1 引言

      葉輪是機械裝備（bèi）行業重要的典（diǎn）型（xíng）零件，在能（néng）源動力、航（háng）空航天、石油化工、冶金等領域（yù）應（yīng）用廣泛，其加工方法、加工精度和加工（gōng）表麵質量對其最終的性（xìng）能參數有（yǒu）很大影響（xiǎng）。由於使（shǐ）用環境中防鏽、防腐蝕的要求，某（mǒu）些葉輪必須采用不鏽鋼材料（liào）進行（háng）製造。

      不鏽鋼屬於難加工材料，其加工（gōng）存在多項技術難點：（1）易加工（gōng）硬化，硬（yìng）化（huà）後的強度可達到（1470～1960）MPa，硬化層的（de）深度可達到（dào）0.1mm 以上；（2）切削力（lì）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（de）切削熱非常多，且不鏽鋼的導（dǎo）熱係數約為45 鋼的1/2～1/4，切削熱集中在切削區和刀—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（xiù）鋼（gāng）的刀具壽命約為加工45 鋼的1/3～1/2；（6）不鏽鋼的線膨脹係數約為碳素鋼的1.5 倍，在切削溫度作用下，工件尺寸精度（dù）較難控製[1]。

      葉輪零件形狀複雜（zá），要確保數控加（jiā）工程序不存在問題十分困難，主要包括：過切、欠切（qiē）以（yǐ）及機床各部件（jiàn）之間的幹涉（shè）碰撞等。考慮到高昂（áng）的加工成本，為（wéi）了提高加（jiā）工成功率（lǜ），引入了數控加工仿真技術（shù）。數控（kòng）加（jiā）工（gōng）仿真不但可以模（mó）擬刀具的切削軌跡，還（hái）可以模擬機床的運動，被加（jiā）工工（gōng）件的切（qiē）削過程等。在不鏽鋼葉輪的數控加（jiā）工中應用仿真（zhēn）技術，可以縮短加工的準備時間，優化加（jiā）工程（chéng）序（xù），提高加工成（chéng）功率，同時起到（dào）對機床、刀具（jù）以及工件的（de）保（bǎo）護作用[3~6]。

      2 仿真方法及（jí）仿真流程

      數控仿真的含義為（wéi）：運用編程語言（yán）（如（rú）C，VC 等）構建數（shù）控（kòng）仿真平台，導入實際加工需（xū）要（yào）的某種指令文件（如刀位軌跡文件、數控程（chéng）序代碼等），基於該平台運行模擬實際的加工過程，從（cóng）而發現加工可能存在的問題，最終對數控加（jiā）工（gōng）實現（xiàn）優化。

      數（shù）控加工仿真文件主要有（yǒu）刀位軌跡文件（CLSF）和數（shù）控程序代碼（NC）。基於刀位軌跡文件仿真的主要目的是檢驗（yàn）刀具運動軌跡的正確性、安全性。基於數控代碼仿真則既能檢查刀具軌跡正確與（yǔ）否，又能判斷加工參數選（xuǎn）擇（zé）是否合適等。由於直接驅動數（shù）控機床運動的是（shì）數控（kòng）程序代碼，而不是刀位軌跡文件，所以基於NC 程序的加工仿真（zhēn）比基於CLSF 數據（jù）的加工仿（fǎng）真能更好地反映零（líng）件的實（shí）際加（jiā）工過程和加工結果。

      構建仿真平台實（shí）現虛（xū）擬機床建模常（cháng）用兩（liǎng）種方法（fǎ）：（1）通過高級語言編程借（jiè）助OpenGL 三維圖形引擎功能實現機床幾何建（jiàn）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何模型，還可設（shè）置各數控指令（lìng）的含義及運動方式，所以更為方（fāng）便快捷[4]。

      VERICUT 係（xì）統可以（yǐ）仿真3 軸和多軸（zhóu）機床的運動及工件加工過（guò）程的變化，並且在仿（fǎng）真、驗（yàn）證和分析NC 程序時，能夠檢測錯誤自動報警，並統（tǒng）計出錯誤的（de）數量及發生位置[2]。其仿真流程，如圖（tú）1 所示（shì）。

