1 引言

      葉輪是（shì）機械裝備行業重要的（de）典型（xíng）零件（jiàn），在能源動力、航（háng）空航天、石油化工、冶金等領（lǐng）域應用（yòng）廣泛（fàn），其加工方法、加工精度和（hé）加工表麵質量對其最終的性能參數有（yǒu）很大影響。由於使用環境中防鏽、防腐蝕（shí）的（de）要（yào）求，某些葉輪必須采用不鏽鋼材料進行製造（zào）。

      不鏽鋼屬於難加工材料，其加工存在多項技術難點：（1）易加（jiā）工硬化，硬化後的強度可達到（1470～1960）MPa，硬化層（céng）的深度可達到0.1mm 以（yǐ）上（shàng）；（2）切削（xuē）力大，單位切削力比45 鋼高25%；（3）切削溫度高，塑性（xìng）變形（xíng）和摩擦（cā）產生的切削熱非常多，且不鏽鋼的導熱係數約（yuē）為45 鋼的1/2～1/4，切削熱集中在切削區（qū）和刀—屑（xiè）接觸麵（miàn）上；（4）切屑不易折斷、易粘結；（5）刀具磨損大，加工不鏽鋼的刀具壽命約為加工45 鋼的1/3～1/2；（6）不（bú）鏽（xiù）鋼（gāng）的線膨脹係數約為碳素鋼的1.5 倍，在（zài）切削溫度作用下，工（gōng）件（jiàn）尺寸精度較難控製[1]。

      葉輪零件形狀複雜，要確保數控加工程序不（bú）存在問題（tí）十分困難，主要包括：過切、欠切以及機床各部件之間的幹涉碰撞等。考慮到高昂的加工成（chéng）本，為了提高加工成功率，引入了數（shù）控加工仿真技術。數控加工（gōng）仿真不但可以模擬刀具的切（qiē）削軌跡，還可以模擬機床的運動，被加（jiā）工工件的切削（xuē）過程等。在不鏽（xiù）鋼葉輪的數控加工中應用仿真技術，可以縮短加工的準備時（shí）間，優化加工程序，提高加工成功率，同時起到對機（jī）床、刀具（jù）以及工件的保護作（zuò）用[3~6]。

      2 仿真方法及仿真（zhēn）流程

      數控仿真的含義為：運用編程語言（如C，VC 等）構建數控仿真平台（tái），導入實際加工需要的某種指令文件（如刀位軌（guǐ）跡文件、數控程序代碼等），基於（yú）該平台運行（háng）模擬實際的加工過（guò）程，從（cóng）而發現加工可（kě）能存在的問題，最終對數控加工（gōng）實（shí）現優化。

      數控加工仿真文件主要有（yǒu）刀位軌跡文件（jiàn）（CLSF）和（hé）數控程序代（dài）碼（NC）。基於刀位軌跡文件仿真的主要目的是檢驗刀具運動軌（guǐ）跡的正確性、安全性。基於數控代碼仿真則既能檢查刀具軌跡正確與否，又能判斷加工參數選擇（zé）是否（fǒu）合適等。由於直接驅動數控機床運動的是數控（kòng）程序代碼，而不是刀位（wèi）軌跡文（wén）件，所以基於NC 程序的加工仿真比（bǐ）基於CLSF 數據的（de）加工仿真能更好地反映零件的實際加工過程和加工結果。

      構建仿（fǎng）真平台實現虛擬機床（chuáng）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機床幾何建模和運動仿真；（2）通過CAD 軟件建立（lì）虛擬機床幾（jǐ）何建模或直接利用虛擬製造軟件來實現，例如美國CGTech 公司的VERICUT 等。由於虛擬製造軟件中（zhōng）一般配置了常見機床的控製係統，可以不需要編程來建立機床的幾（jǐ）何模（mó）型，還可設置各數控指令（lìng）的含義及運動方式，所以更（gèng）為（wéi）方便快捷[4]。

