1 引言

      葉輪是機械裝備行業重要的典型零件，在能（néng）源動（dòng）力、航空（kōng）航（háng）天、石油化工、冶金等領域應用廣泛，其加工（gōng）方（fāng）法、加工精度和加工表麵質量對其最終的性能參數有很大影響。由於使用環境中防（fáng）鏽（xiù）、防（fáng）腐蝕（shí）的要求，某些葉輪必須采（cǎi）用不鏽鋼材料（liào）進行製造。

      不鏽鋼屬於難加工材料（liào），其加工存在多項技術難點：（1）易加工（gōng）硬化，硬化後的強度可達（dá）到（1470～1960）MPa，硬（yìng）化層的深度（dù）可達到0.1mm 以上；（2）切削力大，單位切削力比45 鋼高（gāo）25%；（3）切削溫度高，塑性變形和摩擦產生的切削熱非常多，且不鏽鋼的導熱係數約為（wéi）45 鋼的1/2～1/4，切削熱集中在切削區和刀—屑（xiè）接觸麵上；（4）切屑（xiè）不易（yì）折斷、易粘（zhān）結；（5）刀具磨（mó）損大，加工不鏽鋼的刀具壽命約（yuē）為加工45 鋼的1/3～1/2；（6）不鏽鋼的線（xiàn）膨脹係數約（yuē）為碳素鋼的1.5 倍，在切削溫（wēn）度作用下，工件尺寸精度較難控製[1]。

      葉輪零（líng）件形（xíng）狀（zhuàng）複雜，要確保（bǎo）數控（kòng）加工程序不存在（zài）問（wèn）題十分困難，主要包括：過切、欠切以及機床各部件之間的幹涉碰撞等。考慮到高昂的加工成本，為了提高加工成功率（lǜ），引入了（le）數控加工仿（fǎng）真技（jì）術。數控加工仿真不但可以模擬刀具的切削軌跡，還可（kě）以模擬機床的運動，被加工工件（jiàn）的切削過程等。在不鏽鋼葉輪的數控加工中應（yīng）用仿真技術，可以縮短加工的準（zhǔn）備時間，優化加（jiā）工程序，提高加工成功率，同時起到對機床、刀具以及工（gōng）件的保護作用（yòng）[3~6]。

      2 仿真方法及仿真流程

      數控仿真的含義為：運用編程語言（如C，VC 等）構建數控仿真平台，導入實際加工需要的某種指令文件（如刀位軌跡文（wén）件、數控（kòng）程序代（dài）碼等），基於該平台運行模擬實際的加工過程，從而發現加工可能存在的問題，最終對數控加工實現（xiàn）優化。

      數（shù）控加工（gōng）仿真文件主要有（yǒu）刀位軌（guǐ）跡文（wén）件（CLSF）和數（shù）控程序（xù）代碼（NC）。基於刀位軌跡文件仿真的（de）主要目的是檢驗刀具運動軌跡的（de）正確性、安全性。基於數控代碼仿（fǎng）真則（zé）既能檢查（chá）刀具（jù）軌跡正確與否，又能判斷加工參數（shù）選擇是否合適等。由於直接驅動數控機床運（yùn）動的（de）是數控程序代碼，而不（bú）是刀位軌跡文件，所以基於NC 程序的加工仿真比基於CLSF 數據的加工（gōng）仿（fǎng）真能更好地反映零件的實際加工過程和加工結果。

      構建仿真（zhēn）平台實現虛擬機床建模（mó）常用兩種方法：（1）通過高級語言編程借助OpenGL 三維圖形引擎功能實現機床（chuáng）幾何建模和運動仿（fǎng）真；（2）通過CAD 軟件建立虛（xū）擬機（jī）床幾何建模或直接利（lì）用虛擬製造軟件來實現，例如美國CGTech 公司的VERICUT 等。由於虛擬製造軟件中一般配置了常見機床的控製係統，可以不需要編程來建立機床的幾何模型，還可設置各數控指令的含義及運動方式，所以更為方便快捷[4]。

