李洪祥，高俊璽

（1.西安交通大學(xué)， 陜西 西安 710049）

（2.渤海裝備蘭州石油化工裝備分公司， 甘肅 蘭州 730060）

1 引言

1.1 問(wèn)題的提出

隨著航空工業(yè)、石油煉化業(yè)和電力工業(yè)的高速增長(zhǎng)，能源動(dòng)力和透平裝備的需求量不斷增加，葉片等復(fù)雜曲面零件使用越來(lái)越廣泛，精度要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的加工設(shè)備和制造方法已難于適應(yīng)這種多樣化、柔性化產(chǎn)品的加工要求。近年來(lái)，可有效解決復(fù)雜曲面零件的多軸加工技術(shù)得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。由于零件形狀空間扭曲，刀具在編程設(shè)計(jì)的時(shí)候擺動(dòng)避讓空間有限，而機(jī)床刀具軌跡的生成過(guò)程中一般只考慮刀具自身的約束，不考慮機(jī)床的具體結(jié)構(gòu)和工件的裝夾方式，不能確保計(jì)算出的數(shù)控加工程序能安全、正確地執(zhí)行。因此，數(shù)控程序的驗(yàn)證已成為數(shù)控加工過(guò)程中的重要一環(huán)。

透平葉片葉身部分目前普遍使用五軸聯(lián)動(dòng)螺旋銑削加工，本例中透平葉片采用MZAK INTE200五軸車銑復(fù)合加工中心加工。加工過(guò)程中存在B軸擺動(dòng)過(guò)程中和尾座、卡盤(pán)發(fā)生碰撞，C軸轉(zhuǎn)動(dòng)容易發(fā)生刀具與毛坯碰撞等問(wèn)題。而且機(jī)床工作中門(mén)不能打開(kāi)，加之切削液霧化影響，很難靠視覺(jué)來(lái)判斷安全距離。又因CAM軟件部分自身模擬功能的局限，要確保所生成的加工程序正確無(wú)誤仍十分困難。因此，為確保數(shù)控程序的正確性，在實(shí)際加工前采取與實(shí)際機(jī)床等同的VERICUT機(jī)床虛擬仿真技術(shù)，對(duì)程序的校驗(yàn)和修正是十分必要的。

1.2 機(jī)床仿真加工技術(shù)簡(jiǎn)介

機(jī)床仿真加工技術(shù)是實(shí)際加工過(guò)程在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)實(shí)現(xiàn)，即采用計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上群組協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的工藝規(guī)劃、車削、銑削、磨削、線切割、電火花、質(zhì)量檢驗(yàn)等虛擬加工制造。該技術(shù)無(wú)論在視覺(jué)感官和參數(shù)上都與實(shí)際加工高度相似，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工流程中存在的問(wèn)題，方便地做出調(diào)整，避免產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷，以防機(jī)床發(fā)生碰撞等重大事故，從而縮短設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)周期，提高工作效率。

VERICUT軟件是一款專業(yè)加工仿真分析軟件，是美國(guó)CGTECH公司開(kāi)發(fā)的數(shù)控加工高級(jí)仿真系統(tǒng)，由NC程序驗(yàn)證模塊、機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真模塊、優(yōu)化路徑模塊、多軸模塊、高級(jí)機(jī)床特征模塊、實(shí)體比較模塊和CAD/CAM接口等模塊組成，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、模具制造等行業(yè)，其最大特點(diǎn)是可仿真各種CNC系統(tǒng)，既能仿真刀位文件，又能仿真CAD/CAM后置處理的NC程序，其整個(gè)仿真過(guò)程包含程序驗(yàn)證、分析、機(jī)床仿真、優(yōu)化和模型輸出等。

2 虛擬仿真的前期準(zhǔn)備

2.1 機(jī)床參數(shù)設(shè)置

本文所述實(shí)際加工中使用的是MAZAK INTER-200機(jī)床。該機(jī)床系五軸車銑復(fù)合加工中心，控制系統(tǒng)為馬扎克近些年推出的mazatrol，據(jù)此設(shè)置CAM軟件加工環(huán)境中的五軸機(jī)床參數(shù)。

2.2 葉片加工工藝流程分析

葉片的型面是由空間離散點(diǎn)變截面扭曲形成，毛坯為高溫合金精鑄件，單邊余量2.5mm。毛坯在機(jī)床上一次裝夾完成全部加工，需要進(jìn)行粗加工和精加工。加工中為獲得較高的加工效率和刀具壽命，在不過(guò)切的前提條件下宜選用刀桿盡量粗壯，有足夠剛度且能承受大走刀量沖擊的刀具，此次粗加工選用刀桿直徑為φ32mm，刀片半徑R6的牛鼻刀加工，根據(jù)所選刀片高溫合金切削參數(shù)，確定粗加工步距取1.5mm，加工后余量（精加工余量）0.2mm，精加工步距取0.5mm，采用直徑φ16mm的球頭刀。

