整体叶轮五轴数控加工与仿真优化研究

杨 飞 张 虎 宋佳娜

(无锡职业技术学院 机械技术学院， 江苏 无锡 214121)

整体叶轮是增压装置的核心部件，在航空、能源、水利水电、石化、汽车等领域有着广泛的应用。为了满足整体叶轮的动力学性能，叶片常采用大扭角、根部变圆角的结构，并需要较高的形状精度和较好的表面质量，这都给整体叶轮的工艺设计和加工提出了较高的要求[1]。

本文以企业实际生产的某型增压装置的整体叶轮为例，应用CATIA软件对整体叶轮逆向造型设计，采用Cimatron软件编制整体叶轮的NC程序，通过 Vericut软件进行整体叶轮的加工仿真和程序优化，最后采用优化后的程序在DMU60 monoBLOCK五轴数控机床上对整体叶轮进行实际加工，提高了整体叶轮的加工效率和表面质量，缩短了加工周期，降低了生产成本。

1 叶轮的设计

逆向技术应用计算机图形与设计软件，对产品快速反求设计，缩短产品研制周期，尤其对没有原始几何信息的零件，逆向技术往往是完成零件精确几何造型的有效手段。整体叶轮的逆向设计流程如下：数据采集(3D扫描)、数据(点云)处理、曲线拟合、曲面拟合、实体建模，得到整体叶轮三维模型，如图1所示。

图1 整体叶轮三维模型

2 整体叶轮的加工特点和加工工艺

2.1 整体叶轮的加工特点

文中的整体叶轮中有5片一级叶片和5片二级叶片，叶片直径为Φ88 mm，叶片厚度为0.90 mm，叶片曲面和流道曲面之间的过渡圆角为半径5 mm，相邻叶片间最小距离为8.10 mm,叶片的最大投影距离为22.67 mm。在加工之前，将整体叶轮划分为：叶轮叶片曲面、叶轮流道曲面、包覆曲面和过渡圆角，如图2所示。

图2 叶轮加工区域划分

整体叶轮加工的难点在于：其叶片较薄，刚性较低，加工过程中极易发生变形；叶片曲面为自由曲面，扭曲形成倒扣面，相邻叶片的间距较小，加工过程中极易与刀具、刀柄等发生干涉；叶轮的流道曲面狭窄，在清角加工和精加工时，刀具的直径小、刚度低，容易折断[2]。

2.2 整体叶轮的加工工艺分析

(1) 整体叶轮的加工方案。整体叶轮的加工区域主要是叶轮的叶片曲面和流道曲面，其加工过程分为粗加工、半精加工和精加工。

为保证叶轮的强度，选择锻铝材料作为毛坯，初始毛坯选择为Φ90 mm×200 mm的棒材；为保证叶片曲面的表面质量和形状精度，选用五轴机床DMU60 monoBLOCK加工整体叶轮[3]。在满足叶轮使用要求、提高加工效率的准则下，确定加工方案流程图，如图3所示。

图3 整体叶轮加工方案流程

(2) 切削参数的确定。切削参数包括：背吃刀量、进给量和切削速度。在实际的加工中，切削参数是影响零件表面质量和加工效率的重要因素。

背吃刀量一般要根据工艺系统的刚度确定，如机床的刚度、刀具和工件的刚性等，工艺系统的刚性越大，背吃刀量越大，反之则背吃刀量越小；进给量的选取要与零件的表面粗糙度适应，并兼顾其精度的要求；在保证刀具的耐用度的情况下，提高零件的表面质量和加工效率，确定合适的切削速度。同时要根据经验、机床精度、刀具的品质、零件的材料以及加工成本等多个方面，合理调整切削参数来最终确定最优的切削参数[4]。本文结合机床的实际应用情况及参考相关文献[5]，设定加工工艺参数，见表1。

3 整体叶轮的CAM编程

在确定加工工艺后，需编制刀具轨迹，优异的刀具轨迹可保证零件有较好的表面质量和加工效率[6]。在Cimatron中编制整体叶轮的刀路轨迹。

(1) 粗加工刀路轨迹的编制。粗加工要求去除大量的材料，本次粗加工分为叶轮的整体粗加工和叶片倒扣部分粗加工。采用Cimatron中“体积铣”的“环绕粗铣”编制整体叶轮粗加工的刀路轨迹，如图4所示。

表1 整体叶轮的可参考加工参数

(2) 半精加工刀路轨迹的编制。半精加工是为了进一步去除粗加工后留下的余量，余量均匀。在Cimatron中创建五轴“航空铣”刀路轨迹，对叶片曲面、流道曲面和包覆曲面进行半精加工。其中叶片曲面的半精加工刀路轨迹，如图5所示。

(3) 精加工刀路轨迹的编制。对叶轮的精加工采取五轴“航空铣”，为叶片曲面、流道曲面和包覆曲面编制精加工刀路轨迹。其中流道曲面和包覆曲面的精加工道路轨迹，如图6所示。在Cimatron中确保生成的刀具轨迹无干涉等问题后，即可进行后置处理生成NC程序。

4 VERICUT加工仿真和程序优化

VERICUT是一款先进的数控加工仿真软件，具有强大的加工仿真、验证、优化及分析功能，能够正确地反映在真实加工中刀具、毛坯、夹具及各轴的运动情况[7]1，可以检测加工过程中可能存在的碰撞、干涉、过切和欠切等问题，同时还可以对NC程序进行优化，提高加工效率，改善零件的表面质量。

五轴加工中心运动相对多样，加工的成本较高，整体叶轮必须采用五轴联动加工，其刀路轨迹较为复杂。为进一步确保NC程序的安全性，提高加工效率和整体叶轮的表面质量，在VERICUT中构建了DMU60 monoBLOCK五轴数控仿真平台，对整体叶轮的NC程序进行仿真验证及优化，其操作流程，如图7所示。

