要給每個組件添加模型。在NX7.0按照實際尺寸繪制各部件3D模型，然后導出各部件的stl格式文件，以便VERICUT的導入。添加幾何模型過程中可以設置模型的基點、顯示、顏色和定義位置。添加幾何模型后得到機床模型圖，如圖3所示。

    圖3 DOOSAN VMD600仿真機床

　　(3)機床參數設置

　　機床模型建好以后，還要對機床參數進行設置。設置的參數有機床初始化位置，機床行程，干涉檢查設置，控制系統配置等。

　　①機床干涉檢查設置。確定已選中“開機床仿真”復選框。在“碰撞檢測”標簽中，選中“碰撞檢測”復選框。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”。分別設置刀具與家具之間、刀具與工作臺，主軸與夾具、主軸與工作臺的碰撞檢測。

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

　　③機床行程設置。在“機床設定”對話框中，按照上述加工中心DOOSAN VMD600設定X、Y、Z、A和C的行程范圍。

　　(4)新建刀具庫

　　按照前面所描述的刀具參數，添加兩把刀具R4和R5。

3 機床加工過程仿真

　　構建好了機床后，下面添加仿真所必須的刀具、工裝、毛坯、數控程序等以進行數控加工仿真，操作步驟如下：

　　(1)在VERICUT中打開機床模型．在組件模型樹中，加載Fixture（夾具）和Stock（毛坯）。

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

　　(3)設置坐標系統。設置毛坯上表面中心為坐標原點，在“位置”中輸入0 0 226.7（226.7為夾具和毛坯的Z坐標和）。

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

　　(5)加載之前所創建的刀具庫。

　　(6)調入加工程序。添加刀軌文件作為NC驅動程序，本例中的NC程序經NX自帶的后置處理器heidenhainTNC生成。

　　(7)在VERICUT主窗口中，點擊右下角的Reset按鈕重置模型，再點擊Play to End按鈕，開始數控加工過程仿真，仿真結果如圖4所示。

    圖4 整體葉輪的加工仿真

4 結束語

　　本文作者在NX中創建葉輪的三維模型，利用CAM模塊分別對葉輪流道面和葉片生成相應的刀具軌跡，經后置處理器生成NC文件，然后基于VERICUT構建了DOOSAN VMD600五軸加工中心仿真環境，通過模擬數控機床的實際運動，減少實際的切削驗證，解決了刀具、工件與機床部件和夾具的碰撞問題，驗證了數控加工程序和后處理器的正確性，從而縮短生產周期，降低成本。