整體葉輪作為動(dòng)力機(jī)械的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。葉輪葉片的型面非常復(fù)雜，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響大，設(shè)計(jì)研制周期長(zhǎng)，制造工作量大，其加工技術(shù)一直被視為制造業(yè)中的重要課題。傳統(tǒng)加工工藝采取分體加工方案，即葉片與輪轂分別采用不同的毛坯，分別加工成形后將葉片焊接在輪轂上。該方案不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且難以保證葉輪的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

　　隨著高速銑削技術(shù)、多軸尤其是五軸數(shù)控機(jī)床及CAM技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行葉輪加工，既可以保證刀具的球頭部分對(duì)工件進(jìn)行準(zhǔn)確的切削，又可以利用其轉(zhuǎn)動(dòng)軸工作以避免刀具的刀體或刀桿部分與工件其他部分發(fā)生干涉或過(guò)切，充分滿(mǎn)足了葉輪零件生產(chǎn)的要求。

　　對(duì)于CAD/CAM處理后產(chǎn)生的葉輪加工程序，在葉輪正式加工之前，都必須經(jīng)過(guò)刀具軌跡的干涉檢驗(yàn)和程序試切。其目的就是為了檢驗(yàn)和驗(yàn)證NC程序的正確性，因而產(chǎn)生了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真技術(shù)，它能夠全面逼真地反映現(xiàn)實(shí)加工環(huán)境和加工的過(guò)程，如工件的裝夾定位、機(jī)床調(diào)整、切削參數(shù)選取、加工結(jié)果和設(shè)計(jì)結(jié)果的比較等;同時(shí)，對(duì)加工過(guò)程中出現(xiàn)的碰撞、干涉等進(jìn)行提前預(yù)警。因此合理地評(píng)價(jià)了現(xiàn)場(chǎng)工、夾、刀具等的實(shí)用性，并能對(duì)產(chǎn)品、工裝等的可加工性和工藝規(guī)程的合理性進(jìn)行評(píng)估，這也是工藝、編程人員所需要的。

　　葉輪加工工藝分析

　　葉輪結(jié)構(gòu)可分為輪轂曲面以及葉片曲面2部分，葉片包含包覆曲面、壓力曲面和吸力曲面，如圖1所示。葉輪輪轂曲面由葉片中性面根部曲線和葉片中性面頂部曲線繞Z軸轉(zhuǎn)而成;經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)軸Z的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面為子午面;中性面是處于葉片壓力面和吸力面中間位置的曲面。

　　從整體葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以看出，加工整體葉輪時(shí)刀具軌跡規(guī)劃的約束條件較多，相鄰葉片空間較小，加工時(shí)極易產(chǎn)生碰撞干涉，自動(dòng)生成無(wú)干涉刀位軌跡較困難。

　　整體葉輪的加工難度如下所述：

　　(1)葉輪加工流道變窄，葉片相對(duì)較長(zhǎng)，剛度較低，屬于薄壁類(lèi)零件，在加工過(guò)程中極易變形。

　　(2)流道最窄處葉片深度超過(guò)刀具直徑的9倍以上，相鄰葉片空間極窄，在清角加工時(shí)刀具直徑較小，刀具容易折斷，切削深度的控制也是加工的關(guān)鍵技術(shù)。

　　(3)葉輪曲面為自由曲面(包含小葉片、窄流道)，葉片扭曲比較嚴(yán)重，加工時(shí)極易產(chǎn)生干涉。

　　本課題采用米克朗UCP800DURO五軸聯(lián)動(dòng)加工中心完成對(duì)葉輪的精加工。

　　根據(jù)工藝分析結(jié)果及采用的五坐標(biāo)精加工設(shè)備，本課題所選案例——葉輪的加工路線為：毛坯→車(chē)加工外子午曲面→五坐標(biāo)精加工。對(duì)于葉片及圓角，采用五坐標(biāo)設(shè)備一次加工完成，既保證了刀具軌跡切削的連續(xù)性，又保證了葉片、圓角的精度以及葉片和圓角之間的銜接，其中五坐標(biāo)精加工工序細(xì)分為：荒加工流道→葉片荒加工→葉片半精加工→流道半精加工→葉片精加工→流道精加工。

　　本課題采用UGNX4.0對(duì)整體葉輪進(jìn)行加工軌跡規(guī)劃及數(shù)控程序的編制。

　　構(gòu)建虛擬仿真平臺(tái)