图7 VERICUT加工仿真和刀具轨迹优化的流程

4.1 五轴数控仿真平台的构建

DMU60 monoBLOCK的五轴数控仿真平台的构建包括四个步骤[7]82-83。

(1) 建立机床的几何模型。通过实测五轴机床DMU60 monoBLOCK并在UG NX软件中建模和装配，得到五轴机床DMU60 monoBLOCK的三维装配模型，如图8所示。

图8 五轴机床DMU60 monoBLOCK的三维装配模型

(2) 建立机床的运动学模型。在VERICUT中，构建DMU60 monoBLOCK的五轴数控仿真平台的运动模型要明确各组件之间的运动关系，根据实际机床的运动确定其两大传动链，如图9所示。

根据图9所示的运动学关系在VERICUT中添加机床床身、三个线性轴(X轴、Y轴和Z轴)、两个旋转轴(B轴和C轴)、主轴、刀具以及附属(夹具、工件和毛坯)组件，再添加相应的组件模型，DMU60 monoBLOCK运动学模型构建完成后的项目树，如图10所示。

图9 五轴机床DMU60 monoBLOCK的运动学传动链

图10 建立完成的组件树

构建完成的DMU60 monoBLOCK机床的运动模型，如图11所示。

(3) 配置机床的控制系统文件。选用Heidenhain iTNC530数控系统，在“配置-文字格式”中根据机床实际运动设置关键字的格式，在“配置-文字/地址”中，对关键字进行函数和宏的匹配。

(4) 设置机床的基础参数。包括机床的初始位置、换刀点、行程极限以及碰撞检测等。

至此，完成DMU60 monoBLOCK五轴数控仿真平台的构建。

4.2 进行加工仿真

DMU60 monoBLOCK五轴数控仿真平台建完后，在实际加工零件验证时，需做以下工作：

(1) 建立加工整体叶轮的刀具库，设置加工坐标系；

(2) 添加Cimatron后置处理的NC程序，并添加毛坯和整体叶轮模型;

(3) 进行整体叶轮的加工仿真，仿真结束后，未观察到碰撞和干涉，工件也未出现过切和欠切，如图12所示。

4.3 NC程序优化

本文采用VERICUT的OptiPath功能对NC程序进行优化，优化的本质是主轴转速和进给速度的重新计算[8]。优化的基本原理是根据当前所使用刀具及其刀路轨迹，计算每步程序的切削量，进行计算分析。当材料去除量较大时，VERICUT就降低切削速度；当材料去除量较小时，就提高切削速度，从而调整主轴转速，插入新的进给速度，进而对NC程序进行优化，优化后的NC程序并不会改变原来的刀路轨迹。

NC程序的优化过程如下：

(1) 在刀具库中为所有的刀具建立优化库。选择优化方法，设置“主轴转速”等参数；在“设定”选项卡中设置“解析度距离”“最小进给率的改变”“整理进给率”等相关参数；最后设置“极限”选项卡中的参数[7]185-186，如图13所示。

(2) 调用刀具优化库，再次进行加工仿真，对NC程序进行优化。当加工仿真结束时，刀路轨迹的优化完成，优化后的程序被写入指定的Optimized Toolpath文件里。

图13 优化库参数设置

4.4 优化结果分析

对比优化前后的NC程序，可以看到在原来的NC程序的进给速度是恒定的，优化后的NC程序被分为很多子步，VERICUT根据切削情况为每一段子步中插入了新的进给速度，如图14所示。

图14 优化前后加工程序对比

表2是优化前后时间对比表，从表2中可以看到优化后的加工时间比优化前节省了34.89%，从而大大节省了加工时间，提高了生产效率。

表2 优化前后时间对比

采用优化后的NC程序，在DMU60 monoB-LOCK五轴数控加工中心上加工整体叶轮，加工完成的叶轮，经检测加工尺寸精度和表面粗度均符合要求，如图15所示。

图15 加工完成的叶轮

5 总结

本文以企业实际生产某叶轮为例，对整体叶轮五轴数控加工与仿真优化作了如下工作：

(1) 分析了叶轮加工的难点，制定了合理的加工工艺，对程序编制中的刀路进行了详细解析。

(2) 通过对DMU60monoblock实际机床建模，应用VERICUT 软件，对构建五轴虚拟仿真平台进行了整体叶轮的加工仿真，确保了实际加工的安全性和稳定性。

(3) 最后，应用优化模块对加工程序进行了优化，提高了加工效率。

本文通过对整体叶轮的加工分析与优化，为复杂零部件加工的五轴加工过程提供了参考经验。

参考文献：

[1] 吕程辉. 整体叶轮的五轴高速铣削加工工艺优化 [D]. 上海：同济大学，2007.

[2] 姬俊峰. 复杂整体叶轮数控加工关键技术研究[D]. 南京：南京航空航天大学，2009.

[3] 曾豪华. 基于UGNX6.0的整体叶轮加工工艺及数控编程[J]. 机械工程师, 2011(8):72-74.

[4] 张剑. 整体叶轮五轴数控铣削技术的研究[D]. 长沙：湖南大学，2012.

[5] 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.

[6] 杨光.整体叶轮五轴数控加工与仿真研究[D]. 西安：西安科技大学,2013.

[7] 郑贞平， 黄云林， 黎胜容. VERICUT数控仿真技术与应用实例详解[M].北京:机械工业出版社,2011:1,82-83,185-186.

[8] 罗良清，张丹，李志明. 基于VERICUT的数控加工仿真与优化[J]. 湖北工业大学学报,2006,21(3):186-188.