董金龍，于天彪 ，李俊財，陳 豪

(東北大學(xué) a.機(jī)械工程與自動化學(xué)院;b.遼寧省高端裝備智能化設(shè)計制造技術(shù)重點實驗室, 沈陽 110819)

0 引言

整體式葉輪是現(xiàn)代工業(yè)復(fù)雜零件的代表，并在汽車、航空、航天等重要領(lǐng)域都用大量應(yīng)用。五軸數(shù)控銑削加工及表面拋光是其重要加工工序。而拋光工序的勞動強度大，加工效率低，易對鋁合金、鈦合金表面造成燒傷，為保證最終零件表面質(zhì)量，需要零件以較少的加工余量進(jìn)行表面拋光，因此切削加工工序應(yīng)保證較高的尺寸精度。數(shù)控加工仿真技術(shù)通過模擬真實加工環(huán)境、刀具軌跡以及零件切削過程，從而對NC程序進(jìn)行檢查和優(yōu)化，以此提高數(shù)控程序的合理性及正確性，改善加工表面質(zhì)量，是保證切削加工尺寸精度的重要技術(shù)[1-5]。

近年來，國內(nèi)對于國外商業(yè)軟件的應(yīng)用及二次開發(fā)展開了大量研究，尤其是UG和Vericut的應(yīng)用尤為廣泛。由于可以更快捷地將研究成果應(yīng)用于機(jī)床的實際加工中，目前也成為研究的一個重點發(fā)展方向。文獻(xiàn)[5-11]研究人員利用不同版本的UG和Vericut，使用其CAD、CAM、后處理、刀具庫、加工仿真等功能，完成了從零件設(shè)計、刀軌規(guī)劃、輸出數(shù)控程序及加工仿真一系列工作。在不同機(jī)床平臺：如HPM1150五軸加工中心、XH2420/5X五軸雙擺頭機(jī)床、Hi_V560五軸加工中心、DMU80T等，對整體葉輪、弧面凸輪等不同復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行了數(shù)控加工仿真。實現(xiàn)了復(fù)雜零件的數(shù)控加工仿真驗證，對數(shù)控程序可能出現(xiàn)的問題和錯誤進(jìn)行了檢查。在這些研究當(dāng)中，主要以避免干涉碰撞問題為主，僅有少數(shù)文獻(xiàn)對加工仿真后的尺寸精度進(jìn)行研究，這些文獻(xiàn)雖然達(dá)到了一定的精度水平，但仍然有提升空間。

整體葉輪類零件最終的拋光工序?qū)庸Τ叽缇纫蠛芨?。因此本文基于UG和Vericut軟件，結(jié)合刀路軌跡規(guī)劃技術(shù)及加工仿真技術(shù)，利用加工仿真對加工后的尺寸精度進(jìn)行預(yù)測，然后通過對加工軌跡及數(shù)控程序的修改和完善，提高預(yù)期的加工尺寸精度，使零件加工后可以達(dá)到更高的尺寸精度。

1 零件及機(jī)床三維建模

本文葉輪的葉片模型采用拋物線中弧線及C4葉型坐標(biāo)點。其相關(guān)參數(shù)詳見文獻(xiàn)[12]，圖1為本文使用的葉型中弧線，圖2為最終葉型數(shù)據(jù)。

圖1 本文采用的葉型中弧線曲線

圖2 原始葉型與中弧線疊加之后的葉型

圖3為UG構(gòu)建的整體葉輪模型及本文加工仿真用機(jī)床DMU50的主要運動部件模型。

圖3 UG構(gòu)建的三維模型

2 加工軌跡規(guī)劃

整體葉輪的數(shù)控銑削工藝難點和重點是葉片的銑削工藝，主要流程為開槽加工、葉片粗銑加工、葉型半精銑加工、葉型精銑加工、流道精銑加工和葉片清根加工[13]。

2.1 葉型刀軌

本文利用殘留高度法生成刀具路徑軌跡，粗銑、半精銑和精銑的殘留高度分布控制為0.15mm、0.05mm和0.02mm。編程時按照葉型公差帶的中差編程，最終加工表面達(dá)到粗糙度和尺寸要求。這三道工序的余量分布和刀具選擇情況見表1。圖4為葉型粗銑、半精銑和精銑的刀軌。

