整體式葉輪零件五軸聯(lián)動加工仿真及應(yīng)用研究

曹旭妍

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300)

葉輪作為重要的動力傳遞零件，在航天、航空、汽車等多個領(lǐng)域具有重要作用。然而葉輪零件的葉片結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，這給生產(chǎn)加工帶來很大難度。傳統(tǒng)的葉輪加工采用鑄造及拋光等工藝來實現(xiàn)，該方式不僅費用高昂且零件的動平衡性能很難得到滿足。五軸數(shù)控加工技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展使得整體式葉輪的高效、高質(zhì)量加工成為可能[1]。歐美等發(fā)達國家在五軸加工方面開展了深入的研究，將五軸技術(shù)廣泛應(yīng)用于發(fā)動機葉輪及葉片的加工，極大提高了葉輪質(zhì)量；日本也在葉輪的五軸加工方面取得顯著的成果，其五軸加工技術(shù)處于世界領(lǐng)先位置。由于在五軸應(yīng)用方面我國起步較晚，加上發(fā)達國家對我國采取的技術(shù)封鎖，使得我國的五軸應(yīng)用技術(shù)目前仍落后于發(fā)達國家。但近年來，在國家和企業(yè)需求的推動下，我國五軸加工技術(shù)取得了顯著進展，在五軸聯(lián)動技術(shù)的應(yīng)用和開發(fā)方面獲得了大量的研究成果和經(jīng)驗。

盡管我國在五軸技術(shù)的應(yīng)用方面已取得很大的進步，但目前國內(nèi)在五軸機床的高效應(yīng)用上仍存在一些不足。比較突出的問題是五軸機床應(yīng)用中數(shù)控(numerical control，NC)程序的獲取和正確性檢驗較為困難，由于程序指令中往往包含了多個運動軸的信息，通過人力很難實現(xiàn)程序的編寫及錯誤的識別。而采用自動編程技術(shù)，通過在CATIA軟件中實現(xiàn)對復(fù)雜葉輪零件的三維建模并對其進行工藝處理，生成刀具運動的軌跡文件；然后基于后處理軟件IMSPOST開發(fā)機床專用的后置處理器，對刀具運動軌跡文件進行后置處理，生成機床能直接識別的NC程序，就能解決五軸加工中NC程序獲取困難的問題。

傳統(tǒng)的NC程序檢驗往往采用樣件試切的方法，該方法一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)NC程序的正確性檢驗，但該方法不僅消耗大量的人力、物力，同時由于加工中存在潛在的碰撞、干涉等情況，會給機床安全造成較大威脅。而基于VERICUT平臺建立機床的虛擬仿真系統(tǒng)，在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)零件的仿真加工，就能驗證NC程序的正確性。該方法不僅高效、快速，還能省卻大量的物力、財力，同時該方法能夠有效識別加工中可能存在的碰撞、干涉等情況，避免加工中撞刀的危險，保障機床的使用安全[2]。

1 葉輪零件工藝分析及刀具軌跡生成

1.1 工藝分析

在CATIA中建立葉輪零件的三維模型，如圖1所示，該零件為典型的非可展直紋面葉輪，根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合粗加工、半精加工、精加工的加工順序，確立葉輪的加工工藝方案。

1.2 刀具軌跡生成

CATIA具備強大的加工功能，能夠根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合加工工藝分析以及加工環(huán)境設(shè)置，實現(xiàn)刀具走刀路徑的模擬，并生成刀具軌跡文件。該軟件可根據(jù)零件的加工材料及尺寸，建立適合的毛坯模型，并對加工原點、工件坐標系、機床結(jié)構(gòu)等加工前參數(shù)進行設(shè)定[3]。