圖1 MAZAK INTE200型五軸車銑復(fù)合加工中心

表1 工藝方案表

2.3 模型設(shè)計(jì)及編程

調(diào)用CAM軟件加工模塊完成多軸螺旋曲面加工編程設(shè)計(jì)，選取各加工面、非加工面、干涉面、安全平面及安全范圍等完成粗加工與精加工編程，并最終后處理生成NC代碼。

設(shè)置好程序的起始點(diǎn)，以及進(jìn)刀宏和退刀宏后，生成粗、精加工刀具路徑。如圖2所示：

圖2 加工路經(jīng)

2.4 刀位模擬分析

在葉片編程完成后，利用CAM軟件自帶模擬功能，初步觀察刀具運(yùn)動(dòng)軌跡和切削情況，檢測(cè)刀桿與工件有無(wú)足夠的安全間隙，加工過(guò)程有無(wú)過(guò)切現(xiàn)象。

圖3 IMS-POST后處理界面

至此，仿真加工前期準(zhǔn)備工作已完成，利用創(chuàng)建好的設(shè)計(jì)與毛坯模型、G代碼程序進(jìn)入VERICUT機(jī)床仿真階段。

3 建立VERICUT高級(jí)仿真系統(tǒng)

3.1 建立機(jī)床仿真系統(tǒng)

本節(jié)中使用VERICUT軟件創(chuàng)建MAZAK INTE200虛擬機(jī)床、刀具庫(kù)系統(tǒng)，并將上文中設(shè)計(jì)好的模型和程序?qū)氲絍ERICUT軟件中，進(jìn)行仿真模擬分析。通過(guò)分析結(jié)果，調(diào)整、優(yōu)化來(lái)獲得最終程序。

(1)創(chuàng)建并導(dǎo)入機(jī)床模型

為完成本文中透平葉片的模擬加工，首先導(dǎo)入INTE200機(jī)床模型。VERICUT支持自定義機(jī)床模型和控制系統(tǒng)，也支持導(dǎo)入外部機(jī)床模型。

圖4 MAZAK INTE200機(jī)床模型

(2)導(dǎo)入模型與毛坯

利用CAM將轉(zhuǎn)換好的模型與毛坯STL文件導(dǎo)入VERICUT，調(diào)整模型與毛坯位置，使二者擺放安裝位置與實(shí)際程序加工起點(diǎn)位置相符。

圖5 葉片毛坯位置

(3)創(chuàng)建加工坐標(biāo)系

坐標(biāo)系是程序執(zhí)行坐標(biāo)的依據(jù)，加工坐標(biāo)系創(chuàng)建的原則是仿真中坐標(biāo)系必須與程序中加工坐標(biāo)系必須一致，也就是說(shuō)程序執(zhí)行X0 Y0時(shí)，刀尖必須在毛坯的坐標(biāo)原點(diǎn)位置。本文中將葉片毛坯坐標(biāo)系Csys2作為程序的坐標(biāo)原點(diǎn)，這與工件毛坯在真實(shí)機(jī)床上程序坐標(biāo)原點(diǎn)的設(shè)置是一致的。

(4)創(chuàng)建刀具庫(kù)

VERICUT幾乎可以建立所有切削形狀和刀頭的刀具，而且可以區(qū)分刀具的切削部分和非切削部分，像刀柄、延長(zhǎng)部分和夾頭等，被刀具非切削部分加工的位置將顯示為錯(cuò)誤顏色。

根據(jù)本文中葉片加工工藝流程，涉及到D32R6圓鼻刀和D16R8球頭刀兩種刀具和配套刀柄，在VERICUT中按這兩把刀具和刀柄的實(shí)際參數(shù)在VERICUT中創(chuàng)建刀具庫(kù)，如圖6所示：

圖6 刀具庫(kù)

(5)按照工藝順序調(diào)入數(shù)控程序與模擬

將IMS-POST后處理生成G代碼，分別將粗、精加工程序?qū)隫ERICUT，點(diǎn)擊模擬開(kāi)始按鈕即可進(jìn)行模擬加工。圖7所示的為仿真過(guò)程截圖。

圖7 仿真過(guò)程截圖

4 仿真結(jié)果分析

4.1 碰撞過(guò)切結(jié)果分析

(1)可快速準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)格式、超程等問(wèn)題

通過(guò)測(cè)試，VERICUT可準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)代碼格式、超程等簡(jiǎn)單錯(cuò)誤。通過(guò)對(duì)毛坯模型進(jìn)行虛擬加工，采用縮放、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和打剖面等工具，從不同視點(diǎn)觀察，詳細(xì)精確地測(cè)量安全距離和切削模型尺寸。

