1 引言

      葉輪是機械裝（zhuāng）備行業重要（yào）的典型零件，在能源動（dòng）力（lì）、航（háng）空航天、石油化工、冶（yě）金等領域應用廣泛，其加工方法、加工精度和（hé）加工表麵（miàn）質量對其最（zuì）終的性能參數有很大影響。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（xiù）鋼（gāng）材料進行製（zhì）造。

      不鏽鋼屬於難加工材料，其加工（gōng）存在多項技術難（nán）點：（1）易（yì）加工硬化，硬化後的強度可達到（1470～1960）MPa，硬化層（céng）的深度可達到0.1mm 以上；（2）切削力大，單位切削力比45 鋼高25%；（3）切削溫度高，塑性變（biàn）形和摩（mó）擦產生的切削熱非常多，且（qiě）不鏽鋼的導熱係數約為（wéi）45 鋼的1/2～1/4，切削熱集中在切削（xuē）區和刀—屑接觸（chù）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（yuē）為加工45 鋼的1/3～1/2；（6）不鏽鋼的線膨脹係數約為（wéi）碳（tàn）素鋼的1.5 倍，在切削（xuē）溫度作用下，工件尺寸精度較難控製（zhì）[1]。

      葉輪零件形狀複雜，要確保數控加工程序不存在問題十分困難，主要包（bāo）括：過切、欠切以及機床（chuáng）各部件之間的幹（gàn）涉碰撞等。考慮到高昂的加工成本，為了提高加工成功率，引入（rù）了數控加工仿真（zhēn）技術。數控加工仿真不但可以模擬刀（dāo）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（yè）輪的數控加工（gōng）中應用仿真技術，可以縮短加工的準備時間，優化加工程序，提高加工（gōng）成功率，同時起到對機床、刀（dāo）具以（yǐ）及工件的保護作用[3~6]。

      2 仿真（zhēn）方法及仿真流程

      數控仿真的含義為（wéi）：運用（yòng）編（biān）程語（yǔ）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（lìng）文件（如刀位軌跡文（wén）件、數控程（chéng）序代碼（mǎ）等（děng）），基（jī）於該平台運行模擬實際（jì）的加工過程，從而發現加工可能存在的問題，最終對（duì）數（shù）控加（jiā）工實現優化（huà）。

      數控加工（gōng）仿真文（wén）件主要有刀位（wèi）軌跡文件（CLSF）和數控（kòng）程序代碼（NC）。基於刀位軌跡文（wén）件仿真的主要目的是（shì）檢驗刀具運動軌跡的正確性、安全性（xìng）。基於數控代碼仿真（zhēn）則既能檢查刀具軌跡正確與否，又能（néng）判斷加工參數選（xuǎn）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（bú）是刀位軌跡文件（jiàn），所以基於NC 程序的加工仿真比基於（yú）CLSF 數據的加工仿真能更好地反映零件的實際加工過程和加工結果。

      構建仿真（zhēn）平台實現（xiàn）虛擬機床建（jiàn）模常（cháng）用兩種方法：（1）通（tōng）過（guò）高（gāo）級語言編程（chéng）借助OpenGL 三維圖形引擎功能實現機床（chuáng）幾何建模和運動仿真（zhēn）；（2）通（tōng）過（guò）CAD 軟件建立虛擬（nǐ）機床幾何建（jiàn）模或直接利用虛擬製造軟件來實現，例如美國（guó）CGTech 公司的VERICUT 等。由於虛（xū）擬製造（zào）軟件中（zhōng）一般配（pèi）置了常見機床的控製係統（tǒng），可以不需要編程來建立（lì）機（jī）床的幾何（hé）模型（xíng），還（hái）可設置各數控指令的含義（yì）及運動方式，所以更為方便快捷（jié）[4]。

      VERICUT 係統可以仿真（zhēn）3 軸和多軸機床的運動及工件加工過程的變化，並且在仿真、驗證和分析NC 程序（xù）時（shí），能夠檢（jiǎn）測錯誤自動報警，並（bìng）統計出錯誤的數量（liàng）及發生位置[2]。其（qí）仿真流程，如圖1 所示（shì）。

      3 葉輪加工仿真

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

      該型葉輪的結（jié）構特點為：葉片薄（báo），葉片（piàn）前端最薄（báo）處僅1.5mm；流道深，流道（dào）開口最深處達33.75mm；間距小，相鄰葉片（piàn）最小間距（jù）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，加工時必須采用細長刀（dāo）具（jù），刀軸的控製較為（wéi）困難，同時（shí），由於防鏽、防腐蝕的（de）需要，葉輪毛坯采用了難加工材料不鏽鋼（gāng）00Cr17Ni14Mo2，材料的化學成分，如表1 所示。由於各合金元素的作用（yòng），製造中容（róng）易出現大量的（de）工藝問題。

      加工使用的機床為德（dé）國進口的DMU100 monoBLOCK 五軸數控（kòng）機床，如圖3 所示（shì）。該機床共有X、Y、Z 三個直線軸，C、B 兩個旋轉軸，其（qí）中C 軸依附於Z 軸，Y 軸依附於（yú）X 軸，B 軸依（yī）附於Y軸。機床的技術參數（shù），如表2 所示。

      由設計部門根據流體力學、空氣動（dòng）力學原理計算出原始設計數據，在UG 中建立葉輪的三（sān）維模型，如圖2 所示。按照前文所述（shù）的仿真流程，分別建立機床模型、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 所示。

      4 分析（xī）與改進

      （1）仿真中（zhōng）發現，原加工方案中使用的圓柱球頭銑刀剛度不夠，加工中容易折斷，改進後重新選擇為錐形球（qiú）頭（tóu）銑刀，則刀（dāo）具剛度大（dà）幅提高，同時（shí）有利於流道成型；（2）仿真（zhēn）發現葉片粗加（jiā）工工（gōng）序存在過切，同時流道開槽（cáo）精加工後表麵質量不能達到允（yǔn）許值要求，因此需要對（duì）加工參數進行優化。

      改（gǎi）變加工策略，從“低轉速高進給量”優（yōu）化為“高轉速低進給量”，優（yōu）化後的加工參數，如表3 所示。加工實踐（jiàn）證明，優化後的（de）加工方案有利於解（jiě）決前文所（suǒ）述的不鏽鋼加工難題，降低了切削（xuē）發熱，將刀具壽命提高（gāo）了約30%，葉輪（lún）變形減小，能（néng）保證加工質量，同時也提高了加工效率（lǜ），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（qǔ）麵零件（如流體機械中的葉（yè）輪）的（de）數控加工中（zhōng），采用軟件生成的NC 程序相當複雜，為了確保程序的（de）正確性和高效性，利用仿真軟（ruǎn）件對其進行驗證、分析和優化，可有效（xiào）地保證刀具路徑精度、零件質量（liàng）和避免機床碰撞。

      本文指出了對不（bú）鏽鋼（gāng）葉（yè）輪進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流程，並基於VERICUT 仿真平台，以某型葉輪的數控加工為例，具體進行（háng）了加工仿（fǎng）真。基於對仿真結果（guǒ）的分析，發現了初始加工方案存在的問題（tí），經過改變刀具、優化加工方（fāng）案後，重新進行仿真並實際完成加工。實踐證明，針對葉輪數控（kòng）加工（gōng），特（tè）別是不鏽鋼材料的葉輪，采用仿真技術可以增大加工（gōng）成功率，改善加工（gōng）質（zhì）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義。