1 引言

      葉輪是機械裝備行業重（chóng）要的典型零件，在能源動力、航空航天、石油化工、冶（yě）金等領域（yù）應用廣泛，其加工方法、加（jiā）工（gōng）精度和加工表麵質量對其最終的性能參數有很大影響。由於使用環境中防鏽、防腐蝕的要（yào）求，某些葉輪必須采用不鏽（xiù）鋼材料進（jìn）行製造。

      不鏽鋼屬於難加工材料，其加工（gōng）存在多項技術難點：（1）易加工（gōng）硬化，硬化後的強度可達到（1470～1960）MPa，硬化層的深度可達到0.1mm 以上；（2）切削（xuē）力大，單位切（qiē）削力比45 鋼高（gāo）25%；（3）切（qiē）削溫度高（gāo），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45 鋼的1/2～1/4，切削熱集中在切削區和（hé）刀—屑接觸麵（miàn）上；（4）切屑不易（yì）折斷、易粘結；（5）刀具（jù）磨損大，加工不（bú）鏽鋼（gāng）的刀具壽命約為加工45 鋼的1/3～1/2；（6）不鏽鋼的線膨脹係（xì）數約為碳素鋼的（de）1.5 倍，在切削溫度作用下，工件尺寸精度較難（nán）控製[1]。

      葉輪零件（jiàn）形狀複雜，要確保（bǎo）數控加工（gōng）程序不存（cún）在問題十分困（kùn）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（běn），為了提高加工成功（gōng）率，引入了數控加（jiā）工仿真技術。數控加工仿真不但可以模擬刀具的切削軌跡，還可以模擬機床的運動，被（bèi）加工工件的切削過程等。在不鏽鋼葉輪的數（shù）控加工中應用仿真技術，可以縮短加工的準（zhǔn）備時間，優化加工程序，提高加工成（chéng）功率，同時起到對機床（chuáng）、刀具以及工件的保護作用[3~6]。

      2 仿真方法及仿真流程

      數控仿真的含義為：運用編（biān）程語言（如C，VC 等）構建數控仿真平（píng）台，導入實際加工需（xū）要的某種指（zhǐ）令文件（如刀位軌跡文件、數控程序代碼等（děng）），基於該平台運行模擬實際的加（jiā）工過（guò）程，從而發現加工可能存在的問（wèn）題，最終對數控（kòng）加工（gōng）實（shí）現優化。

      數控加工仿真文件（jiàn）主要有刀位軌跡文件（CLSF）和數控程序代碼（NC）。基於刀位軌跡文件仿真的主要目的是檢驗刀具運動軌跡的正確性、安全性。基於數（shù）控（kòng）代碼仿真（zhēn）則既能檢查刀具軌（guǐ）跡正確（què）與否，又能判斷加工參數選擇是否（fǒu）合（hé）適等（děng）。由於直接驅動數控機床運（yùn）動的是數控程序代碼，而不是刀位軌跡文件，所以（yǐ）基於NC 程序的（de）加工仿真比基於CLSF 數據的加工仿真能更（gèng）好地反映（yìng）零件的實際加工過程和加工結果。

      構建仿真平台實現虛擬機床建模常用兩種方法：（1）通過高（gāo）級語言編程借助OpenGL 三維圖形（xíng）引擎功能實現機床（chuáng）幾何建模和運動仿真；（2）通過CAD 軟件建立虛擬機床幾何建模或直接利用虛擬製造軟件（jiàn）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（jiàn）機床的控製係（xì）統，可以不（bú）需要編程來建立機（jī）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（xì）統可以仿（fǎng）真3 軸和多軸機床的運動及工件加工過程的變（biàn）化，並且在仿真、驗證和分析NC 程序時，能（néng）夠檢測錯誤自動報警，並（bìng）統計出錯誤的數量及發（fā）生位置[2]。其仿真流程，如圖1 所（suǒ）示。

      3 葉輪加工仿（fǎng）真（zhēn）

      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（qián）端（duān）最薄處僅1.5mm；流道深（shēn），流道開口最深（shēn）處達33.75mm；間距（jù）小，相鄰葉片最小間距僅22.975mm。該葉輪為獲得理想的動力學特性，采用了大扭角、根部變圓（yuán）角等結構，加工時必須采用細長刀具，刀軸的控製較為（wéi）困難，同時，由於防鏽、防腐蝕的需要，葉輪毛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（yuán）素的作用，製造（zào）中（zhōng）容易出現大量的工藝問題。

      加工使用的機床為（wéi）德國（guó）進口的DMU100 monoBLOCK 五軸數控機床，如圖3 所示。該機床共有（yǒu）X、Y、Z 三個直線軸，C、B 兩個旋轉軸（zhóu），其中C 軸依附於Z 軸（zhóu），Y 軸依（yī）附於X 軸，B 軸依附於Y軸。機床的技術參數，如表2 所（suǒ）示。

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

      4 分析與改進

      （1）仿真中發現，原加工方案中（zhōng）使用的圓柱球頭（tóu）銑刀剛度不夠，加工中容易折斷，改進後（hòu）重（chóng）新選擇為錐形球頭銑刀，則（zé）刀具剛度大幅提高，同時有利於流道成型；（2）仿真發現葉片粗加（jiā）工工序存在過切，同（tóng）時流道開槽（cáo）精加工（gōng）後表麵質量不能達到允許值要求（qiú），因（yīn）此需要對加工參數進行優（yōu）化。

      改變加工（gōng）策略，從“低轉速高進給量”優化為“高轉速低進給（gěi）量”，優化後的加工參（cān）數，如表3 所示。加工實踐證明，優化後的加工方案有利於解決（jué）前文所述的不鏽鋼加工難題，降低了切（qiē）削發熱，將刀具壽命提高了約30%，葉輪變形減小，能（néng）保證加工質量，同時也提高了加工效率（lǜ），加工時間降低20%左右，最終的成品，如圖8 所示。

      5 結論（lùn）

      複雜曲麵零件（如流體機械中的葉輪）的數（shù）控加工中，采用軟件生成的NC 程序相當複雜，為了確保（bǎo）程序的（de）正確性和高（gāo）效性，利用仿真（zhēn）軟件對其進行驗證、分析和優化，可有效地保證刀具路徑（jìng）精度、零件質量和避免機床碰撞。

      本文指（zhǐ）出了對不鏽鋼葉（yè）輪進行數控加工的技術（shù）難點，引入了仿真技術（shù）加以解決。提出了仿真方法和仿真（zhēn）流程，並基於VERICUT 仿真平台，以某（mǒu）型葉輪的數控加工為例，具體進（jìn）行了加工仿真。基於對仿真結果的分析，發現了初始加工方案存在的問題，經過改變刀具、優化加（jiā）工方案後，重（chóng）新進行仿真並實際完成加工。實踐證明，針對葉輪數控加工，特別是不鏽鋼材（cái）料的葉輪，采用仿真技術可以增大加工成功率，改善加工質量，降低生產成本，對（duì）提高我國流體機械中的葉輪加工水平具（jù）有較好（hǎo）的現實（shí）意義。