沖擊式轉(zhuǎn)輪整體數(shù)控加工的計(jì)算機(jī)仿真

羅 靜，周寶倉，柴勤建，龔文均，詹 捷

(1.重慶理工大學(xué)，重慶 400054;2.重慶水輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，重慶 400054)

轉(zhuǎn)輪是確保沖擊式水輪機(jī)綜合性能和可靠運(yùn)行的核心部件［1］，其結(jié)構(gòu)緊湊、幾何形狀復(fù)雜，勺型水斗緊密而又均勻地分布在輪轂外圓上(如圖1所示)，加工時(shí)單純依靠人工編程顯得十分困難。通過結(jié)合轉(zhuǎn)輪的三維數(shù)字造型，運(yùn)用UG軟件的自動編程能力進(jìn)行轉(zhuǎn)輪整體數(shù)控加工編程，并生成走刀路線(又稱刀具的運(yùn)動軌跡)，將生成的走刀路線離散成為刀位點(diǎn)，經(jīng)過相關(guān)后置處理即可生成用于轉(zhuǎn)輪實(shí)際生產(chǎn)加工的數(shù)控程序。因此，設(shè)計(jì)合理的數(shù)控加工走刀路線對轉(zhuǎn)輪的整體數(shù)控加工至關(guān)重要［1－7］。

1 沖擊式轉(zhuǎn)輪整體三維建模

以某型沖擊式轉(zhuǎn)輪為例，其材料為超低碳不銹鋼，直徑約1.2 m，共19個(gè)水斗，單個(gè)水斗高度約為20 cm，水斗根部之間的最小距離為25 mm。應(yīng)用UG軟件對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行整體三維造型，如圖1所示。

圖1 基于UG環(huán)境的沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪三維造型

2 沖擊式轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工難點(diǎn)

由轉(zhuǎn)輪的三維造型可以看出，轉(zhuǎn)輪水斗具有結(jié)構(gòu)緊湊，開放性差，單個(gè)水斗狹長，正背面形狀變化比較復(fù)雜，水斗背面凸起和凹陷部分變化很大，局部出現(xiàn)凸棱和凹棱，曲面數(shù)量繁多而且復(fù)雜，曲面之間過渡方式多樣等特點(diǎn)［8］。因此，在數(shù)控加工過程中易發(fā)生干涉、顫振等現(xiàn)象，再加上坯料為難切削的不銹鋼材質(zhì)的整體毛坯，切削余量大，故對刀路的要求很高。為了保證樣件的加工精度和表面質(zhì)量，提高加工效率，盡量減少走刀路線、刀具空行程和編程工作量，需要根據(jù)水斗的曲面特征、加工情況和刀具特點(diǎn)，以加工路徑最短、切削平穩(wěn)、加工精度與效率高等為原則，選擇合理的走刀方式或走刀路線的組合，使被加工曲面在理論上和實(shí)際切削中均可得到良好的精度［9］。

3 沖擊式轉(zhuǎn)輪整體數(shù)控加工走刀路線

由于轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在確定數(shù)控加工走刀路線的過程中，會出現(xiàn)許多加工和數(shù)控編程難點(diǎn)，因此需要對傳統(tǒng)的數(shù)控加工方式進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。結(jié)合轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及生產(chǎn)實(shí)際，經(jīng)過工藝技術(shù)分析，可以采用三軸數(shù)控機(jī)床結(jié)合數(shù)控轉(zhuǎn)臺的方式來加工轉(zhuǎn)輪水斗內(nèi)外表面，最后通過光整成型。

