构建虚拟仿真平台提高叶轮加工质量

整体叶轮作为动力机械的关键部件，广泛应用于航空航天等领域。叶片型线非常复杂，对发动机性能影响很大，设计开发周期长，制造工作量大。其加工技术一直被视为制造业的重要课题。传统的加工工艺采用分体加工方案，即叶片和轮毂分别采用不同的毛坯，叶片分别加工成型后焊接在轮毂上。这种方案不仅费时费力，而且难以保证叶轮的性能指标。随着高速铣削技术、多轴数控机床，特别是五轴数控机床和CAM技术的不断发展，应用五轴数控机床进行叶轮加工，既能保证刀具的球头部分能准确切削工件，又能利用其旋转轴避免刀体或刀柄与工件其他部分的干涉或过切，完全满足叶轮零件生产的要求。对于CAD/CAM加工后生成的叶轮加工程序，在正式加工叶轮之前，必须通过刀具轨迹干涉测试和程序试切。其目的是为了检验和验证数控程序的正确性，于是产生了虚拟现实技术的仿真技术，能够全面、逼真地反映真实的加工环境和过程，如工件装夹定位、机床调整、切削参数选择、加工结果与设计结果的比较等。同时，加工过程中的碰撞和干涉要提前预警。因此，现场工具、夹具、刀具等的实用性。可以合理评估，以及产品、工装等的可加工性。并且可以评价工艺规程的合理性，这也是工艺和编程人员所需要的。叶轮加工工艺分析叶轮结构可分为轮毂面和叶片面两部分，叶片包括涂层面、压力面和吸力面，如图1所示。轮毂面由叶片中性面根曲线和叶片中性面顶曲线绕Z轴车削而成；通过旋转轴Z的设计基准面为子午面；中性面是位于叶片压力面和吸力面中间的曲面。图1从整体叶轮的结构特点可以看出，加工整体叶轮时，刀具轨迹规划约束多，相邻叶片间距小，加工时容易产生碰撞干涉，难以自动生成无干涉的刀具轨迹。整个叶轮的加工难度如下。(1)叶轮加工通道窄，叶片比较长，刚度低，属于薄壁零件，加工过程中容易变形。(2)转轮最窄处的叶片深度是刀具直径的9倍以上，相邻叶片间距极窄。清角时，刀具直径小，刀具易断，因此切削深度的控制也是加工的关键技术。(3)叶轮表面为自由曲面(包括小叶片和窄通道)，叶片扭曲严重，加工时容易产生干涉。本课题采用加工中心UCP 800 duro五轴联动机床完成叶轮的精加工。根据工艺分析结果和使用的五坐标精加工设备，本课题选择的——叶轮加工路线为：毛坯车削外子午面五坐标精加工。对于叶片和圆角，采用五坐标设备一次性完成加工，既保证了刀轨切割的连续性，又保证了叶片和圆角的精度以及叶片和圆角的连接。五坐标精加工工序细分为：废加工转轮废加工叶片叶片半精加工转轮半精加工叶片精加工转轮精加工。本课题利用UG NX4.0对整个叶轮进行加工路径规划，并编制数控程序。虚拟仿真处理技术在构建虚拟仿真平台中的指标之一是虚拟仿真环境和系统能够逼真地反映

Vericut是专门为制造业设计的数控机床仿真优化软件，由美国CGTech公司开发。自1988年问世以来，已广泛应用于复杂结构零件和高精度零件(如涡轮机械零件)的加工领域。Vericut通过准备模拟机床的整个加工过程，检查加工程序，避免了机床的碰撞和干涉，实现了程序的优化，提高了生产效率和零件的表面质量。(2)Cimco编辑软件。除了具有强大仿真功能的Vericut软件外，还在程序员和操作员两个不同的层面上引入了便捷的程序代码代码查看软件CimcoEdit。对计算机硬件环境要求低，易于操作和应用，适合在制造领域应用，具有数控编辑、智能文件比较、刀具轨迹三维仿真、程序统计等实用功能。UCP800五轴加工中心仿真平台的工艺仿真系统的建立，需要预先定义或配置机床环境、夹具、刀具、控制系统等。为了获得机床的几何运动模型和相关数据，需要分析和测量机床相关部件与相应尺寸之间的机械运动关系(如X、Y、Z、A、C轴之间的几何运动关系)、工作台尺寸、附着头的尺寸规格和横梁离工作台的初始高度。通过对机床相关技术数据的收集、整理和分析，利用UG NX4.0 CAD软件功能，以C转盘中心为零点，构建了UCP 800机床的三维模型，完成了密雀劳的五坐标机床模型，如图2所示。图2nextpage根据图2所示的机床几何运动结构，在Vericut软件的仿真环境下，打开“组件树”机床结构树，先在“base (0，0，0)”节点下添加机床的5个x，y，z，a，c。