根據(jù)工藝分析可知，葉輪零件加工主要是對流道及葉片的加工。進行流道加工時，由于流道寬窄不均，直接選擇CATIA中提供的加工方法無法實現(xiàn)零件加工。而通過建立輔助面，將流道進行分割，使其成為一層層的結(jié)構(gòu)，再結(jié)合曲面加工方法，同時設(shè)置相關(guān)加工參數(shù)(刀具參數(shù)、切削模式、步距、切削層數(shù)、進給速度、切削深度)后，就能比較容易完成葉輪零件的刀具軌跡生成，如圖1所示。

圖1 葉輪加工軌跡生成

2 后置處理及NC程序生成

通過工藝處理生成的刀軌文件包含了加工過程中刀具相對于工件的位置、刀軸矢量、換刀指令等刀具運動的全部信息，而這些內(nèi)容以特殊的文件格式(.APT)表現(xiàn)出來，機床無法直接讀取。通過后置處理能夠?qū)Φ盾壩募M行編譯，使其轉(zhuǎn)變?yōu)闄C床能夠直接識別的NC程序，供加工使用。對APT文件進行后置處理時，通常需要開發(fā)專用的后置處理器來實現(xiàn)。

2.1 后置處理器開發(fā)流程

IMSPOST中后置處理器的開發(fā)要與實際機床的結(jié)構(gòu)、控制代碼等相適應(yīng)，需保證走刀路徑中各刀位點的數(shù)值與機床運動保持一致，這樣才能滿足運動軸的行程及運動特性，使得刀具的空間位姿與機床的運動狀態(tài)相適應(yīng)[4]。開發(fā)后置處理器，需要對機床的結(jié)構(gòu)、運動軸行程、切削模式、固定循環(huán)、換刀等多個功能進行定義，其一般流程如圖2所示。

圖2 后置處理器開發(fā)流程

2.2 后置處理器開發(fā)

依據(jù)機床結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)，在IMSPOST中選擇相應(yīng)配置，進行WFL M65后置處理器的開發(fā)。開發(fā)過程中注意對機床運動軸方向的定義、行程的設(shè)置、換刀指令代碼、主軸代碼等G代碼必須保持與實際機床的要求一致。

完成后處理器通用設(shè)置后，應(yīng)根據(jù)機床實際運動功能，定制對刀具位置及角度進行換算的宏命令“GOTO”。由于WFL M65機床具有車銑復(fù)合加工功能，存在“車削”、“銑削”兩種加工模式，而在四軸及以下加工中不需要用到RTCP(刀尖跟隨)功能，因此需要對“五軸”和“四軸以下”加工模式分別定義不同的“GOTO”指令。在“四軸以下”后置處理中，需要區(qū)分“車削”和“銑削”兩種不同模式，分別對不同模式下的刀具坐標換算進行定義和宏命令編寫。“五軸”模式下由于存在兩個旋轉(zhuǎn)軸，其運動會引起刀具中心產(chǎn)生位移，而刀具長度產(chǎn)生變化后，對每次的數(shù)控加工都會產(chǎn)生影響。因此，五軸加工中通常打開“RTCP”功能，直接根據(jù)刀具的中心軌跡來進行編程，這樣就無須考慮旋轉(zhuǎn)軸距產(chǎn)生的變化。通過開發(fā)后置處理器對前置刀軌文件APT進行后置處理，即可得到葉輪加工所需的NC程序。

3 構(gòu)建機床虛擬仿真系統(tǒng)

由于葉輪零件的五軸加工不僅包含了X,Y,Z3個直線運動軸，同時還有兩個旋轉(zhuǎn)運動軸B和C，因此程序的正確性很難通過人力來識別。傳統(tǒng)的NC程序正確性檢驗通常是采用樣件試切的方法，通過對試件進行實際加工，逐步驗證NC程序的正確性。采用傳統(tǒng)方法雖能對NC程序的正確性進行實際檢驗，但該方法不僅浪費大量的人力、物力，同時還無法對機床的安全性提供保障，尤其對于五軸機床來說，一次撞刀就可能給企業(yè)帶來較大經(jīng)濟損失。通過VERICUT平臺，構(gòu)建機床的虛擬仿真系統(tǒng)，能夠在不耗費實際物資的情況下，快速實現(xiàn)零件的仿真加工，檢驗NC程序的正確性，保障機床使用中的安全性[5]。