      VERICUT 係統可以仿真3 軸和多軸機床的運動及工件加工過程（chéng）的變化，並且在仿真、驗證和分（fèn）析（xī）NC 程序時，能夠檢測錯誤自動報警，並統計出錯誤的數量及發生位（wèi）置[2]。其仿真流程，如圖1 所示。

      3 葉輪加工仿真

      加工的葉（yè）輪零件為某流體機械使用的誘導輪，如（rú）圖2 所示。

      該型葉（yè）輪的結構（gòu）特點為：葉片薄，葉片（piàn）前端最（zuì）薄（báo）處僅1.5mm；流道深，流道開口最深處達33.75mm；間距小，相（xiàng）鄰葉片最小間距僅22.975mm。該葉（yè）輪為獲（huò）得（dé）理想的動力學特性，采用了大扭角、根部變圓角等結構，加（jiā）工時必須采用細長刀具（jù），刀軸的控製較（jiào）為困難（nán），同時（shí），由於防鏽、防腐蝕的需要，葉輪毛坯采用了（le）難（nán）加工（gōng）材料不鏽鋼00Cr17Ni14Mo2，材料的化學成分，如表1 所示。由於各合金元（yuán）素（sù）的作用，製造中容（róng）易出現大量的工藝問題。

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

      由設（shè）計部門根（gēn）據流體（tǐ）力（lì）學、空（kōng）氣（qì）動力學原理計算出原始設計數據，在UG 中建立（lì）葉輪的三維模型，如圖2 所示。按照（zhào）前文所述的仿真流程，分別建立機床模型、刀具模型、工（gōng）件模型、夾具模型，設置各仿（fǎng）真參數，進行（háng）葉片的加工仿真，如圖4~7 所示。

      4 分析與改進

      （1）仿真中發現（xiàn），原加工方案中使用的（de）圓柱球頭銑刀剛（gāng）度不夠，加工中容易（yì）折斷，改進後重新選（xuǎn）擇為錐形球頭銑刀，則刀具（jù）剛度大（dà）幅提高，同時（shí）有利於流道成型；（2）仿（fǎng）真（zhēn）發現葉片粗（cū）加工工序存在過切，同（tóng）時流道（dào）開槽精（jīng）加工後表麵質（zhì）量不能達到允許值要求，因此需要（yào）對加工參數進行優化。

      改變加工策略，從“低轉速（sù）高進給量”優（yōu）化為（wéi）“高轉速低進給量”，優化後（hòu）的加工參數，如表3 所（suǒ）示。加工實踐證明，優化後的加工方案有利於解決前文所述的不鏽鋼加工難題，降低了切削發熱，將刀具壽命提高了約30%，葉輪（lún）變形減（jiǎn）小，能保證加工質量（liàng），同時也提高了加工效率，加工時間降低20%左（zuǒ）右，最終的（de）成品（pǐn），如圖8 所示。

      5 結論

      複雜曲麵零件（如流體機械中的葉輪）的數控加工中，采用軟件生成（chéng）的NC 程序相當複雜，為了確（què）保程序的（de）正確性（xìng）和高效性，利（lì）用仿真軟件（jiàn）對（duì）其進行驗證、分析和優化（huà），可有效（xiào）地保證刀（dāo）具路徑精（jīng）度、零件質（zhì）量和避免機床碰撞（zhuàng）。

      本文（wén）指（zhǐ）出了對不鏽鋼葉（yè）輪進行數控加工的技術難點，引入了（le）仿真技（jì）術加以解決。提出了仿真方法和（hé）仿真（zhēn）流程，並基（jī）於VERICUT 仿真平（píng）台，以（yǐ）某型（xíng）葉輪的數控加工為例，具體（tǐ）進行了加（jiā）工仿真。基於對仿真結果的分析，發現了初始加工方案存在（zài）的問題，經過改變刀具、優化加工方案後，重新（xīn）進行仿真並實際（jì）完成（chéng）加工。實踐證明，針對葉輪數控加工（gōng），特別是不鏽鋼材料的葉輪，采用（yòng）仿真技術可以增大加工成功率，改善加工質量，降低生產成本，對提高我國流（liú）體機械中（zhōng）的葉輪加工水平具有較（jiào）好的現實意義。