整体式叶轮零件五轴联动加工仿真及应用研究

曹旭妍

(陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300)

叶轮作为重要的动力传递零件，在航天、航空、汽车等多个领域具有重要作用。然而叶轮零件的叶片结构比较复杂，这给生产加工带来很大难度。传统的叶轮加工采用铸造及抛光等工艺来实现，该方式不仅费用高昂且零件的动平衡性能很难得到满足。五轴数控加工技术的出现和发展使得整体式叶轮的高效、高质量加工成为可能[1]。欧美等发达国家在五轴加工方面开展了深入的研究，将五轴技术广泛应用于发动机叶轮及叶片的加工，极大提高了叶轮质量；日本也在叶轮的五轴加工方面取得显著的成果，其五轴加工技术处于世界领先位置。由于在五轴应用方面我国起步较晚，加上发达国家对我国采取的技术封锁，使得我国的五轴应用技术目前仍落后于发达国家。但近年来，在国家和企业需求的推动下，我国五轴加工技术取得了显著进展，在五轴联动技术的应用和开发方面获得了大量的研究成果和经验。

尽管我国在五轴技术的应用方面已取得很大的进步，但目前国内在五轴机床的高效应用上仍存在一些不足。比较突出的问题是五轴机床应用中数控(numerical control，NC)程序的获取和正确性检验较为困难，由于程序指令中往往包含了多个运动轴的信息，通过人力很难实现程序的编写及错误的识别。而采用自动编程技术，通过在CATIA软件中实现对复杂叶轮零件的三维建模并对其进行工艺处理，生成刀具运动的轨迹文件；然后基于后处理软件IMSPOST开发机床专用的后置处理器，对刀具运动轨迹文件进行后置处理，生成机床能直接识别的NC程序，就能解决五轴加工中NC程序获取困难的问题。

传统的NC程序检验往往采用样件试切的方法，该方法一定程度上能够实现NC程序的正确性检验，但该方法不仅消耗大量的人力、物力，同时由于加工中存在潜在的碰撞、干涉等情况，会给机床安全造成较大威胁。而基于VERICUT平台建立机床的虚拟仿真系统，在虚拟环境中实现零件的仿真加工，就能验证NC程序的正确性。该方法不仅高效、快速，还能省却大量的物力、财力，同时该方法能够有效识别加工中可能存在的碰撞、干涉等情况，避免加工中撞刀的危险，保障机床的使用安全[2]。

1 叶轮零件工艺分析及刀具轨迹生成

1.1 工艺分析

在CATIA中建立叶轮零件的三维模型，如图1所示，该零件为典型的非可展直纹面叶轮，根据零件的结构特点，结合粗加工、半精加工、精加工的加工顺序，确立叶轮的加工工艺方案。

1.2 刀具轨迹生成

CATIA具备强大的加工功能，能够根据零件的结构特点，结合加工工艺分析以及加工环境设置，实现刀具走刀路径的模拟，并生成刀具轨迹文件。该软件可根据零件的加工材料及尺寸，建立适合的毛坯模型，并对加工原点、工件坐标系、机床结构等加工前参数进行设定[3]。

根据工艺分析可知，叶轮零件加工主要是对流道及叶片的加工。进行流道加工时，由于流道宽窄不均，直接选择CATIA中提供的加工方法无法实现零件加工。而通过建立辅助面，将流道进行分割，使其成为一层层的结构，再结合曲面加工方法，同时设置相关加工参数(刀具参数、切削模式、步距、切削层数、进给速度、切削深度)后，就能比较容易完成叶轮零件的刀具轨迹生成，如图1所示。

图1 叶轮加工轨迹生成

2 后置处理及NC程序生成

通过工艺处理生成的刀轨文件包含了加工过程中刀具相对于工件的位置、刀轴矢量、换刀指令等刀具运动的全部信息，而这些内容以特殊的文件格式(.APT)表现出来，机床无法直接读取。通过后置处理能够对刀轨文件进行编译，使其转变为机床能够直接识别的NC程序，供加工使用。对APT文件进行后置处理时，通常需要开发专用的后置处理器来实现。

