袁士平

(北京航空制造工程研究所，北京 100024)

目前一般采用加工試切件的方法驗證數(shù)控加工程序正確性，這種方法在航空發(fā)動機葉盤的加工中遇到了難題:首先，試切法需要一個甚至數(shù)個毛坯，然而一個葉盤的毛坯費用在數(shù)十萬元，試切的成本無法接受。其次，試切法需要反復試切、修改，周期上無法滿足現(xiàn)代制造業(yè)的需求。為了保證一次加工100%合格，筆者探索了VERIVCUT 軟件的機床運動仿真功能，即用軟件模擬機床運動，在計算機內(nèi)形象、直觀地模擬機械加工的全過程，從而在不消耗實際材料、不使用真實機床設備的情況下，有效地檢驗和分析加工工藝的合理性、數(shù)控程序的正確性，取得了較好的效果。

1 零件結構及加工難點

圖1 所示為某型發(fā)動機的某級葉盤輪盤部分的截面示意圖，圖2 所示為某槽腔的加工過程示意圖。其加工難點為:

圖1 零件截面圖示

圖2 某槽腔加工

(1)某槽腔，如圖2 所示，刀具的運動空間狹窄，形狀復雜，容易與工件產(chǎn)生干涉。刀具路徑必須經(jīng)過驗證才能用于加工。

(2)由于工件結構限制，刀具設計的過于細長，如果切削量過大可能產(chǎn)生破損，導致質量事故，加工前需要驗證數(shù)控程序的切削量。

(3)工人加工時看不到切削部位，盲目操作，沒有信心。

2 VERICUT 的機床運動仿真的應用

VERICUT 的機床運動仿真為此提供了解決方案，圖3 為其流程圖。

圖3 機床運動仿真的流程示意圖

2.1 機床定義

首先建立機床的拓撲結構，即機床各部件的相對位置關系。筆者公司采用的機床為齊二機床廠的SVT160X10/8Q-NC 型數(shù)控立式車床，工作臺臺面直徑為1.2 m，X、Z 向行程均為1 m。建立的機床模型如圖4 所示，從主軸側來看，Base代表與地面固定的床身，Spindle為車床主軸，毛坯(stock)、工件理論模型(design)隨主軸運動。從刀具側來看，橫梁(Z 軸)在床身(base)上滑動，Tool 組件決定了刀具在機床上的安裝位置。然后，建立機床各部件的幾何模型。葉盤加工過程中，碰撞主要發(fā)生在刀具與工件之間，機床一般不會與工件、夾具發(fā)生碰撞，故機床部件模型可適當簡化。為了提高仿真速度，本項目中未建立任何部件的實體幾何模型。

圖4 機床模型

2.2 數(shù)控系統(tǒng)定義

VERICUT 自帶了數(shù)控系統(tǒng)庫，涵蓋了常見的數(shù)控系統(tǒng)。本項目中直接調(diào)用VERICUT 自帶的數(shù)控系統(tǒng)“fan15t_t.ctl”。

2.3 刀具庫的建立

葉盤加工中，形狀復雜、刀具可達性差的槽腔，一般采用成形刀具(如圖5 所示)加工，故刀具定義是機床運動仿真的難點。其流程一般為:

圖5 刀具的照片

6 AUTOCAD 中定義的刀具幾何形狀

(1)成形刀具的外形復雜，VERICUT 提供的建模功能有限，故一般在AUTOCAD 里定義二維圖，精確地描述一把車刀的截面形狀，如圖6 所示。在AUTOCAD 中定義刀具外形時，最好把坐標系的原點放在刀具的對刀點上(如圖7)，這樣，在后續(xù)的操作中，在刀具管理器(圖8)中將原點設定為(0，0，0)即可，簡化了操作。定義完截面形狀，輸?shù)毒邘旃芾砥髦校x擇Add Tool Component 創(chuàng)建刀具幾何體，并且在Component Type 中選定Insert Cutter，創(chuàng)建切削刃。在Sweep Profile 方式下，選擇Import DXF，選擇上一步保存的DXF 文件，點擊Import 即可導入DXF 數(shù)據(jù)。

圖7 刀具的驅動點和原點

圖8 刀具庫的建立

(3)標點(gage point)點決定了刀具將如何裝到車床上。在機床運動仿真時，VERICUT 將GAGE POINT與機床模型中的Tool 組件的原點相重合。

刀具的原點(orientation)用于驅動刀具，該點須與數(shù)控編程中的drive point、實際加工時的對刀點一致。否則仿真結果將不能反映實際加工。

(4)Tool ID 可以讓Vericut 識別該刀具。如圖9所示，在NC Program 對話框中，指定換刀方式為File Name，即為每條NC 程序指定一把刀具。在Tool ID列，可指定程序所用的刀具的ID。

圖9 為數(shù)控程序指派刀具

2.4 加工過程仿真

定義好機床、控制系統(tǒng)、刀具、坐標系、程序后，可以開始機床運動仿真。仿真過程中可觀察刀具與過程毛坯、夾具的干涉，刀具的吃刀量大小等。為了便于觀察，可以切換到Profile 視圖下觀察工件的截面形狀。如圖10 所示。

圖10 刀體與工件發(fā)生干涉

仿真完成后，得到切削模型。該模型較真實地反映了用數(shù)控程序將加工出什么樣的產(chǎn)品。用VERICUT 的Auto Diff 功能，可將切削模型與設計模型進行對比，可發(fā)現(xiàn)哪些地方過切了，哪些地方有殘留，可分析哪個程序的哪一行加工的這個地方，可對應查找程序的問題。

葉盤在車削過程中，刀具深入到槽腔內(nèi)部，浸泡在冷卻液中，操作員無法得知刀具的受力、吃刀量等狀態(tài)。為了解決工人盲目操作的問題，可以將仿真過程用錄屏幕軟件錄制一個視頻文件，操作者加工前回放，使之對程序路徑有一個了解，提高加工的速度和質量。

3 結語

應用VERICUT 機床運動仿真功能的關鍵要素，一是按照機床的真實結構建立虛擬機床，二是精確地繪制刀具的截面形狀。VERICUT 的機床運動仿真在葉盤制造中的運用，保證了程序100%正確，實現(xiàn)了一次加工100%合格，并且縮短了制造周期。VERICUT 在數(shù)控加工仿真領域的應用前景非常廣闊。