圖4 基于UG設(shè)計的葉型加工軌跡

工序剩余余量(mm)殘余高度(mm)選用刀具刀具規(guī)格刀號開槽1.2～1.5—端銑刀?10T1粗銑葉型1.00.15端銑刀?10T2葉尖加工——端銑刀?10T3拉邊加工——端銑刀?10T3半精銑葉型0.30.05球頭銑刀?8T4精銑葉型00.02球頭銑刀?6T5流道精銑加工00.02端銑刀?6T6葉型清根加工00.02球頭銑刀?6T7

2.2 清根及流道軌跡

流道精銑加工為了完成流道部位的最終表面加工，流道精加工時，刀具伸入量最大，加工完整性要求高，為防止發(fā)生干涉、碰撞，并保證加工效率，可以采用直徑略小的端銑刀或球頭刀，本文根據(jù)設(shè)計的整體葉盤葉根部位過渡圓角均為R3，對流道精銑加工及葉片清根加工均選擇球頭銑刀加工。

葉片清根加工是完成葉片與盤體接合處的半徑圓滑過渡區(qū)域的精加工。一般有兩種方法，第一種是利用直徑小于過渡圓弧的球頭銑刀通過多刀路銑削完成，另一種是采用半徑相同的球頭銑刀一次完成成型加工，前一種的優(yōu)勢是更便于刀規(guī)規(guī)劃，減少碰撞干涉的危險，后一種的優(yōu)勢是效率更高。本文采用后一種方法。流道精銑加工和清根加工的刀具選擇直徑為6mm的球頭銑刀進(jìn)行加工。加工余量按無余量編程，殘留高度控制為0.02mm，與葉型精銑一致，詳情見表1。

圖5為完成的流道精銑加工和葉型清根加工的刀軌。

圖5 流道及清根加工軌跡

3 加工仿真環(huán)境

進(jìn)行加工仿真機(jī)床環(huán)境是必不可少的，Vericut中機(jī)床環(huán)境是按實際尺寸和形狀將機(jī)床抽象表示出來。最重要的部分是各運動軸及工作臺的結(jié)構(gòu)關(guān)系和邏輯關(guān)系，確保邏輯和結(jié)構(gòu)關(guān)系準(zhǔn)確，這樣才能通過數(shù)控程序、刀具庫和控制系統(tǒng)對機(jī)床運動進(jìn)行控制，模擬零件加工過程，保證對數(shù)控程序檢測的正確性。

首先在Vericut中按照機(jī)床的運動鏈關(guān)系構(gòu)建正確的機(jī)床拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。至少應(yīng)包含床身、機(jī)床各運動軸、刀具、夾具、設(shè)計模型及毛坯模型，才能保證加工仿真的正確運行，才可以進(jìn)行干涉碰撞的檢查以及對數(shù)控程序仿真結(jié)果的過切欠切進(jìn)行比較。

本文利用UG CAD功能完成DMU50機(jī)床主要運動部件建模、夾具、設(shè)計模型、毛坯模型建模并導(dǎo)出STL文件，設(shè)計模型及機(jī)床模型在前文已有介紹，毛坯及夾具模型較為簡單。圖6為將以上模型按正確配置導(dǎo)入Vericut之后的情況。

圖6 導(dǎo)入Vericut的機(jī)床模型

機(jī)床結(jié)構(gòu)關(guān)系完成后，需要按照機(jī)床說明書定義機(jī)床各軸及組件的位置關(guān)系，從中可以得到各軸運動范圍與軸中心位置相對機(jī)床中心的相對位置關(guān)系。機(jī)床運動結(jié)構(gòu)關(guān)系和模型均完成以后，要對機(jī)床進(jìn)行初始化設(shè)置。“開機(jī)床仿真”選擇開啟，在機(jī)床仿真加工時機(jī)床視圖區(qū)會顯示機(jī)床的運動情況，“地板/墻壁定位”用于設(shè)定豎直向上的坐標(biāo)軸和方向。“碰撞檢測”子選項卡用于設(shè)置檢測機(jī)床的干涉情況和干涉的臨界值。“表”子選項卡用于設(shè)置機(jī)床位置于換刀等信息?！靶谐虡O限”用于設(shè)置各軸行程極限信息，圖7為本文利用的DMU50機(jī)床的行程信息。

刀具是機(jī)床加工必不可少的工具，Vericut中建立的刀具庫包括刀具切削部分、刀桿和刀具夾持部分，可以設(shè)定刀具的直徑、圓角、刃長、刀長等參數(shù)。本文依據(jù)前文編程需要的刀具種類完成刀具庫的構(gòu)建，如圖8所示。