2.1 后置处理器开发流程

IMSPOST中后置处理器的开发要与实际机床的结构、控制代码等相适应，需保证走刀路径中各刀位点的数值与机床运动保持一致，这样才能满足运动轴的行程及运动特性，使得刀具的空间位姿与机床的运动状态相适应[4]。开发后置处理器，需要对机床的结构、运动轴行程、切削模式、固定循环、换刀等多个功能进行定义，其一般流程如图2所示。

图2 后置处理器开发流程

2.2 后置处理器开发

依据机床结构及控制系统，在IMSPOST中选择相应配置，进行WFL M65后置处理器的开发。开发过程中注意对机床运动轴方向的定义、行程的设置、换刀指令代码、主轴代码等G代码必须保持与实际机床的要求一致。

完成后处理器通用设置后，应根据机床实际运动功能，定制对刀具位置及角度进行换算的宏命令“GOTO”。由于WFL M65机床具有车铣复合加工功能，存在“车削”、“铣削”两种加工模式，而在四轴及以下加工中不需要用到RTCP(刀尖跟随)功能，因此需要对“五轴”和“四轴以下”加工模式分别定义不同的“GOTO”指令。在“四轴以下”后置处理中，需要区分“车削”和“铣削”两种不同模式，分别对不同模式下的刀具坐标换算进行定义和宏命令编写。“五轴”模式下由于存在两个旋转轴，其运动会引起刀具中心产生位移，而刀具长度产生变化后，对每次的数控加工都会产生影响。因此，五轴加工中通常打开“RTCP”功能，直接根据刀具的中心轨迹来进行编程，这样就无须考虑旋转轴距产生的变化。通过开发后置处理器对前置刀轨文件APT进行后置处理，即可得到叶轮加工所需的NC程序。

3 构建机床虚拟仿真系统

由于叶轮零件的五轴加工不仅包含了X,Y,Z3个直线运动轴，同时还有两个旋转运动轴B和C，因此程序的正确性很难通过人力来识别。传统的NC程序正确性检验通常是采用样件试切的方法，通过对试件进行实际加工，逐步验证NC程序的正确性。采用传统方法虽能对NC程序的正确性进行实际检验，但该方法不仅浪费大量的人力、物力，同时还无法对机床的安全性提供保障，尤其对于五轴机床来说，一次撞刀就可能给企业带来较大经济损失。通过VERICUT平台，构建机床的虚拟仿真系统，能够在不耗费实际物资的情况下，快速实现零件的仿真加工，检验NC程序的正确性，保障机床使用中的安全性[5]。

3.1 构建机床几何模型

建立机床的虚拟仿真系统，首先要建立机床各运动轴间的逻辑关系。VERICUT中机床运动部件间的依附关系靠结构树来实现，根据机床运动轴间的运动关系，构建机床结构树，如图3所示。

图3 机床结构树

机床结构树构建完成后，将各运动部件的几何模型导入相应位置，即可完成虚拟系统几何模型的构建。机床的几何模型既可在VERICUT中直接建立，也可在CATIA等三维软件中建立后导入VERICUT中。机床几何模型建立后，还需对机床参数,如刀具偏置(对刀点)、机床零点、碰撞检查等进行设置，确保虚拟仿真系统具有与实际机床一致的加工功能，WFL M65的机床模型如图4所示。

3.2 控制系统二次开发

VERICUT仿真软件中提供了多种常用的控制系统，根据WFL M65的控制系统，在控制系统库中进行选择。由于机床厂家对机床的G代码做了特殊定制，常用的G代码与该机床实际不符，因此需专门对控制系统做二次开发，定制符合机床实际需求的加工代码。

图4 机床虚拟仿真模型

1)换刀代码。与通用“换刀”功能不同，WFL M65机床中，“换刀”功能是通过代码TLPREP1(“T1 刀名”)及TLCH1 (“T1 刀名”, 刀轴角度)共同实现的。换刀前需进行“刀具预调用”，通过“TLPREP1”代码实现刀具准备；代码“TLCH1”及其附带参数实现刀具的更换，其所带参数需对换刀动作完成后刀轴的角度进行确定，否则容易发生刀具碰撞事故。

2)五轴开关功能。该机床具备五轴联动功能，进行一般的四轴及以下加工时，机床不应打开RTCP(刀尖跟随)功能；而进行五轴加工时，因为存在两个旋转轴，其运动会引起刀具中心的位移，需打开RTCP功能。因此，需定制RTCP功能开/关的指令代码“MILL5AON”及“MILL5AOF”，如图5所示。