　　虛擬仿真加工技術(shù)的一項(xiàng)指標(biāo)就是要求虛擬仿真環(huán)境及系統(tǒng)能夠逼真地反映現(xiàn)實(shí)加工。因此，在構(gòu)建虛擬機(jī)床環(huán)境的過(guò)程中，需要認(rèn)真搜集物理機(jī)床的相關(guān)技術(shù)資料及外觀資料，明確機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸之間的幾何運(yùn)動(dòng)關(guān)系，確保構(gòu)建的虛擬機(jī)床環(huán)境與物理機(jī)床環(huán)境相一致。

　　1虛擬仿真

　　選擇Vericut軟件，并輔助CimcoEdit軟件作為工藝仿真系統(tǒng)構(gòu)建的平臺(tái)來(lái)對(duì)整體葉輪進(jìn)行虛擬仿真。

　　(1)Vericut軟件。

　　Vericut是美國(guó)CGTech公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)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，該軟件自1988年問(wèn)世以來(lái)，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件和高精密零件(如透平機(jī)械零件)加工領(lǐng)域。Vericut通過(guò)準(zhǔn)備模擬整個(gè)機(jī)床加工過(guò)程和校驗(yàn)加工程序，避免了機(jī)床碰撞和干涉，實(shí)現(xiàn)了程序的優(yōu)化，提高了生產(chǎn)效率和零件表面質(zhì)量。

　　(2)CimcoEdit軟件。

　　除了采用仿真功能比較強(qiáng)大的Vericut軟件外，還在編程員與操作者2個(gè)不同的層面引入了一款比較方便的程序代碼編碼查看軟件CimcoEdit。它對(duì)計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境要求低，易于操作和應(yīng)用，適合在制造現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，并具有實(shí)用的數(shù)控編輯功能、文件的智能比較、刀位軌跡的三維模擬及程序統(tǒng)計(jì)等功能。

　　2UCP800五軸加工中心仿真平臺(tái)

　　工藝仿真系統(tǒng)的建立，需要對(duì)機(jī)床環(huán)境、夾具、刀具、控制系統(tǒng)等預(yù)先定義或配置，為了獲得機(jī)床幾何運(yùn)動(dòng)模型及相關(guān)數(shù)據(jù)，需要分析、測(cè)量機(jī)床相關(guān)部件間的機(jī)械運(yùn)動(dòng)關(guān)系及相應(yīng)的尺寸(如X、Y、Z、A、C各軸間幾何運(yùn)動(dòng)關(guān)系)、工作臺(tái)尺寸、附件頭的尺寸規(guī)格、橫梁距離工作臺(tái)的初始高度等。

　　通過(guò)對(duì)機(jī)床相關(guān)技術(shù)資料的收集、整理、分析，使用UGNX4.0CAD軟件功能，以機(jī)床C旋轉(zhuǎn)臺(tái)中心為零點(diǎn)構(gòu)建UCP800機(jī)床3D模型，完成了米克朗五坐標(biāo)機(jī)床模型，如圖2所示。

　　根據(jù)圖2所示機(jī)床的幾何運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，在Vericut軟件模擬仿真環(huán)境下，打開(kāi)“ComponentTree”機(jī)床結(jié)構(gòu)樹(shù)，在“Base(0，0，0)”節(jié)點(diǎn)下首先添加機(jī)床的X、Y、Z、A、C共5個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，然后根據(jù)各軸間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系通過(guò)拖拽方式進(jìn)行重新布局。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床仿真的真實(shí)性，將UG構(gòu)建的3D機(jī)床各部件以STL格式輸出并添加到機(jī)床結(jié)構(gòu)樹(shù)的各個(gè)相關(guān)部件下，配置完成UCP800機(jī)床結(jié)構(gòu)樹(shù)。

　　對(duì)于機(jī)床來(lái)講，控制系統(tǒng)是正確模擬加工程序的前提，是對(duì)加工程序指令的解釋和處理。接下來(lái)為葉輪仿真環(huán)境配置控制系統(tǒng)。米克朗UCP800坐標(biāo)機(jī)床的CNC控制系統(tǒng)配置為HeidenhainiTNC530系統(tǒng)，因此選擇Vericu軟件“Library”目錄下的Hei530.ctl。

　　Vericut軟件本身已有控制系統(tǒng)的基本功能，但對(duì)于每一臺(tái)物理機(jī)床設(shè)備，都會(huì)有一些特殊指令，針對(duì)這些控制系統(tǒng)文件不具備的特殊指令，就必須經(jīng)過(guò)二次開(kāi)發(fā)，通過(guò)宏命令、編寫(xiě)子程序等來(lái)實(shí)現(xiàn)特殊定制。

