VERICUT 仿真軟件在五軸聯(lián)動加工中的應(yīng)用研究*

唐清春，劉 謙，馬仲亮，張 健

(廣西科技大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，廣西 柳州 545006)

0 引言

隨著我國數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展，能夠進行高精密、高柔性、高效率加工的五軸加工機床得到了廣泛應(yīng)用。面對復(fù)雜程度和精度要求較高的機械零部件，技術(shù)人員通常要使用UG、Pro/E、CATIA 等軟件進行加工程序編制，但是UG 等CAM 軟件編制的刀位軌跡在生成過程中并不考慮實際機床結(jié)構(gòu)，生成的程序不一定適合零件實際加工情況，同時國產(chǎn)五軸機床的后處理軟件并不成熟，因此在零件加工時常常會產(chǎn)生過切、欠切等問題，甚至出現(xiàn)刀具與工件、夾具等發(fā)生碰撞的現(xiàn)象，這樣不僅會造成材料的浪費，還對人身財產(chǎn)安全構(gòu)成巨大威脅，所以數(shù)控加工前對程序進行仿真驗證具有現(xiàn)實意義及應(yīng)用價值。

本文結(jié)合某分流葉輪數(shù)控加工程序的編制，分析了五軸加工復(fù)雜型面件的加工策略，并采用數(shù)控加工仿真軟件Vericut 對分流葉輪加工程序進行了仿真和優(yōu)化，最后利用雙轉(zhuǎn)臺五軸加工中心進行了實例加工，說明采用Vericut 軟件解決了五軸聯(lián)動加工復(fù)雜零件的問題。

1 Vericut 仿真環(huán)境構(gòu)建

Vericut 是美國CGTech 公司開發(fā)的模擬數(shù)控機床加工的仿真軟件，可真實模擬加工中刀具的切屑以及機床各軸的運動情況，能有效避免過切、干涉等現(xiàn)象，并提供了干涉檢查、程序校驗、測量分析和工藝優(yōu)化等功能。利用Vericut 軟件，不僅提高了加工過程的安全性，而且降低了加工成本，提高了生產(chǎn)效率。

在Vericut 中模擬仿真即通過計算機根據(jù)加工機床的特性建立虛擬的機床模型、控制系統(tǒng)、刀具庫、加工坐標(biāo)系等模塊，通過添加毛坯，導(dǎo)入NC 程序代碼，在計算機中仿真機床加工的過程。本文加工實驗是在BV100雙轉(zhuǎn)臺五軸加工中心進行的，該機床采用的是SIEMENS840D 系統(tǒng)，具有X、Y、Z三個直線軸和A、C兩個旋轉(zhuǎn)軸，X軸、Y軸、Z軸最大行程分別為1050mm、490mm、560mm，A軸旋轉(zhuǎn)范圍為(-110°～+110°)，C軸為雙向360°旋轉(zhuǎn)，主軸最高轉(zhuǎn)速為8000r/min。針對BV100 五軸機床的結(jié)構(gòu)特性，建立起Vericut 機床仿真環(huán)境，為模擬五軸機床加工做好準(zhǔn)備。

2 分流葉輪加工工藝分析

2.1 分流葉輪結(jié)構(gòu)分析

葉輪作為汽輪機等各類透平機械的核心零部件，廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、汽車等領(lǐng)域。葉輪有著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、葉片扭曲大、型面精度要求高等特點，符合五軸加工的應(yīng)用范圍，因此本文選取分流式葉輪作為五軸數(shù)控加工仿真優(yōu)化的特例進行實驗分析。

某分流式葉輪三維模型如圖1 所示，此分流葉輪由主葉片、分流葉片和輪轂構(gòu)成。輪轂表面為直紋流道面，在加工中刀具需順著流道方向進行切削。葉片曲面為非可擴展扭曲直紋面，包含壓力曲面、吸力曲面、葉片前緣和葉片后緣，主葉片最小厚度2.18mm，分流葉片最小厚度2.48mm，屬于典型的薄壁類工件。綜合上述情況，分流葉輪整體數(shù)控加工在普通的三軸機床上無法實現(xiàn)，需在五軸聯(lián)動機床上實行加工。

圖1 分流葉輪三維模型圖

2.2 分流葉輪加工難點分析

通過分析分流式葉輪的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合實驗加工所用五軸聯(lián)動機床的特性，在進行銑削加工時需注意一下幾方面問題:

(1)主葉片與分流葉片之間最小柵距為19.56mm，兩主葉片間最小柵距則為40.16mm，故在加工時刀具直徑選擇不能過大。

(2)由于主葉片與分流葉片最小壁薄均不足3mm，作為典型的薄壁工件在加工時葉片極易受到切削力和切削熱的影響發(fā)生形變。

(3)葉片最深處為24.07mm，葉片與流道過渡處圓角半徑為4mm，在進行圓角部位清根時需設(shè)置相鄰葉片和流道面為檢查面，同時注意傾斜角度，避免刀具與工件發(fā)生干涉。