3.1 構(gòu)建機床幾何模型

建立機床的虛擬仿真系統(tǒng)，首先要建立機床各運動軸間的邏輯關(guān)系。VERICUT中機床運動部件間的依附關(guān)系靠結(jié)構(gòu)樹來實現(xiàn)，根據(jù)機床運動軸間的運動關(guān)系，構(gòu)建機床結(jié)構(gòu)樹，如圖3所示。

圖3 機床結(jié)構(gòu)樹

機床結(jié)構(gòu)樹構(gòu)建完成后，將各運動部件的幾何模型導(dǎo)入相應(yīng)位置，即可完成虛擬系統(tǒng)幾何模型的構(gòu)建。機床的幾何模型既可在VERICUT中直接建立，也可在CATIA等三維軟件中建立后導(dǎo)入VERICUT中。機床幾何模型建立后，還需對機床參數(shù),如刀具偏置(對刀點)、機床零點、碰撞檢查等進行設(shè)置，確保虛擬仿真系統(tǒng)具有與實際機床一致的加工功能，WFL M65的機床模型如圖4所示。

3.2 控制系統(tǒng)二次開發(fā)

VERICUT仿真軟件中提供了多種常用的控制系統(tǒng)，根據(jù)WFL M65的控制系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)庫中進行選擇。由于機床廠家對機床的G代碼做了特殊定制，常用的G代碼與該機床實際不符，因此需專門對控制系統(tǒng)做二次開發(fā)，定制符合機床實際需求的加工代碼。

圖4 機床虛擬仿真模型

1)換刀代碼。與通用“換刀”功能不同，WFL M65機床中，“換刀”功能是通過代碼TLPREP1(“T1 刀名”)及TLCH1 (“T1 刀名”, 刀軸角度)共同實現(xiàn)的。換刀前需進行“刀具預(yù)調(diào)用”，通過“TLPREP1”代碼實現(xiàn)刀具準備；代碼“TLCH1”及其附帶參數(shù)實現(xiàn)刀具的更換，其所帶參數(shù)需對換刀動作完成后刀軸的角度進行確定，否則容易發(fā)生刀具碰撞事故。

2)五軸開關(guān)功能。該機床具備五軸聯(lián)動功能，進行一般的四軸及以下加工時，機床不應(yīng)打開RTCP(刀尖跟隨)功能；而進行五軸加工時，因為存在兩個旋轉(zhuǎn)軸，其運動會引起刀具中心的位移，需打開RTCP功能。因此，需定制RTCP功能開/關(guān)的指令代碼“MILL5AON”及“MILL5AOF”，如圖5所示。

圖5 五軸加工代碼

4 仿真加工及實際驗證

4.1 虛擬仿真加工

在虛擬仿真加工系統(tǒng)中進行葉輪的仿真加工，不但能用彩色的三維圖像逼真地顯示加工中刀具的走刀路線及毛坯切削過程，還能直接觀察機床各運動軸的空間位姿。此外，通過仿真加工，能夠預(yù)判加工中可能存在的干涉、碰撞等加工問題，便于技術(shù)人員對存在的問題進行排除，保障實際加工中機床的使用安全。該整體式葉輪的虛擬仿真加工如圖6所示。

圖6 葉輪仿真加工

4.2 加工結(jié)果檢測

仿真加工結(jié)束后，對加工結(jié)果進行檢測分析，判斷加工結(jié)果中是否存在過切、欠切等問題，為工藝的優(yōu)化提供依據(jù)。將加工后零件與設(shè)計零件進行比較，如圖7所示，可明顯看出該零件加工后無過切現(xiàn)象，但是在葉片根部及葉輪表面有殘留量。因此，在完成該加工程序后，還需進行專門的清根加工，以達到零件的加工要求。

