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、航空航天、石（shí）油化（huà）工、冶金等領域應（yīng）用廣泛（fàn），其加（jiā）工方（fāng）法、加工精度（dù）和加工表麵質量對其最終的性能參數有很大影響。由於使用環境中防（fáng）鏽、防（fáng）腐蝕的要求，某些（xiē）葉輪必須采（cǎi）用不鏽鋼材料進（jìn）行製造。

      不鏽鋼屬於難（nán）加工材料，其加工存在多項技術難點：（1）易（yì）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（yǐ）上；（2）切削力大（dà），單位切削（xuē）力比45 鋼高（gāo）25%；（3）切削溫度高，塑（sù）性變（biàn）形和摩擦產生的切削熱非常多，且不鏽鋼的導熱係數約為45 鋼的1/2～1/4，切削熱集中在切削區和刀—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（dāo）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，在切削溫度作用下，工件尺寸精度較難控製[1]。

      葉輪零件形狀複（fù）雜，要確保數控加工程序不存在問題十分困難，主要（yào）包括：過切（qiē）、欠切以及機床各部件之間的幹涉碰撞等。考慮到高昂的加工成本，為了提高加工成（chéng）功率，引入了數控加工仿真技（jì）術（shù）。數（shù）控加工仿真不但可以（yǐ）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（qiē）削（xuē）過程等。在不鏽鋼葉輪的數控加（jiā）工中應用仿真技術，可（kě）以縮短加工的準（zhǔn）備時間，優化加工程序，提高加工（gōng）成（chéng）功率，同時起到對（duì）機床、刀具（jù）以及（jí）工件（jiàn）的保護作用[3~6]。

      2 仿真方法及（jí）仿真流程

      數控仿真的含義為：運用編程語言（如C，VC 等）構建數控仿真平台，導入（rù）實際加工需要的某（mǒu）種指令（lìng）文件（如刀位軌跡文件、數控程序代碼等），基於該平台運行模擬實際（jì）的加工過程，從而（ér）發現（xiàn）加工可能存在的問題，最終對數（shù）控加工實現優化。

      數控加工仿真文件主要有刀位軌跡文件（jiàn）（CLSF）和數控程（chéng）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動軌跡的正確（què）性、安全性。基於數控代碼仿（fǎng）真則既能檢（jiǎn）查刀具軌跡正（zhèng）確與（yǔ）否，又能判斷加工參數選擇是否合（hé）適（shì）等。由於直接驅動數控機（jī）床運動的是數控程（chéng）序代碼，而（ér）不是刀位軌跡文件，所以（yǐ）基於NC 程序的（de）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（de）實際加工過程和加工結果。

      構建仿真平台實現虛擬機床建模常用兩種方法：（1）通（tōng）過高級語（yǔ）言（yán）編（biān）程借助（zhù）OpenGL 三維圖形引擎功能實現機床幾何建模和運動仿（fǎng）真；（2）通過CAD 軟件建立虛擬機床幾何（hé）建模或直接利用虛擬製（zhì）造軟件來實現，例如美國CGTech 公（gōng）司的VERICUT 等。由於（yú）虛擬製造軟件（jiàn）中一般配置了常見機床（chuáng）的控製係統，可以（yǐ）不需要編（biān）程來建立機床的幾何模型，還可設置各數控指令的含義及運動方（fāng）式，所以更為方便快（kuài）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（zài）仿真、驗證和分析NC 程序（xù）時，能夠檢（jiǎn）測錯誤自動報警，並統計出錯誤的數量（liàng）及發生位置[2]。其（qí）仿真流程，如圖1 所示。

      3 葉輪（lún）加工仿真

      加工（gōng）的葉輪零件為某流體機械使用（yòng）的誘導輪，如圖2 所示。該型葉輪的（de）結構特點為：葉片薄，葉片前端最薄處僅1.5mm；流（liú）道深，流道開口最深處達33.75mm；間距（jù）小，相鄰葉片最（zuì）小間距僅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，加工（gōng）時必須采用細長刀具，刀軸的控製較為困難，同時，由於防鏽、防腐蝕的需要，葉輪毛坯采用了難加工材料（liào）不鏽鋼00Cr17Ni14Mo2，材料的（de）化學成分，如表1 所示。由於各合金元素的作用，製造中容易出現（xiàn）大量的（de）工藝問題。

      加工使用的機床為（wéi）德國進口的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（gè）旋轉軸，其中C 軸（zhóu）依附於Z 軸，Y 軸依附於X 軸，B 軸依附於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（shè）計數據，在UG 中（zhōng）建立（lì）葉輪的三維模型，如圖2 所示。按（àn）照（zhào）前文所述的仿真流程，分（fèn）別建立（lì）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 分析與改（gǎi）進

      （1）仿真中發現，原加工方（fāng）案（àn）中使用的圓柱球（qiú）頭銑刀剛度不夠，加工中容易折斷，改進後重新選擇為（wéi）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）仿真發現葉片粗加工工序存在過切，同時流道開（kāi）槽精加工後表麵質量不能達到允許值要求，因此需要（yào）對加（jiā）工參數進（jìn）行優化。

      改變加工策略，從“低轉速高進給量”優化（huà）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，優化後的加工方案有利於解決前文所述（shù）的不鏽鋼加工難題（tí），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，同時也（yě）提（tí）高（gāo）了加工效率，加工時間降低20%左右，最終的（de）成品，如圖8 所示。

      5 結論

      複雜曲（qǔ）麵零件（如流體機械（xiè）中的葉輪）的數控加工中，采用軟（ruǎn）件生成的NC 程序（xù）相當複雜，為了確（què）保程序的正（zhèng）確性（xìng）和高效性，利用仿真軟件對其進行驗證、分析和優化，可（kě）有效地保證刀具路徑（jìng）精度（dù）、零件質量和避免機床碰撞。

      本文指出了對不鏽鋼葉輪進行（háng）數控加工的技術難點，引入了仿真技術加以解（jiě）決。提（tí）出（chū）了仿真方法和仿真流（liú）程，並（bìng）基於VERICUT 仿真平台，以某型葉（yè）輪的數（shù）控加工為例，具體進行了（le）加工仿真。基於對（duì）仿真結（jié）果的分析，發現（xiàn）了初始加工方案存在的問題，經過改變刀具、優化加工方案後，重新進（jìn）行仿真並實際完成加工。實踐證明，針（zhēn）對葉輪數控加工（gōng），特別是不鏽鋼材料的（de）葉輪，采（cǎi）用仿真技術（shù）可以增大加（jiā）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（de）葉輪加工水平具有（yǒu）較好的現實意義。