对于机床来讲，控制系统是正确模拟加工程序的前提，是对加工程序指令的解释和处理。接下来为叶轮仿真环境配置控制系统。米克朗UCP 800 坐标机床的CNC控制系统配置为Heidenhain iTNC530系统，因此选择Vericu 软件“Library” 目录下的Hei530.ctl。

Vericut软件本身已有控制系统的基本功能，但对于每一台物理机床设备，都会有一些特殊指令，针对这些控制系统文件不具备的特殊指令，就必须经过二次开发，通过宏命令、编写子程序等来实现特殊定制。

3 刀具库环境

刀具库的建立，主要包括刀具、刀柄及刀片等部分的建立，以及对刀具、刀具驱动点和装夹点的定义等内容。本课题以整体叶轮的加工刀具环境为例，构造了一个针对工件的相对刀具库。为保证刀具资料的真实，需对UCP 800机床的刀柄进行实际测量，根据测量数据，借助UG CAD功能创建刀柄轮廓。

然后打开Vericut的Tool Manager对话框，在左侧区域中单击鼠标右键，弹出“刀具管理”相关的快捷菜单，并按提示创建“Mill铣刀”。将创建“Tool ID”设置为“1”号刀具，加工叶轮所使用的刀具为锥度刀，因此选择子类型。为了反映真实的刀具状态，需要为刀具装配上前面所创建的刀柄。

首先以DWG/DXF格式将UG CAD创建的刀柄轮廓导出，然后按照上述步骤创建一把新的刀具，此处命名为“4”号刀，与创建“1”号刀不同的是其部件类型为“Holder刀柄”。接下来就是为“1”号刀装配刀柄，装配前后的“1”号刀具如图3所示。按照上述思路，创建“2”号刀和“3”号刀，最终完成刀具库文件。

图3 刀柄装配前后

创建完刀具库，为了刀具能够按照正确的位置安装到机床主轴上，还需要对刀具“Gage point”参数进行调整。这里借助Vericut 的“X-Caliper”功能，对刀具的“Gage point”参数进行调整。

4 夹具环境

机床环境除了机床本身、刀具库外，还包括机床夹具，而相应的机床夹具库包括通用夹具、专用夹具和组合夹具。本课题针对叶轮的加工及所使用的五坐标机床设计了专门的夹具，如图4所示。

刀具轨迹及程序验证

在现场加工中，为了方便操作者形象、直观地浏览到刀具轨迹，使用CimcoEdit软件对其进行查看。打开程序文件并选择配置好的UCP800机床环境（其中包括机床几何结构和控制系统）。经过虚拟机床环境的仿真，可以直接使用叶轮的加工程序在UCP800五坐标机床上进行实际加工，免去了程序试切的环节。加工后的整体叶轮如图5所示。

图5

结束语

实践表明，采用CAD/CAM技术，根据三坐标测量或者已有的数据，利用UG软件针对叶轮之类复杂零件的结构特点进行三维实体建模及多轴程序的编制，得到整体叶轮的模型以及整体叶轮的夹具设计。

整体叶轮的叶片曲面一直以来都是加工中的难点，通过此次的设计，经后置处理应用五坐标数控机床的程序代码，加工后的叶片的叶盆型面精度可达0.1mm，叶背面有0.5mm的加工余量由后续抛光工序完成。

通过构建虚拟仿真平台，借助虚拟仿真机床环境完成了本课题所涉及的曲率变化比较大的叶轮零件的加工程序的仿真、验证，同时做到了真实模拟、过程监控；降低，甚至避免了叶轮制造的废品，提高了表面质量及表面粗糙度水平；虚拟技术的应用降低了制造的风险，有效降低了生产成本，提高了效率。