圖7 葉輪加工后檢測

4.3 NC程序優(yōu)化

VERICUT中提供了NC程序的自動優(yōu)化模塊，該模塊能夠?qū)υ闯绦蛑械闹鬏S轉(zhuǎn)速、進給速度進行優(yōu)化，但不改變源程序中的刀具軌跡，因而保證了優(yōu)化后程序不影響原加工過程。NC程序優(yōu)化時，優(yōu)化參數(shù)針對不同的切削刀具進行設(shè)置，通常優(yōu)化參數(shù)根據(jù)生產(chǎn)實際經(jīng)驗以及生產(chǎn)廠家推薦得來，主要分為軸向切深、圓弧形切寬、每分鐘進給、主軸轉(zhuǎn)速等。圖8所示為對加工中所使用的刀具進行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。

圖8 刀具參數(shù)設(shè)置

在進行NC程序優(yōu)化時，需對加工工件的材料及機床類型進行設(shè)定。優(yōu)化完成后，通過如圖9所示窗口可直接觀察到優(yōu)化后的加工程序比未優(yōu)化的程序用時減少，因此在實際應(yīng)用中機床的有效加工時間也會相應(yīng)減少，提高了機床的使用效率。

圖9 優(yōu)化結(jié)果信息

4.4 實際驗證

通過仿真加工能夠直觀地對葉輪加工過程進行觀察，同時能夠預(yù)知加工中存在的問題以及零件的加工質(zhì)量。根據(jù)這些信息，可以判定NC程序的正確性及合理性，進而實現(xiàn)對工藝及NC程序的修改與優(yōu)化，提高零件的加工精度和質(zhì)量。仿真加工順利實現(xiàn)了NC程序的正確性驗證，但其與實際加工過程是否一致，還需進行實際驗證。

將葉輪毛坯、NC程序載入機床中，進行葉輪的實際加工，觀察加工過程與仿真是否一致。如圖10所示。

圖10 葉輪實際加工圖

對比實際加工與仿真加工的過程及結(jié)果，確信該仿真系統(tǒng)具有與實際機床一致的加工功能。通過仿真加工，能夠準確、可靠地對NC程序正確性進行檢測，保障機床使用安全，同時提高機床的加工效率。

5 結(jié)束語

通過自動編程及虛擬仿真技術(shù)，可以很好地解決五軸機床應(yīng)用中數(shù)控程序獲取困難且正確性難以檢測的問題，為五軸機床的高效、高質(zhì)量應(yīng)用提供了一種切實可行的方法。但是，目前的虛擬仿真加工僅進行了幾何仿真，未考慮到加工中的切削應(yīng)力、熱變形等物理因素，因此尚不能實現(xiàn)更加貼近機床實際加工的物理仿真。通過仿真加工能夠很好地實現(xiàn)對數(shù)控程序的正確性檢驗，但仿真加工結(jié)果與實際加工必然存在些許差異。因而后續(xù)的研究將盡可能地實現(xiàn)對加工過程的物理仿真，進一步提高虛擬仿真加工的實際指導(dǎo)意義。

[1] 牟世剛．基于VERICUT的整體葉輪五軸數(shù)控加工仿真[J]．煤礦機械，2008，29(10)：164-165.

[2] 朱銘，蘇鐵熊，張艷崗．基于Pro/E & VERICUT 的曲面加工仿真及優(yōu)化[J]．組合機床與自動化加工技術(shù)，2013(10)：105-107.

[3] 于文凱，張松，陳艷，等．基于VERICUT的銑車復(fù)合加工中心仿真系統(tǒng)研究[J]．機床與液壓，2015，43(11)：133-136.

[4] 丁剛強．整體葉輪五軸數(shù)控加工技術(shù)的研究[J]．制造技術(shù)與機床，2013(4)：100-103.

[5] 于斐，蔣玲玲．基于VERICUT的整體葉輪五軸聯(lián)動數(shù)控加工仿真[J]．機械設(shè)計與制造，2010(7)：159-160.