(4)葉片的扭曲很大，在加工分流葉片進氣邊處時刀軸極易與主葉片發(fā)生干涉，需控制最大刀軸的擺動范圍。

2.3 分流葉輪實例加工問題分析

通過對分流葉輪進行加工程序編制，并在UG 仿真環(huán)境中仿真無誤后，在BV100 五軸機床進行了實物加工實驗。由分流葉輪模型圖和實物圖(如圖2 和圖3)可以看出，雖然刀具軌跡在UG 仿真切削中能夠很完美的實現(xiàn)分流葉輪的銑削成型，但是在實際加工中依然會出現(xiàn)過切、殘留或干涉等問題。結(jié)合對程序的Vericut 仿真可以發(fā)現(xiàn)以下問題(如圖4a):

地理這門學(xué)科的學(xué)習(xí)，要結(jié)合大量實際應(yīng)用的內(nèi)容。雖然初中地理學(xué)科并非作為中考重點考查科目，但是學(xué)好地理知識對初中生整體素質(zhì)的提升有極大幫助。然而在初中地理教學(xué)過程中，授課教師的教學(xué)方法單一，課堂氣氛并不活躍，進而導(dǎo)致課堂上毫無生趣，學(xué)生失去地理學(xué)習(xí)的積極性。所以，從素質(zhì)教育的基本理念出發(fā)，更好地體現(xiàn)出對于學(xué)生綜合素質(zhì)能力培養(yǎng)的目標(biāo)，教師在初中地理的教學(xué)過程中，要積極推進實踐教學(xué)活動，讓學(xué)生通過實踐，對于這門學(xué)科的基礎(chǔ)知識內(nèi)容有更多的理解。在教學(xué)中，努力地推進實踐教學(xué)改革活動，在接下來的內(nèi)容中，我將主要圍繞該問題談自己的一些想法。

(1)葉輪葉片的進氣邊處有魚鱗紋現(xiàn)象，主要原因為:五軸加工中機床直線軸和旋轉(zhuǎn)軸的進給速度不一致，在合成速度中旋轉(zhuǎn)軸跟不上動態(tài)響應(yīng)而掉步，導(dǎo)致系統(tǒng)整體速度下降，從而致使刀具在工件表面產(chǎn)生干涉痕跡。

(2)葉輪流道表面出現(xiàn)啃切現(xiàn)象，表面光順度較差。主要是由于通過CAM 軟件生成的刀具軌跡步長過大而產(chǎn)生非線性誤差，在前饋控制中公差值超過機床限制，引起在加工中刀具發(fā)生顫振和頓刀等現(xiàn)象。

圖2 優(yōu)化前葉輪葉片加工圖

圖3 優(yōu)化前葉輪流道加工圖

3 基于Vericut 的加工優(yōu)化

通過上述的工藝及實際切削效果分析，必須對工藝參數(shù)進行一系列的優(yōu)化，才能達到產(chǎn)品的設(shè)計要求;本文采用Vericut 軟件，對上述情況進行優(yōu)化處理。Vericut 的五軸加工優(yōu)化一般包括加工軌跡優(yōu)化和切削速度優(yōu)化兩部分，加工軌跡優(yōu)化是通過分析Vericut的仿真效果，返回UG 等CAM 軟件對刀具路徑及加工參數(shù)進行優(yōu)化，或?qū)C床后置處理軟件處理算法進行修正;切削速度優(yōu)化則是基于Vericut 軟件的速度優(yōu)化模塊，根據(jù)NC 程序各段的材料去除量，為各段切削設(shè)定最佳進給速度，以提高切削效率。通過分析仿真和實際加工中出現(xiàn)的問題，經(jīng)過查閱相關(guān)加工手冊，得到分流葉輪加工軌跡的優(yōu)化方案如下:

3.1 基于Vericut 的加工軌跡優(yōu)化

3.1.1 基于UG 的加工參數(shù)優(yōu)化

(1)葉片在進行精加工前余量控制在0.2mm 以下，主軸轉(zhuǎn)速提高到8000r/min，以提高葉片加工質(zhì)量，降低切削力帶來的葉片形變。

(2)在葉輪流道的精加工程序編制時，需將刀具軌跡光順百分比設(shè)置在20%以下，這樣會使分流葉片拐角處增加許多過渡的刀位，減小刀具擺角范圍，使刀具軌跡細膩，有利于提高流道加工質(zhì)量。

