1 引言

      葉輪是機械裝備行業重要的典型零（líng）件，在能源動力（lì）、航空航天、石（shí）油化工、冶金等領（lǐng）域應用廣泛，其加工方法、加工精度和加工表麵質量（liàng）對（duì）其最終（zhōng）的性能參數有很大影響（xiǎng）。由於使用環境中防鏽、防腐蝕的要求，某些葉輪必須采用（yòng）不鏽鋼材料進行（háng）製（zhì）造。

      不鏽鋼屬於難加工材料（liào），其加工存在（zài）多項技術難（nán）點：（1）易加工硬化，硬化後的強度可達到（1470～1960）MPa，硬化層的深度可達到0.1mm 以上；（2）切削力大，單位（wèi）切（qiē）削力比45 鋼高（gāo）25%；（3）切削溫度高，塑性變形和摩擦產生的切削熱（rè）非常多，且不（bú）鏽（xiù）鋼的導熱係數約為45 鋼的1/2～1/4，切削熱集中（zhōng）在切削區和刀—屑接觸麵上；（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）不鏽鋼的線膨脹係數約為碳素鋼的（de）1.5 倍，在切削（xuē）溫度作用下，工件尺寸精（jīng）度較難控製[1]。

      葉輪零件形狀複雜（zá），要確保（bǎo）數（shù）控加工程序不存在問題十分困難，主要包括：過切、欠（qiàn）切以及（jí）機床各部件之間的幹涉碰撞等。考（kǎo）慮（lǜ）到（dào）高昂的加工成本，為了提高加工成功（gōng）率（lǜ），引入了數控加工仿真技術。數（shù）控加工仿真不但可以（yǐ）模（mó）擬刀具的切削軌跡，還可以模擬機床的運動，被加工工件的切削過程等。在不鏽鋼葉輪的數控加工（gōng）中（zhōng）應用（yòng）仿真技術，可以縮短加（jiā）工的準備時間，優化加（jiā）工程序，提高加工成功率（lǜ），同時起到對（duì）機床、刀具以及工件的保護作用[3~6]。

      2 仿（fǎng）真方法及仿真流程

      數控仿真的含義為：運用編程語言（yán）（如C，VC 等）構建數控仿真平台，導入實際加工需要的某種指令文件（jiàn）（如刀位軌跡文件、數控程序代碼等），基於該平台（tái）運（yùn）行模擬實際的加工過程，從而發現加工可能存在（zài）的問題（tí），最終對數控加工實現優化。

      數控加工仿真文件主要有刀位軌跡文件（CLSF）和數控程序代碼（NC）。基於刀位軌跡文件仿真的主要目的是檢驗刀具運（yùn）動軌跡的正確性、安全性。基於數控代（dài）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）是否合適（shì）等。由於直接驅動數控機床（chuáng）運動的是數控程序代碼（mǎ），而不是刀位軌跡文件，所以基於NC 程序的加工仿（fǎng）真比基於CLSF 數據的加（jiā）工仿真能更好地反映零（líng）件的實際加工過程和加工結果。

      構建仿真平台實（shí）現虛擬（nǐ）機床建模常用兩種（zhǒng）方法：（1）通過高級（jí）語言編程借助OpenGL 三（sān）維圖形引擎功能實現機（jī）床幾何建模和運動仿真；（2）通過（guò）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（sī）的VERICUT 等。由於虛擬製造軟件中一般配置（zhì）了常見機床的控製係統，可以不需要編程來建立機床（chuáng）的幾何模型，還可設置各數控指令的含義及運動方式，所以更為方便快捷（jié）[4]。

      VERICUT 係統可以仿真3 軸和多軸機床（chuáng）的運動及工件加（jiā）工過程的變化，並且在仿真、驗證和分析NC 程序時，能（néng）夠（gòu）檢測錯誤自動報警（jǐng），並統計出（chū）錯（cuò）誤的數量及發（fā）生位（wèi）置[2]。其仿真流程，如圖1 所示（shì）。

      3 葉（yè）輪加工仿真

      加工的葉輪零件為某流體機（jī）械使用的誘導輪，如圖2 所（suǒ）示。該型葉輪的結構特點為：葉片薄，葉片前端最薄處僅1.5mm；流道深，流道開口最（zuì）深（shēn）處達33.75mm；間距小，相鄰葉片最小間距僅22.975mm。該葉（yè）輪為獲得理想的動力學特性，采用了大扭角、根部變圓角（jiǎo）等結構，加工時必須采用細長刀具，刀軸的控製較為困難，同時，由於防鏽（xiù）、防腐（fǔ）蝕的需要，葉輪毛（máo）坯采用了難加工材料不鏽鋼00Cr17Ni14Mo2，材料的化學成分，如表1 所示。由於各合金元素的（de）作用，製造中（zhōng）容（róng）易出現大量的工藝問題。

      加工使（shǐ）用的（de）機（jī）床為（wéi）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C 軸依附於Z 軸，Y 軸依附於X 軸，B 軸（zhóu）依附於Y軸。機床的技術參數，如（rú）表2 所（suǒ）示。

      由設計部門根據流體力（lì）學（xué）、空氣動力學原理計算（suàn）出原始設計數據，在UG 中建立葉輪的三維模型，如（rú）圖2 所示。按照前文所述的仿真流程，分別建立機床（chuáng）模（mó）型、刀具模型、工件模型、夾具模（mó）型，設置各仿真參數（shù），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（de）圓柱（zhù）球頭（tóu）銑刀剛度不夠，加（jiā）工（gōng）中容易折斷，改進後（hòu）重新選擇為錐形球頭銑刀，則（zé）刀具剛度大（dà）幅提高，同時（shí）有利（lì）於流道成型；（2）仿真發現葉片粗加工工序（xù）存在過切，同時流道開槽精加工後表麵（miàn）質量不（bú）能達到允許值要求，因此需（xū）要對加工參數進行優化。

      改變加（jiā）工策略，從“低轉速高進給量”優化為“高轉速低進給量”，優化後的加工參數，如表3 所示。加工實踐證明，優化後的（de）加工方案有利於解決（jué）前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30%，葉輪變形減小，能保證加工質量，同（tóng）時也提（tí）高了加工（gōng）效率，加工時間降低20%左右（yòu），最終的（de）成品，如圖8 所示。

      5 結論

      複雜曲麵零件（如流體（tǐ）機械中的葉輪）的數控加工中，采用軟件生成的NC 程序相當複雜，為了確保程序的正確性和（hé）高效性，利用仿真軟件對其進行驗證、分析和優化，可有效地保證刀具路徑精度、零件質量和避免（miǎn）機床碰撞（zhuàng）。

      本（běn）文指出了對不鏽鋼葉輪進行數（shù）控加（jiā）工的技術（shù）難點，引入了仿真技術加以解決。提出了仿真方法和仿真流程，並基於VERICUT 仿真平台，以某型葉（yè）輪的數控（kòng）加（jiā）工為例，具（jù）體進行了加工仿真。基於對仿真（zhēn）結果的分析，發現了初始加工方案（àn）存在的問題，經過改（gǎi）變刀具、優化加工方案後，重新進（jìn）行仿真並實際完成（chéng）加工。實踐證明，針對葉輪數控加工（gōng），特（tè）別是不（bú）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（hǎo）的現實意義。