(2)能檢測(cè)到碰撞與干涉

在本例中，模擬過(guò)程中發(fā)生過(guò)切、刀具與夾具碰撞等問(wèn)題，經(jīng)多次調(diào)整CAM編程設(shè)置中的B軸擺動(dòng)角度，消除了粗加工D32R6牛鼻刀在葉片根部出現(xiàn)的過(guò)切問(wèn)題，也避免了B軸、C軸與機(jī)床附件、工件的碰撞、干涉等不理想狀態(tài)。

(3)過(guò)切/殘余分析

通過(guò)VERICUT軟件自動(dòng)比較功能，將精加工完成后的模型與原始設(shè)計(jì)的透平葉片模型做比較，計(jì)算出葉片加工過(guò)切及殘余公差全部在±0.03mm之內(nèi)。

4.2 加工輔助分析

VERICUT計(jì)算出了加工效率。本次透平葉片五軸加工，通過(guò)VERICUT計(jì)算出次葉片粗加工時(shí)間約4.8h，精加工時(shí)間約1.5h，單片總加工時(shí)間6.3h。VERICUT是通過(guò)走刀距離和對(duì)應(yīng)的走刀速度來(lái)計(jì)算程序加工時(shí)間，這樣算出的加工時(shí)間與實(shí)際加工相當(dāng)，可以作為估算實(shí)際加工時(shí)間的參考依據(jù)。

5 程序優(yōu)化

5.1 程序速度優(yōu)化的原理

VERICUT通過(guò)精確計(jì)算不同路徑下刀具切削材料的體積或切削厚度，根據(jù)切削體積或厚度的大小將程序分段，達(dá)到在切削材料體積、厚度大的程序段降低進(jìn)給F值，防止切削力過(guò)大，造成對(duì)刀具的沖擊，達(dá)到提高刀具壽命和加工面精度的目的；在切削體積小、厚度薄的程序段增加進(jìn)給F值，從而縮短加工時(shí)間，提高加工效率，如圖8所示，在橢圓標(biāo)記葉片前櫞位置與葉身壓力面位置切削量明顯不同。

圖8 切削量不均勻示意圖

5.2 本例葉片加工程序優(yōu)化及效果

粗加工階段采用“等體積切削”優(yōu)化方式，主要是提高切削效率，延長(zhǎng)刀具壽命；在精加工階段，加工余量基本在0.2mm左右，優(yōu)化方式采用切削厚度方式，減少刀具振動(dòng)，能夠增加加工面精度和表面光潔度，同樣有延長(zhǎng)刀具壽命的效果。經(jīng)優(yōu)化后的程序在以下幾方面獲得了提升：

(1)提高了加工效率。通過(guò)前文對(duì)加工時(shí)間的計(jì)算，葉片粗加工時(shí)間為4.8小時(shí)，約占總加工時(shí)間的80%。優(yōu)化后，粗加工時(shí)間降低到3.9h。整個(gè)加工時(shí)間由6.3h縮短到5.2h，加工效率提升約17.5%。

(2)平衡了刀具的切削載荷，減少刀具磨損，延長(zhǎng)刀具的壽命。

(3)優(yōu)化后程序不需要人工調(diào)節(jié)機(jī)床加工速度，完全實(shí)現(xiàn)真正意義的無(wú)人工干預(yù)，從而減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。優(yōu)化前后程序文件的對(duì)比如圖9所示：

圖9 優(yōu)化前后的程序?qū)Ρ?/p>

6 結(jié)論

在機(jī)床仿真軟件或系統(tǒng)建立以前，面對(duì)復(fù)雜的多軸加工，為了驗(yàn)證程序的正確性，要采用各種各樣的試切方法，如空走刀、切削泡沫、試切軟材料、木材和低速加工等，這樣既費(fèi)時(shí)間，也浪費(fèi)各種人力、物力，且難以提高編程效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

本文基于VERICUT軟件構(gòu)建了五軸聯(lián)動(dòng)車銑復(fù)合加工中心MAZAK INTE-200機(jī)床仿真模型、刀具庫(kù)等虛擬加工系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)透平葉片加工仿真過(guò)程的結(jié)果分析及動(dòng)態(tài)切削過(guò)程的檢測(cè)，來(lái)發(fā)現(xiàn)并消除了加工過(guò)程中干涉、過(guò)切、碰撞和超程等問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)了數(shù)控編程的虛擬制造，比CAM軟件單純的刀位文件仿真更真實(shí)、直觀，更接近實(shí)際加工情況，避免由于程序錯(cuò)誤而發(fā)生機(jī)床碰撞、超行程、刀具折斷等問(wèn)題，也減少了空運(yùn)行試切程序的時(shí)間和成本。

在對(duì)程序驗(yàn)證無(wú)誤的情況下本文還通過(guò)優(yōu)化程序，更進(jìn)一步提高加工效率，保證質(zhì)量更加穩(wěn)定。仿真后的NC程序不用試切可直接輸入機(jī)床進(jìn)行加工，極大地提高了數(shù)控編程的效率和質(zhì)量。