不锈钢叶轮五轴联动数控加工中仿真技术应用研究

1 引言
 
　　叶轮是机械装备行业重要的典型零件，在能源动力、航空航天、石油化工、冶金等领域应用广泛，其加工方法、加工精度和加工表面质量对其最终的性能参数有很大影响。由于使用环境中防锈、防腐蚀的要求，某些叶轮必须采用不锈钢材料进行制造。
 
　　不锈钢属于难加工材料，其加工存在多项技术难点：（1）易加工硬化，硬化后的强度可达到（1470～1960）MPa，硬化层的深度可达到0.1mm 以上；（2）切削力大，单位切削力比45 钢高25%；（3）切削温度高，塑性变形和摩擦产生的切削热非常多，且不锈钢的导热系数约为45 钢的1/2～1/4，切削热集中在切削区和刀—屑接触面上；（4）切屑不易折断、易粘结；（5）刀具磨损大，加工不锈钢的刀具寿命约为加工45 钢的1/3～1/2；（6）不锈钢的线膨胀系数约为碳素钢的1.5 倍，在切削温度作用下，工件尺寸精度较难控制。
 
　　叶轮零件形状复杂，要确保数控加工程序不存在问题十分困难，主要包括：过切、欠切以及机床各部件之间的干涉碰撞等。考虑到高昂的加工成本，为了提高加工成功率，引入了数控加工仿真技术。数控加工仿真不但可以模拟刀具的切削轨迹，还可以模拟机床的运动，被加工工件的切削过程等。在不锈钢叶轮的数控加工中应用仿真技术，可以缩短加工的准备时间，优化加工程序，提高加工成功率，同时起到对机床、刀具以及工件的保护作用。
 
2 仿真方法及仿真流程
 
　　数控仿真的含义为：运用编程语言（如C，VC 等）构建数控仿真平台，导入实际加工需要的某种指令文件（如刀位轨迹文件、数控程序代码等），基于该平台运行模拟实际的加工过程，从而发现加工可能存在的问题，最终对数控加工实现优化。

　　数控加工仿真文件主要有刀位轨迹文件（CLSF）和数控程序代码（NC）。基于刀位轨迹文件仿真的主要目的是检验刀具运动轨迹的正确性、安全性。基于数控代码仿真则既能检查刀具轨迹正确与否，又能判断加工参数选择是否合适等。由于直接驱动数控机床运动的是数控程序代码，而不是刀位轨迹文件，所以基于NC 程序的加工仿真比基于CLSF 数据的加工仿真能更好地反映零件的实际加工过程和加工结果。
 
　　构建仿真平台实现虚拟机床建模常用两种方法：（1）通过高级语言编程借助OpenGL 三维图形引擎功能实现机床几何建模和运动仿真；（2）通过CAD 软件建立虚拟机床几何建模或直接利用虚拟制造软件来实现，例如美国CGTech 公司的VERICUT 等。由于虚拟制造软件中一般配置了常见机床的控制系统，可以不需要编程来建立机床的几何模型，还可设置各数控指令的含义及运动方式，所以更为方便快捷。
 
　　VERICUT 系统可以仿真3 轴和多轴机床的运动及工件加工过程的变化，并且在仿真、验证和分析NC 程序时，能够检测错误自动报警，并统计出错误的数量及发生位置。其仿真流程，如图1 所示。

图1基于vEmcuT平台的仿真流程

3 叶轮加工仿真
 
　　加工的叶轮零件为某流体机械使用的诱导轮，如图2 所示。该型叶轮的结构特点为：叶片薄，叶片前端最薄处仅1.5mm；流道深，流道开口最深处达33.75mm；间距小，相邻叶片最小间距仅22.975mm。该叶轮为获得理想的动力学特性，采用了大扭角、根部变圆角等结构，加工时必须采用细长刀具，刀轴的控制较为困难，同时，由于防锈、防腐蚀的需要，叶轮毛坯采用了难加工材料不锈钢00Cr17Ni14Mo2，材料的化学成分，如表1 所示。由于各合金元素的作用，制造中容易出现大量的工艺问题。

 
　　加工使用的机床为德国进口的DMU100 monoBLOCK 五轴数控机床，如图3 所示。该机床共有X、Y、Z 三个直线轴，C、B 两个旋转轴，其中C 轴依附于Z 轴，Y 轴依附于X 轴，B 轴依附于Y轴。机床的技术参数，如表2 所示。