图5 五轴加工代码

4 仿真加工及实际验证

4.1 虚拟仿真加工

在虚拟仿真加工系统中进行叶轮的仿真加工，不但能用彩色的三维图像逼真地显示加工中刀具的走刀路线及毛坯切削过程，还能直接观察机床各运动轴的空间位姿。此外，通过仿真加工，能够预判加工中可能存在的干涉、碰撞等加工问题，便于技术人员对存在的问题进行排除，保障实际加工中机床的使用安全。该整体式叶轮的虚拟仿真加工如图6所示。

图6 叶轮仿真加工

4.2 加工结果检测

仿真加工结束后，对加工结果进行检测分析，判断加工结果中是否存在过切、欠切等问题，为工艺的优化提供依据。将加工后零件与设计零件进行比较，如图7所示，可明显看出该零件加工后无过切现象，但是在叶片根部及叶轮表面有残留量。因此，在完成该加工程序后，还需进行专门的清根加工，以达到零件的加工要求。

图7 叶轮加工后检测

4.3 NC程序优化

VERICUT中提供了NC程序的自动优化模块，该模块能够对源程序中的主轴转速、进给速度进行优化，但不改变源程序中的刀具轨迹，因而保证了优化后程序不影响原加工过程。NC程序优化时，优化参数针对不同的切削刀具进行设置，通常优化参数根据生产实际经验以及生产厂家推荐得来，主要分为轴向切深、圆弧形切宽、每分钟进给、主轴转速等。图8所示为对加工中所使用的刀具进行相应的参数设置。

图8 刀具参数设置

在进行NC程序优化时，需对加工工件的材料及机床类型进行设定。优化完成后，通过如图9所示窗口可直接观察到优化后的加工程序比未优化的程序用时减少，因此在实际应用中机床的有效加工时间也会相应减少，提高了机床的使用效率。

图9 优化结果信息

4.4 实际验证

通过仿真加工能够直观地对叶轮加工过程进行观察，同时能够预知加工中存在的问题以及零件的加工质量。根据这些信息，可以判定NC程序的正确性及合理性，进而实现对工艺及NC程序的修改与优化，提高零件的加工精度和质量。仿真加工顺利实现了NC程序的正确性验证，但其与实际加工过程是否一致，还需进行实际验证。

将叶轮毛坯、NC程序载入机床中，进行叶轮的实际加工，观察加工过程与仿真是否一致。如图10所示。

图10 叶轮实际加工图

对比实际加工与仿真加工的过程及结果，确信该仿真系统具有与实际机床一致的加工功能。通过仿真加工，能够准确、可靠地对NC程序正确性进行检测，保障机床使用安全，同时提高机床的加工效率。

5 结束语

通过自动编程及虚拟仿真技术，可以很好地解决五轴机床应用中数控程序获取困难且正确性难以检测的问题，为五轴机床的高效、高质量应用提供了一种切实可行的方法。但是，目前的虚拟仿真加工仅进行了几何仿真，未考虑到加工中的切削应力、热变形等物理因素，因此尚不能实现更加贴近机床实际加工的物理仿真。通过仿真加工能够很好地实现对数控程序的正确性检验，但仿真加工结果与实际加工必然存在些许差异。因而后续的研究将尽可能地实现对加工过程的物理仿真，进一步提高虚拟仿真加工的实际指导意义。

[1] 牟世刚．基于VERICUT的整体叶轮五轴数控加工仿真[J]．煤矿机械，2008，29(10)：164-165.

[2] 朱铭，苏铁熊，张艳岗．基于Pro/E & VERICUT 的曲面加工仿真及优化[J]．组合机床与自动化加工技术，2013(10)：105-107.

[3] 于文凯，张松，陈艳，等．基于VERICUT的铣车复合加工中心仿真系统研究[J]．机床与液压，2015，43(11)：133-136.

[4] 丁刚强．整体叶轮五轴数控加工技术的研究[J]．制造技术与机床，2013(4)：100-103.

[5] 于斐，蒋玲玲．基于VERICUT的整体叶轮五轴联动数控加工仿真[J]．机械设计与制造，2010(7)：159-160.