3.1.2 基于機床后置處理軟件的算法修正

(1)為提高葉片整體加工質(zhì)量，降低魚鱗紋和過切現(xiàn)象，需在后置處理軟件中進行動態(tài)速度補償，即在曲面曲率變化小的內(nèi)背弧處降低切削速度，在曲面曲率變化大的進汽邊處加大切削進給速度，以保持切削過程的恒功率狀態(tài)。

重新仿真修改后的加工程序發(fā)現(xiàn)(如圖4b)，經(jīng)過優(yōu)化后的加工程序未出現(xiàn)過切現(xiàn)象，圓角處殘留明顯減小，工件誤差達到加工標(biāo)準(zhǔn)，但是加工效率較低，在實際生產(chǎn)加工中嚴重影響經(jīng)濟效益，因此，需要對切削速度做進一步優(yōu)化。

圖4 刀位軌跡優(yōu)化前后仿真對比圖

3.2 基于Vericut 的切削速度優(yōu)化

3.2.1 建立切削速度優(yōu)化模型

在數(shù)控銑削加工中，切削深度Ap(mm)、切削寬度Ae(mm)、主軸轉(zhuǎn)速Fn(mm/min)和進給速度Fv(mm/min)是影響切削效率的關(guān)鍵因素，故可得到Vericut 優(yōu)化模型的設(shè)計變量為:

Vericut 切削速度優(yōu)化的目的是在保證工件加工質(zhì)量的前提下盡可能減少加工時間，以提高工作效率，由此可得到Vericut 優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為:

本文通過邊界約束的約束方式，基于切削深度約束、切削寬度約束、主軸轉(zhuǎn)速約束、進給速度約束等約束條件，來獲取目標(biāo)函數(shù)T(X)的最小值。

切削深度約束:切削深度Ap應(yīng)當(dāng)小于工件的切削余量L，即

切削寬度約束:切削寬度Ae應(yīng)當(dāng)小于刀具直徑D，即

主軸轉(zhuǎn)速約束:主軸轉(zhuǎn)速Fn應(yīng)當(dāng)小于機床允許的最大轉(zhuǎn)速Nmax，并大于工件加工需要的最小轉(zhuǎn)速Nmin，即

進給速度約束:進給速度Fv應(yīng)當(dāng)小于機床允許的最大進給速度Vmax，并大于機床的最小進給速度Vmin，即

3.2.2 分流葉輪切削速度優(yōu)化

Vericut 切削速度優(yōu)化可以分為恒定體積去除率切削和恒定厚度切削兩種方式。在分流葉輪進行粗加工時，為盡可能快速的去除材料，并維持恒定的體積去除率，保證穩(wěn)定的切削狀態(tài)，在Vericut 中可以采用恒定體積去除率切削的優(yōu)化方式;而在分流葉輪進行精加工時，需要保證葉片及流道的表面質(zhì)量和加工精度，刀具切削時所走的路徑應(yīng)盡量靠近工件最終形狀，此時應(yīng)采用恒定厚度切削方式進行優(yōu)化，即通過分析計算切削模型和切削厚度，動態(tài)地保持切削厚度恒定。

通過比較速度優(yōu)化前后程序文件可知(如圖5)，優(yōu)化前進給速度較小，變化幅度不大，優(yōu)化后的進給速度變化頻繁。加工效率的高低最直接的反應(yīng)就是加工時間的長短，由優(yōu)化前后工時對比表1 可以看出，優(yōu)化后葉片粗加工節(jié)省時間35.19%，精加工主葉片節(jié)省時間28.25%，大大縮短了加工時間，提高了加工效率。

圖5 優(yōu)化前后程序?qū)Ρ?/p>

表1 優(yōu)化前后工時對比

通過仿真及優(yōu)化后，在BV100 雙轉(zhuǎn)臺五軸機床上進行了分流葉輪的實例加工，圖6 為分流葉輪加工實物圖。采用Vericut 優(yōu)化后的NC 代碼在機床加工過程中無過切、干涉現(xiàn)象，葉片扭曲程度一致，流道表面光順度得到明顯提高，輪廓誤差達到工藝設(shè)計要求，說明了五軸數(shù)控加工前對NC 程序進行Vericut 仿真驗證的現(xiàn)實意義。

圖6 優(yōu)化后分流葉輪實物圖

4 結(jié)束語

隨著五軸數(shù)控加工工件復(fù)雜程度的提高，如何保證加工程序的正確性，并對程序進行優(yōu)化來提高加工效率，成為數(shù)控加工中面臨的現(xiàn)實問題。本文以五軸加工分流葉輪為例，通過分析規(guī)劃分流葉輪的五軸加工工序，并采用數(shù)控加工仿真軟件Vericut 對其加工程序進行仿真優(yōu)化，說明Vericut 仿真軟件在五軸加工中具有很高的工程應(yīng)用價值。

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