      VERICUT 係統可以仿真3 軸和多軸機床的運（yùn）動及工件加工過程的（de）變化，並且在仿真、驗證和分析（xī）NC 程序時，能夠（gòu）檢（jiǎn）測錯誤自動（dòng）報警（jǐng），並統計出錯誤的數量及發生位（wèi）置[2]。其仿真流程（chéng），如圖1 所（suǒ）示。

      3 葉輪加工仿真

      加工的葉輪零件為某流體機械使用的誘導輪，如圖2 所示。該型葉輪的結構特點為：葉片薄，葉片前端最薄處僅1.5mm；流道深，流道開口最（zuì）深處達33.75mm；間距小，相鄰葉片最小間距（jù）僅22.975mm。該葉輪為獲（huò）得（dé）理想（xiǎng）的動力學特性，采用了大扭角、根部變圓（yuán）角等結構，加工（gōng）時必須采用細長刀具（jù），刀軸的控製較為困難，同時（shí），由於防鏽、防腐蝕的需要，葉（yè）輪毛（máo）坯采用了難加工材料不鏽鋼00Cr17Ni14Mo2，材料的化學成分，如表1 所示。由於各合金元素的作用（yòng），製造中容易出現（xiàn）大量的（de）工藝問題。

      加工使用的機床（chuáng）為德國進口的（de）DMU100 monoBLOCK 五軸數控機床（chuáng），如圖3 所示。該機床共有X、Y、Z 三個直線軸，C、B 兩個（gè）旋轉軸，其中C 軸依附於Z 軸，Y 軸依附於X 軸，B 軸依附於Y軸。機床的技（jì）術參數，如表2 所示。

      由設（shè）計部門（mén）根據流體（tǐ）力學、空氣動力學原理計算出原始設計數據，在UG 中建立葉輪的三維（wéi）模型，如圖2 所示。按照前（qián）文所述的仿真流程，分別建立機床模型（xíng）、刀具模型、工件模型、夾具模型，設置各仿真參數，進行葉片（piàn）的加工仿真，如圖4~7 所示。

      4 分析與改進

      （1）仿真中發現，原加工方（fāng）案中使用的（de）圓柱球頭銑刀剛度不夠，加工中容易折斷，改進（jìn）後重新選擇為錐形（xíng）球頭銑刀，則刀具剛度（dù）大幅提高（gāo），同時有利於流道成型；（2）仿真發現葉片粗（cū）加工工（gōng）序存在過切，同時流道開槽精加工後表麵質量不能達到允（yǔn）許值要求，因此需要對加工（gōng）參數進（jìn）行優化。

      改變加工策略（luè），從“低轉速高（gāo）進給量”優化為“高轉速（sù）低進給量”，優化後的加工參數，如表3 所（suǒ）示。加工實（shí）踐證明，優化後的加工方案有利於解決前文所述的（de）不鏽鋼加工難題，降低了切削發（fā）熱，將刀具壽命提高了（le）約（yuē）30%，葉輪變形減小，能保證（zhèng）加工質量，同時也提高了加（jiā）工效率，加工時間降低20%左右（yòu），最終的成品（pǐn），如圖8 所示。

      5 結論

      複雜曲（qǔ）麵零件（如流體機械（xiè）中的葉輪）的數（shù）控加工中，采用軟件生成的NC 程序（xù）相當複雜，為了確保程序的正確性和高效性，利用仿真軟件對其進行驗證、分析和優化，可有效地保（bǎo）證刀具路徑精（jīng）度、零件質量和（hé）避免機床碰撞。

      本文指出了對不鏽鋼葉輪進行數控加工的技術難點，引（yǐn）入了仿真技術加以解（jiě）決。提出了仿真方法和仿真流程，並基於VERICUT 仿真平台，以某型葉輪的數控（kòng）加工（gōng）為例，具體進行了（le）加工仿真。基於對仿真結果的分析，發現了（le）初始加工方案存在的（de）問題，經過改變刀具、優化加工方案後，重新進行仿（fǎng）真並實際完成加工。實踐證明，針對葉輪（lún）數控加工，特別是不鏽鋼材（cái）料的葉輪，采用仿真技術可以增大（dà）加工成（chéng）功率，改善（shàn）加工質量，降低生（shēng）產成本，對提高我國流體機械中的葉輪加工（gōng）水平具有較好的現（xiàn）實意義。