　　3刀具庫(kù)環(huán)境

　　刀具庫(kù)的建立，主要包括刀具、刀柄及刀片等部分的建立，以及對(duì)刀具、刀具驅(qū)動(dòng)點(diǎn)和裝夾點(diǎn)的定義等內(nèi)容。本課題以整體葉輪的加工刀具環(huán)境為例，構(gòu)造了一個(gè)針對(duì)工件的相對(duì)刀具庫(kù)。為保證刀具資料的真實(shí)，需對(duì)UCP800機(jī)床的刀柄進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，借助UGCAD功能創(chuàng)建刀柄輪廓。

　　然后打開(kāi)Vericut的ToolManager對(duì)話(huà)框，在左側(cè)區(qū)域中單擊鼠標(biāo)右鍵，彈出“刀具管理”相關(guān)的快捷菜單，并按提示創(chuàng)建“Mill銑刀”。將創(chuàng)建“ToolID”設(shè)置為“1”號(hào)刀具，加工葉輪所使用的刀具為錐度刀，因此選擇子類(lèi)型。為了反映真實(shí)的刀具狀態(tài)，需要為刀具裝配上前面所創(chuàng)建的刀柄。

　　首先以DWG/DXF格式將UGCAD創(chuàng)建的刀柄輪廓導(dǎo)出，然后按照上述步驟創(chuàng)建一把新的刀具，此處命名為“4”號(hào)刀，與創(chuàng)建“1”號(hào)刀不同的是其部件類(lèi)型為“Holder刀柄”。接下來(lái)就是為“1”號(hào)刀裝配刀柄，裝配前后的“1”號(hào)刀具如圖3所示。按照上述思路，創(chuàng)建“2”號(hào)刀和“3”號(hào)刀，最終完成刀具庫(kù)文件。

　　刀柄裝配前后

　　創(chuàng)建完刀具庫(kù)，為了刀具能夠按照正確的位置安裝到機(jī)床主軸上，還需要對(duì)刀具“Gagepoint”參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。這里借助Vericut的“X-Caliper”功能，對(duì)刀具的“Gagepoint”參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

　　4夾具環(huán)境

　　機(jī)床環(huán)境除了機(jī)床本身、刀具庫(kù)外，還包括機(jī)床夾具，而相應(yīng)的機(jī)床夾具庫(kù)包括通用夾具、專(zhuān)用夾具和組合夾具。本課題針對(duì)葉輪的加工及所使用的五坐標(biāo)機(jī)床設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的夾具，如圖4所示。

　　刀具軌跡及程序驗(yàn)證

　　在現(xiàn)場(chǎng)加工中，為了方便操作者形象、直觀地瀏覽到刀具軌跡，使用CimcoEdit軟件對(duì)其進(jìn)行查看。打開(kāi)程序文件并選擇配置好的UCP800機(jī)床環(huán)境(其中包括機(jī)床幾何結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng))。經(jīng)過(guò)虛擬機(jī)床環(huán)境的仿真，可以直接使用葉輪的加工程序在UCP800五坐標(biāo)機(jī)床上進(jìn)行實(shí)際加工，免去了程序試切的環(huán)節(jié)。加工后的整體葉輪如圖5所示。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　實(shí)踐表明，采用CAD/CAM技術(shù)，根據(jù)三坐標(biāo)測(cè)量或者已有的數(shù)據(jù)，利用UG軟件針對(duì)葉輪之類(lèi)復(fù)雜零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行三維實(shí)體建模及多軸程序的編制，得到整體葉輪的模型以及整體葉輪的夾具設(shè)計(jì)。

　　整體葉輪的葉片曲面一直以來(lái)都是加工中的難點(diǎn)，通過(guò)此次的設(shè)計(jì)，經(jīng)后置處理應(yīng)用五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的程序代碼，加工后的葉片的葉盆型面精度可達(dá)0.1mm，葉背面有0.5mm的加工余量由后續(xù)拋光工序完成。

　　通過(guò)構(gòu)建虛擬仿真平臺(tái)，借助虛擬仿真機(jī)床環(huán)境完成了本課題所涉及的曲率變化比較大的葉輪零件的加工程序的仿真、驗(yàn)證，同時(shí)做到了真實(shí)模擬、過(guò)程監(jiān)控;降低，甚至避免了葉輪制造的廢品，提高了表面質(zhì)量及表面粗糙度水平;虛擬技術(shù)的應(yīng)用降低了制造的風(fēng)險(xiǎn)，有效降低了生產(chǎn)成本，提高了效率。