圖8 刀具庫刀具列表

在數(shù)控程序節(jié)點雙擊即可查找選擇需要進(jìn)行加工仿真的程序文件，導(dǎo)入全部數(shù)控程序，如圖9所示。

圖9 Vericut中程序列表

4 加工仿真及仿真結(jié)果分析

本文利用前面完成的整體葉盤模型及數(shù)控加工程序進(jìn)行加工仿真驗證。在加工仿真過程中，將機(jī)床的碰撞檢測和行程極限功能打開，這樣在仿真過程中如果出現(xiàn)碰撞或超程現(xiàn)象，軟件會在仿真過程信息中給出提示。此外，當(dāng)?shù)毒呖焖龠M(jìn)給與毛坯發(fā)生干涉時，軟件也會給出相應(yīng)提示。提示包括刀具號，程序名稱及程序語句等信息，便于用戶進(jìn)行修改。

Vericut可以觀察數(shù)控加工仿真過程中的機(jī)床運動情況，見圖10。利用軟件的模型對比功能，不但可以觀察最終狀態(tài)的余量分布與過切欠切情況，也可以觀察仿真過程中每道工序結(jié)束后的余量分布，圖11為粗銑之后的余量分布情況，可以看到葉盆葉背均勻分布的葉型余量。圖12為仿真結(jié)束后的模型與設(shè)計模型對比。

圖10 葉片的半精加工仿真

圖11 半精加工后的零件余量分布

圖12 仿真結(jié)束后的模型與設(shè)計模型對比

圖13為加工仿真的最終表面，可以看見刀軌走向及模型上沿刀具軌跡方向上均勻的殘留，表明在UG軟件中基于等殘留高度法編制的加工程序是正確的，并且可以在加工仿真結(jié)果中體現(xiàn)出來。

圖13 加工仿真的最終表面

完成全部加工程序的仿真后，可利用軟件自動比較功能，對零件仿真加工后的過切欠切現(xiàn)象進(jìn)行分析。自動比較設(shè)置見圖14，在比較方式處可以選擇僅觀察過切或僅觀察欠切，也可以兩種同時進(jìn)行比較。

本文進(jìn)行的加工程序仿真在將過切公差設(shè)置為0.15mm，殘留公差設(shè)置為0.15時，加工完成的模型與設(shè)計模型比對結(jié)果顯示有兩條錯誤，均為殘留誤差且在0.01～0.02mm之間，誤差情況較小，可以判定對程序的加工仿真結(jié)果誤差在±0.15mm以內(nèi)，加工程序滿足要求，比較報告見圖15。

通過對過切比對公差的更改，可以進(jìn)一步判斷過切誤差均小于0.10mm。軟件比較報告如圖16所示。此誤差相比國內(nèi)大多文獻(xiàn)利用Vericut進(jìn)行加工仿真研究做到的0.2～0.5mm的加工尺寸誤差有了提高。

圖14 自動比較設(shè)置

圖15 將加工公差設(shè)置為±0.15mm時的比較報告

圖16 過切公差0.1mm的比較報告

5 總結(jié)

本文在UG中完成了葉輪零件的設(shè)計建模，完成五軸機(jī)床DMU50的主要運動部件建模裝配?；诖嗽赩ericut軟件中構(gòu)建了DMU50五軸數(shù)控機(jī)床的加工仿真環(huán)境。

經(jīng)實驗驗證，該仿真環(huán)境可以模擬機(jī)床實際加工情況，可以檢查數(shù)控程序的干涉、碰撞、超程等問題，以便在實際加工前修正這些問題，降低機(jī)床使用時可能會出現(xiàn)的危險，提高了加工的可靠性。還可以對程序加工后的尺寸精度進(jìn)行預(yù)測，檢查過切欠切量。

將數(shù)控加工仿真與刀具路徑軌跡規(guī)劃結(jié)合研究，不利用軟件集成的輪盤類零件刀軌設(shè)計模塊，通過仿真檢查結(jié)果反復(fù)修正刀路軌跡，最后設(shè)計生成的刀具路徑軌跡在仿真加工中殘留在0.15mm以內(nèi)，過切在0.10以內(nèi)，對比國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)精度較高。拋光余量較小，可以有效減少拋光工序工作量，提高拋光效率，降低由于拋光余量大造成燒傷的危險。