在編制零件輪廓粗加工程序時(shí)，考慮零件表面余量大，應(yīng)采用逆銑加工方式，以便減少機(jī)床的振動。在編制零件輪廓精加工程序時(shí)，由于精加工要求保證零件的加工精度和表面粗糙度，應(yīng)采用順銑加工方式［10］。另外，在確定走刀路線時(shí)需要注意:刀具在進(jìn)刀和退刀時(shí)應(yīng)沿著轉(zhuǎn)輪輪廓曲線的延長線切向切入和切出轉(zhuǎn)輪表面，以避免加工表面產(chǎn)生駐刀痕跡，影響被加工表面的粗糙度。同時(shí)，可以采取數(shù)控編程過程中的毛坯多層次的順序繼承調(diào)用方法，即每一次完成三維模擬加工后形成的過程工件都可以作為下一序列加工的理論毛坯，以減少數(shù)控過程的走空刀現(xiàn)象，提高加工效率［11］。

3.1 轉(zhuǎn)輪加工部位的選擇

轉(zhuǎn)輪毛坯采用的是整體超低碳不銹鋼鍛件。以轉(zhuǎn)輪的一部分?jǐn)?shù)控加工為例，包括一個(gè)水斗的正面及相鄰一個(gè)水斗的背面，如圖2所示。轉(zhuǎn)輪在開槽加工前應(yīng)首先完成輪轂上的孔、槽、凸臺、端面等部位的加工，以作為后續(xù)加工工序的基準(zhǔn)面和定位面，同時(shí)也可以減少切削量，簡化走刀路線，提高加工效率。轉(zhuǎn)輪開槽加工前的坯料上部和底部如圖3所示。

3.2 轉(zhuǎn)輪的開槽及成型加工

轉(zhuǎn)輪開槽及成型加工的目的是去除水斗的大面積余量以及加工出水斗的外表面輪廓。由于開槽過程中的切削量較大，刀具會受到較大的振動和切削力，加上轉(zhuǎn)輪曲面復(fù)雜、結(jié)構(gòu)緊湊，使得刀具的走刀空間受限，同時(shí)也極易與工件發(fā)生干涉，因此采用三軸銑削很難一次性完成開槽加工。針對這種情況，可以采取分層、分區(qū)的方法，將水斗的開槽部位分為對稱的上下2部分，每一部分單獨(dú)進(jìn)行數(shù)控加工。

對水斗的上部分進(jìn)行開槽粗加工，可以加工出水斗的正面部分和相鄰水斗的背面凸起部分。采用+ZM軸方向的立式三軸型腔銑，刀具為φ50mm的立銑刀，逆銑切削，采用層優(yōu)先的切削順序，切削方式為跟隨周邊，保留6 mm的加工余量，同時(shí)每一刀的全局深度控制在1.5 mm。為了避免加工過程中刀具、刀柄與轉(zhuǎn)輪發(fā)生干涉，將最小安全距離設(shè)置為5 mm。生成的走刀路線如圖4所示。水斗下部的加工方式及走刀路線與上部類似。開槽粗加工后的過程工件如圖5所示。

接下來需要對水斗正面其余部分、相鄰水斗的背面凹陷部分和水斗根部進(jìn)行成型粗加工，使水斗的輪廓初步顯現(xiàn)出來。由于水斗背部曲面曲率變化大，曲面連接復(fù)雜，若采用+Z軸方向的立式加工，一方面水斗背部的凹陷部位難以加工到，另一方面也容易產(chǎn)生加工干涉和過切。因此采用臥式三軸型腔銑，刀軸與水斗正面平行的加工方式，既可以加工到水斗背面難加工部位，有效避免產(chǎn)生加工干涉和過切，又可以保證水斗表面加工質(zhì)量和加工效率。采用φ50mm的立銑刀，UG加工參數(shù)的設(shè)置與轉(zhuǎn)輪上半部單個(gè)水斗開槽粗加工時(shí)的參數(shù)類似，生成的走刀路線如圖6所示。

