整体叶轮的五轴VERICUT数控加工

　　0 引言

　　整体叶轮加工是指轮毂和叶片在同一毛坯上进行的整体加工，由于叶片形状复杂扭曲使得叶轮的整体加工具有很大的难度。传统的叶轮加工一般采用铸造成型后抛光的方法，这种方法使叶轮的模具制造复杂，叶片精度很难保证，动平衡性能差，生产周期长。近年来，随着计算机辅助设计与制造技术，以及数字控制技术的发展，整体叶轮的加工越来越多地采用通用或专用CAD/CAM软件，如UG、Pro/E等进行数控编程后，在五坐标联动的数控机床上完成。由于零件形状复杂，机床刀具轨迹的生成过程中一般不考虑机床的具体结构和工件的装夹方式，所以不能确保计算出的数控加工程序能够安全、正确的执行，尽管目前在工艺规划和刀具轨迹生成等技术方面已经取得了很大的进展，但是由于这些零件形状的复杂多变以及加工环境的复杂性，要确保所生成的加工程序并不存在任何问题仍十分困难。因此，为确保数控程序的正确性，在实际加工前采取仿真的方法对加工程序进行检验并修正是十分必要的。

　　VERICUT是切削仿真及机床仿真软件，主要用于模拟2-5轴铣、钻、车等加工操作，采用人机交互方式模拟、检验和显示NC加工程序，是一套世界领先的NC校验软件。本文作者利用VERICUT实现了整体叶轮的加工和仿真。

　　1 零件结构及主要解决的问题

　　整体叶轮采用的材料为30CrMnSiA，经热处理后，其强度相当大，属于典型的薄壁件，叶片壁厚为4mm，易产生加工变形，加工周期长。该零件不但对尺寸精度和表面粗糙度要求高，而且对切削刀纹也有较高的要求。刀纹要顺着流路方向。加工所使用的机床设备价格昂贵，制造成本高，不允许发生碰撞事故。程序编制复杂，不仅要保证几何尺寸，而且还要避免机床主轴在切削过程中与零件或工装发生碰撞。因此，采用VERICUT软件主要是为了解决如下问题：

　　(1)由于编程时选择的加工方式不理想，后置处理程序有缺陷，或因为编程员经验不足，提前发现加工程序可能存在的问题，以免产生不必要的浪费。

　　(2)进行干涉检查，及时对必须修正的地方进行修正甚至重新编程，以保证向机床操作人员提供正确的加工程序。

　　(3)模拟零件装夹与加工过程中机床的真实运动情况，以避免机床部件与夹具和零件的碰撞。

　　(4)检测零件加工后是否存在过切、欠切现象，测量加工后的零件与设计图纸要求之间的差别等。

　　2 数控机床仿真环境的建立

　　用VERICUT建立的机床模型是机床结构在计算机上的映射，在计算机上可以显示机床的结构外形，也可以通过组件树建立其相互依附关系。在计算机上建立虚拟的数控机床本体、控制系统、刀具库等，通过添加毛坯，调用数控程序，就可以在PC机上观看到和机床加工一样的效果，因此建立数控机床仿真环境是进行切削仿真的基础。下面介绍在VERICUET中建立加工中心仿真整体叶轮环境的过程。该加工中心采用FANUC0iMB数控系统，具有X、Y、Z、A、曰运动轴，可实现X、Y、Z三轴联动控制。Z轴行程为635mm，Y轴行程为610ram，X轴行程为1 100ram，主轴最高转速可达8 000r/min，刀库容量为20把拉o。

　　(1)建立机床组件树

　　打开VERICUT中新建用户文件，在Model—ComponentTree中，定义机床的组成部分，添加顺序为base—Z—Tool，base—Y—X—Fixture—Stock，base—Y—X—B—A，这样就得到机床组件树，如图1所示。

图1 机床组件树

　　(2)添加机床几何模型

　　在三维实体软件Pro/E中按机床实际位置尺寸绘制各组成部分模型，并转化为STL格式导人VERlCUT，依次按组件树添加实体，以Base为例，在ModelingWindow中，设置ActiveComponent=Base，ModelType=ModelFile，利用Browse选择路径，选择添加相应的机床Base组件，设置Normals=Outward，Unit=Millimeter。Color=Lisht SteelBlue，同样可添加其余机床组件，生成的机床几何模型。

　　(3)机床参数设置

　　机床模型设置完后，还要对机床进行参数设置，打开Setup—Machine—Settings选项，在MachineSetting Window中，依次设置机床的CollisionDetect、

　　TravelLimits、Axis Priority选项，在Tables选项中设置机床初始位置、机床零点、换刀位置等参数。

　　(4)建立机床刀具库

　　VERICUT中的刀具由刀柄和刀片组成，刀柄的形状可在VERICUT中画出，也可先用其它软件建模，并将其转换成STL格式，便于使用时调入和调整位置。刀片必须在VERICUT中设置，选择相应刀片型号，输入刀片尺寸即可在VERICUT中建立刀具模型，如图2所示。

图2 刀具库

　　3 机床加工过程仿真

　　使用VERICUT进行机床加工过程仿真，不但能用彩色的三维图像显示出刀具切削毛坯形成零件的全过程，还能逼真地显示刀具、夹具、机床的运行过程和虚拟的工厂环境，其操作过程如下。

　　(1)在VERICUT中打开机床模型，在ModelingWindow中，设置毛坯大小及形状。

　　(2)打开Setup—Control—Open，设置Shortcut=CGTECHLIBRARY，选择FANUCOiMB控制文件。

　　(3)在ToolManageWindow中添加已建立的刀具库。

　　(4)Setup—Toolpath调入加工程序，在Toolpath-Window中，设置ToolpathType和ToolChangeBy选项，添加相应的刀轨文件，作为NC驱动程序。

　　(5)在VERICUT主窗口中，点击右下角的Reset按钮，再点击PlaytoEnd按钮，运行加工过程的仿真，仿真结果如图3所示。

图3 加工过程

　　4 结束语

　　VERICUT是集多种功能于一体的切削仿真系统。本文作者基于VERICUT软件构建了加工中心的仿真环境，用同样方法可构建其它各种数控机床的仿真环境。此方式基于完整的加工工艺系统环境进行NC编程仿真，比CAD/CAM软件的单纯刀位文件仿真更真实、直观，更接近实际加工情况，仿真后的NC程序不用试切可直接输入机床进行加工，而且利用该平台可以以形象直观的方式实现对数控代码的效验，对于保证数控程序的正确性具有重要意义，可以将过切与干涉等不安全因素消除在机床加工之前。