      3 葉輪加工仿真

      加工（gōng）的葉輪零件為某流體機械使用（yòng）的（de）誘導輪，如圖2 所示。該型葉（yè）輪的結構特點為：葉片（piàn）薄，葉片前端最薄處（chù）僅（jǐn）1.5mm；流道深，流道開口（kǒu）最深處達33.75mm；間距小，相鄰葉片最小（xiǎo）間距僅22.975mm。該葉輪為獲得理想的動力學特性，采用了大扭角、根部變圓角等結構（gòu），加（jiā）工時必須采（cǎi）用細長刀具，刀軸的控製較為困難，同時，由於防鏽、防腐蝕的需（xū）要，葉輪毛坯采用了難加（jiā）工材料不鏽鋼00Cr17Ni14Mo2，材料的化學（xué）成分，如表1 所示。由於各（gè）合金元（yuán）素的作用，製造中容易出現大量的工藝問（wèn）題。

      加工（gōng）使用的機床為德國進口的DMU100 monoBLOCK 五軸數控機床，如（rú）圖3 所示。該（gāi）機床共有X、Y、Z 三個直線軸，C、B 兩（liǎng）個旋轉軸，其中C 軸（zhóu）依附於Z 軸，Y 軸（zhóu）依（yī）附於X 軸（zhóu），B 軸依附於Y軸。機床的技術參數，如（rú）表2 所示。

      由設計部門（mén）根據流體力學、空氣動力學原理計算出原始設（shè）計數據，在UG 中建立葉輪的（de）三維模型，如圖2 所示。按照前文所述的仿真流程，分別（bié）建立機床模型、刀具模型、工件模型、夾具模型，設置各仿真參數，進行葉片的加工仿真，如圖4~7 所（suǒ）示。

      4 分析與改進

      （1）仿真中發現，原加工方案中使用的圓柱球頭銑刀剛度不夠，加工中（zhōng）容易折斷，改進後重新選擇為錐形球頭銑刀，則刀具剛度大幅提高，同時有利於流道成型；（2）仿（fǎng）真發（fā）現葉片粗加工工序存在過切，同（tóng）時流道開槽精加工後表麵質量不能達到允（yǔn）許值要求，因此需（xū）要對加工參數進行優化。

      改變加工策略，從“低轉速高進給量”優化為“高（gāo）轉速低進給量”，優化後的（de）加工參數，如表3 所示。加工實踐證明，優化後的加工方案（àn）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%，葉輪變形減小，能保證加工質（zhì）量，同時也提高了加工（gōng）效（xiào）率，加工時間降低20%左右，最終的成品，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（shù）控加（jiā）工中，采（cǎi）用軟件生成的NC 程序相當複雜，為了確保程序（xù）的正確性和高效（xiào）性，利用仿真軟件對其（qí）進行驗證、分析和優化，可有效地保（bǎo）證刀具路徑精度、零（líng）件質（zhì）量和避免機床碰撞。

      本文（wén）指出了對不鏽鋼葉輪進（jìn）行數控加工的技術難點，引入了仿真技術加以解決。提出了仿真方法和仿真（zhēn）流程，並基於VERICUT 仿（fǎng）真（zhēn）平台，以某型葉輪的數控加工（gōng）為例，具體進行（háng）了加工仿真。基於對仿（fǎng）真結果的分析，發現了初始加（jiā）工方案存在的問題，經過改變刀具、優化加工方案後（hòu），重新進行仿真並實際完成加工（gōng）。實（shí）踐證明，針對葉輪數控加工，特別是不鏽鋼材料的（de）葉輪，采用仿真技術（shù）可以增大加工成（chéng）功率，改善加工質量，降低生產成本，對提高我國（guó）流（liú）體機械中的葉輪（lún）加（jiā）工水平具有（yǒu）較好的現實（shí）意義。