1 引言

      葉（yè）輪是機械裝備行業重要的典型零件，在能源動力（lì）、航空航天、石油化工、冶（yě）金等領域應用廣泛，其加工方法、加工精度（dù）和加工表麵質量對其最終的性能參數有（yǒu）很大影響（xiǎng）。由於使用環境中（zhōng）防鏽、防腐蝕的要求，某些葉輪必須采用不鏽鋼材料（liào）進行製造。

      不鏽鋼屬於難加工材料，其加工存（cún）在多項技（jì）術難點：（1）易加工硬化，硬化後的強度可（kě）達到（1470～1960）MPa，硬化層的深度可達到0.1mm 以上；（2）切削力大，單位切削力比45 鋼高（gāo）25%；（3）切削（xuē）溫度高，塑性變（biàn）形和摩擦產生的切削熱非常多，且不鏽鋼（gāng）的導熱係數約為45 鋼的1/2～1/4，切削熱集中在切削區（qū）和刀—屑接觸（chù）麵上；（4）切屑不易折（shé）斷、易粘（zhān）結；（5）刀具磨損大，加工不鏽鋼的（de）刀具壽命約為加工45 鋼的1/3～1/2；（6）不鏽鋼（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，工件尺寸精度較難控製[1]。

      葉輪零件形狀複雜（zá），要確保數控加工程序不存在問題十分困難，主要包括：過切、欠切以及機床各部件（jiàn）之間的幹涉碰撞等。考慮（lǜ）到高昂的加工成本，為了提高加工成功率，引入了數控加（jiā）工仿真技術。數控加工仿真不但可以模擬刀具的（de）切削軌跡，還可以模擬機床的運動，被加工工件的切削過程（chéng）等。在不（bú）鏽鋼葉輪的數控加工中（zhōng）應（yīng）用仿（fǎng）真技術（shù），可以（yǐ）縮短加（jiā）工的準（zhǔn）備時間，優化加工程（chéng）序，提高加工成功率，同時（shí）起到對機床、刀具以及工件的保護作用[3~6]。

      2 仿真方法及仿真流程（chéng）

      數控仿真的含義為：運用編程語言（如（rú）C，VC 等）構建數控仿真平台，導入實際加（jiā）工需要的某種指令文件（如刀位軌（guǐ）跡文件（jiàn）、數控程序代碼等），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（zài）的問題（tí），最終對數控（kòng）加工實（shí）現（xiàn）優化。

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

      構建仿真平台實（shí）現（xiàn）虛擬機（jī）床建模常用兩種方法：（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（děng）。由於虛擬製造軟件中一般配置了常見機床（chuáng）的控（kòng）製係統，可以不需要編程來建立機床的幾何模型，還可設置各數控指令的（de）含（hán）義及運動（dòng）方式，所以更為方便快捷[4]。

      VERICUT 係統可（kě）以仿真3 軸和多軸機床的運動及（jí）工件加工過程的變化，並且在仿真（zhēn）、驗證和分析NC 程序時，能夠檢（jiǎn）測錯誤自動報警，並統計出錯誤的數量及發生位置[2]。其仿真流（liú）程，如圖1 所示。

      3 葉輪加工仿真（zhēn）

      加（jiā）工的葉輪（lún）零件為某流體機械使用的誘導輪，如圖2 所示（shì）。

      該型葉輪的結構（gòu）特點為：葉片薄，葉片（piàn）前端最薄處僅1.5mm；流道深，流（liú）道開口最深處達33.75mm；間距小，相鄰葉片最小間距僅（jǐn）22.975mm。該葉輪為獲得理（lǐ）想的動力學特性（xìng），采用了大扭角、根部變（biàn）圓角等結構，加工時必須采用細長（zhǎng）刀具，刀軸（zhóu）的（de）控製較（jiào）為（wéi）困難，同時，由於防鏽、防腐蝕的需要，葉輪毛（máo）坯采用了難加工材料不鏽鋼00Cr17Ni14Mo2，材（cái）料的化學成（chéng）分，如表1 所示。由（yóu）於各合（hé）金元素的作用，製造中容易出現大量的工藝問題。

      加工使用的機床為（wéi）德國（guó）進口的DMU100 monoBLOCK 五（wǔ）軸數控機床，如圖（tú）3 所示。該機床（chuáng）共有X、Y、Z 三個直線軸（zhóu），C、B 兩個旋轉軸，其中C 軸依附於Z 軸，Y 軸（zhóu）依附於X 軸，B 軸依附於（yú）Y軸。機床的技術參數，如表2 所示。

      由設計部門根據流體力學、空氣動力學原理計算出原始設計數據，在UG 中建立葉輪的三維模型（xíng），如圖2 所示（shì）。按照前文所述的仿真流程，分別建立機床模型、刀具模（mó）型、工件模型、夾具模型，設置各仿真參數，進行葉（yè）片的加工（gōng）仿（fǎng）真，如圖4~7 所示。

      4 分析（xī）與改進

      （1）仿真中（zhōng）發（fā）現，原加（jiā）工方案中使用的圓柱球頭銑刀（dāo）剛度不（bú）夠，加工（gōng）中容易折斷，改進（jìn）後重新選擇為錐形球頭銑刀，則（zé）刀具剛度（dù）大幅提高，同時有（yǒu）利於流道成（chéng）型；（2）仿真發（fā）現葉片粗加（jiā）工工序存在過切，同時流道（dào）開槽精加工後（hòu）表麵質量不能（néng）達到允許（xǔ）值要求，因此需要對加（jiā）工參數進行優化。

      改變加工策略，從“低（dī）轉（zhuǎn）速高進給量（liàng）”優化為（wéi）“高轉速低進（jìn）給量”，優化後的加工參數，如表3 所示。加工實（shí）踐證明，優化後的加工方案有利於（yú）解決前（qián）文所述的不鏽鋼加工難題，降低了切削發熱，將刀具壽（shòu）命提高了約（yuē）30%，葉輪變形減小，能（néng）保（bǎo）證加工質量，同時也提高了加工效率，加（jiā）工（gōng）時間降（jiàng）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）的數控加工中，采用（yòng）軟件生成的NC 程序相當複雜，為了確保程（chéng）序的（de）正確性和高效性，利用仿真軟件對（duì）其進行驗證、分析和優化，可有效地保證刀具路徑精度、零（líng）件質量和避免機床碰撞。

      本文指出了對不鏽鋼葉輪進行數控加工的技術難（nán）點，引入了仿真技（jì）術加以解決。提出了仿真方法和仿真流程，並基於VERICUT 仿真平台，以某型葉輪的數控加（jiā）工為例（lì），具體進行了加工仿真（zhēn）。基（jī）於（yú）對仿（fǎng）真結果的分析，發現了（le）初始加工方案存在的（de）問題，經過改變刀具、優化加工方案後，重新進行仿（fǎng）真並實（shí）際完成加工。實（shí）踐證明，針對（duì）葉輪數控加工，特別（bié）是不鏽鋼材料的葉輪，采用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，對提高我國流體機械中的葉輪加工水平具有較好的現實意（yì）義（yì）。