粗加工出水斗輪廓后緊接著需要進(jìn)行水斗輪廓的半精加工和精加工。由于粗加工后的水斗表面類似于山坡上的梯田，半精加工就是銑掉“梯田”的臺階，從而使加工余量進(jìn)一步減少，更加接近實(shí)際形狀［12］。在半精加工的基礎(chǔ)上再進(jìn)行精加工，最終加工出水斗的理論曲面，并同時(shí)保證加工精度，包括尺寸精度、形位精度以及表面粗糙度等。由于粗加工時(shí)已經(jīng)去除了坯料大部分加工余量，通過采用+ZM軸方向立式等高輪廓銑的半精加工、精加工方法，使其產(chǎn)生的加工路徑在水斗曲面輪廓的等高線上，走刀軌跡被限制在二維平面中，方便了刀具軌跡的優(yōu)化，空走刀現(xiàn)象大大減少，從而可以保持切削速度和進(jìn)給率，提高加工效率。半精加工和精加工時(shí)生成的走刀路線如圖7所示，開槽精加工完成后的轉(zhuǎn)輪工件如圖8所示。

圖8 輪廓精加工后的轉(zhuǎn)輪水斗

3.3 水斗的內(nèi)表面加工

水斗內(nèi)表面的加工是整個(gè)數(shù)控加工過程中極為關(guān)鍵的一環(huán)，其加工質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到水輪機(jī)的發(fā)電效率和使用壽命。由于水斗內(nèi)表面的開放性差，水斗的間距小，走刀空間十分有限，使得在加工過程中刀具極易與被加工水斗及相鄰水斗發(fā)生干涉。因此，選擇合理的進(jìn)退刀方式以避免發(fā)生干涉，是數(shù)控編程過程中需要首先解決的問題。針對水斗的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及表面特征，采用臥式進(jìn)退刀、刀軸與水斗正面呈一定角度的加工方式，同時(shí)在編程過程中采取多區(qū)域干涉檢查及刀具和刀柄防撞干涉檢查，合理解決了加工過程中的干涉問題。

接下來需要選擇合適的銑削方法。由于銑削時(shí)刀軸需要與水斗正面呈不同的夾角，僅僅采用三軸臥式銑削是不夠的，還需要加上數(shù)控轉(zhuǎn)臺。這樣就可以通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪，使水斗正面與刀軸呈一定夾角，并控制刀具與水斗內(nèi)表面切觸點(diǎn)的位置，從而控制刀具在銑削過程中的受力狀態(tài)，盡量減小刀具的徑向受力，減輕刀具的磨損及振動，最終提高加工質(zhì)量及加工效率。

在加工過程中，刀具在軸向進(jìn)給的同時(shí)又要徑向進(jìn)給，因此，內(nèi)表面的數(shù)控加工均采用帶中心切削刃的球形銑刀。在粗加工內(nèi)表面時(shí)采用φ50mm的球形銑刀，以刀軸方向與水斗正面分別呈60°、30°夾角的加工順序進(jìn)行臥式型腔銑，每一刀的全局深度控制在2 mm，安全距離控制在10 mm，加工余量6 mm。生成的走刀路線如圖9所示，過程工件如圖10所示。

半精加工時(shí)的UG參數(shù)與粗加工時(shí)類似，采用φ25mm帶中心切削刃的球形銑刀，以刀軸方向與水斗正面分別呈 75°、45°、15°夾角的加工順序進(jìn)行臥式型腔銑，每一刀的全局深度控制在1 mm，安全距離控制在8 mm，加工余量2 mm。生成的走刀路線如圖11所示，過程工件如圖12所示。

圖11 水斗內(nèi)表面半精加工刀軸呈75°、45°、15°夾角時(shí)的走刀路線

圖12 水斗內(nèi)表面半精加工后的過程工件

同樣，精加工時(shí)采用φ8mm的球形銑刀，以刀軸方向與水斗正面分別呈 85°、70°、67°、50°、25°的加工順序進(jìn)行臥式型腔銑，每一刀的全局深度控制在0.3 mm，安全距離控制在5 mm，加工余量為0.2 mm。生成的走刀路線如圖13所示。

圖13 水斗內(nèi)表面精加工刀軸呈85°、70°、67°、50°、25°夾角時(shí)的走刀路線

3.4 走刀路線的后置處理

在UG加工模塊中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)輪數(shù)控加工走刀路線需要進(jìn)行進(jìn)給率平順化、轉(zhuǎn)彎減速及加速、碰撞及過切檢驗(yàn)、材料切除率均勻化檢驗(yàn)等一系列優(yōu)化［13］。將優(yōu)化后的走刀路線進(jìn)行驗(yàn)證并確認(rèn)準(zhǔn)確無誤，然后進(jìn)行后置處理，最后將后置處理生成的NC文件(即自動生成數(shù)控加工程序)直接輸入數(shù)控加工設(shè)備，即可用于轉(zhuǎn)輪水斗的實(shí)體加工。

4 結(jié)束語

以轉(zhuǎn)輪水斗的UG軟件三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過對轉(zhuǎn)輪加工工藝路線、加工尺寸、刀具尺寸、切削方式等進(jìn)行綜合分析和設(shè)定，能夠直觀、準(zhǔn)確、快速地進(jìn)行數(shù)控編程，并生成合理的數(shù)控加工走刀路線。通過對整個(gè)切削過程進(jìn)行加工仿真，可以很方便地判斷在曲面加工過程中是否發(fā)生過切、欠切或碰撞等干涉現(xiàn)象，以及所選擇的刀具、進(jìn)退刀方式、走刀路線是否合理，從而對其進(jìn)行必要的編輯修改［14］，最終可以得到科學(xué)、合理、高效的走刀路線及數(shù)控加工程序，從而彌補(bǔ)了人工編程的諸多不足，避免了對工件的試切加工，降低加工成本，大大縮短轉(zhuǎn)輪的整個(gè)生產(chǎn)加工周期，對提高轉(zhuǎn)輪的加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

［1］羅靜，龔文均，才迎慶，等.沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪整體設(shè)計(jì)制造技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2010(10):127－130.

［2］郭森，章文晉.基于任務(wù)效能的數(shù)控中心RMS綜合評價(jià)［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2010，31(12):84－86.

［3］米林，吳慶林，陳然，等.復(fù)雜回轉(zhuǎn)體工件數(shù)控磨削加工建模［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2011，32(1):70－72.

［4］鄢萍，李超，劉飛.一種基于宏指令的數(shù)控加工進(jìn)度采集方法［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，24(6):18 －22.

［5］王鵬飛，趙敬云.基于STEP－NC的農(nóng)機(jī)數(shù)控制造技術(shù)研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011(13):8102－8103

［6］謝靖超，鄭貝貝.數(shù)控機(jī)床工作臺抖動的原因及分析［J］.自動化與儀器儀表，2011(5):126 －128.

［7］劉偉軍.數(shù)控機(jī)床零點(diǎn)飄移的研究［J］.自動化與儀器儀表，2010(1):119－121.

［8］王啟會，金殿彪.沖擊式水輪機(jī)模型水斗的數(shù)控加工［J］.大電機(jī)技術(shù)，2005(3):53 －55.

［9］王衛(wèi)兵，MasterCAM.數(shù)控編程實(shí)用教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［10］盧金火.模具數(shù)控加工中的走刀方式和切削方向的選擇［J］.汽車工藝與材料，1998(10):13－15.

［11］王波，劉獻(xiàn)禮，杜金成，等.沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪水斗整體數(shù)控加工工藝及編程技術(shù)的研究［J］.大電機(jī)技術(shù)，2010(3):40－44.

［12］李彪.銑削曲面應(yīng)注意的問題［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2009(1):83.

［13］賀戰(zhàn)濤.高速銑削時(shí)生成刀具軌跡的優(yōu)化設(shè)置［J］.工具技術(shù)，2002(12):35－37.

［14］何仁琪，嚴(yán)思杰，周云飛.曲面數(shù)控加工精度的研究［J］.機(jī)床與液壓，2006(9):80 －83.