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不锈钢叶轮五轴联动数控加工中仿真技术应用研究
2013-2-28  来源:  作者:西南交通大学机械工程学院 邓维鑫

     1 引言

 

      叶轮是机械装备行业重要的典型零件,在能源动力、航空航天、石油化工、冶金等领域应用广泛,其加工方法、加工精度和加工表面质量对其最终的性能参数有很大影响。由于使用环境中防锈、防腐蚀的要求,某些叶轮必须采用不锈钢材料进行制造。

 

      不锈钢属于难加工材料,其加工存在多项技术难点:(1)易加工硬化,硬化后的强度可达到(14701960MPa,硬化层的深度可达到0.1mm 以上;(2)切削力大,单位切削力比45 钢高25%;(3)切削温度高,塑性变形和摩擦产生的切削热非常多,且不锈钢的导热系数约为45 钢的1/21/4,切削热集中在切削区和刀—屑接触面上;(4)切屑不易折断、易粘结;(5)刀具磨损大,加工不锈钢的刀具寿命约为加工45 钢的1/31/2;(6)不锈钢的线膨胀系数约为碳素钢的1.5 倍,在切削温度作用下,工件尺寸精度较难控制[1]

 

      叶轮零件形状复杂,要确保数控加工程序不存在问题十分困难,主要包括:过切、欠切以及机床各部件之间的干涉碰撞等。考虑到高昂的加工成本,为了提高加工成功率,引入了数控加工仿真技术。数控加工仿真不但可以模拟刀具的切削轨迹,还可以模拟机床的运动,被加工工件的切削过程等。在不锈钢叶轮的数控加工中应用仿真技术,可以缩短加工的准备时间,优化加工程序,提高加工成功率,同时起到对机床、刀具以及工件的保护作用[3~6]

 

      2 仿真方法及仿真流程

 

      数控仿真的含义为:运用编程语言(如CVC 等)构建数控仿真平台,导入实际加工需要的某种指令文件(如刀位轨迹文件、数控程序代码等),基于该平台运行模拟实际的加工过程,从而发现加工可能存在的问题,最终对数控加工实现优化。

 

      数控加工仿真文件主要有刀位轨迹文件(CLSF)和数控程序代码(NC)。基于刀位轨迹文件仿真的主要目的是检验刀具运动轨迹的正确性、安全性。基于数控代码仿真则既能检查刀具轨迹正确与否,又能判断加工参数选择是否合适等。由于直接驱动数控机床运动的是数控程序代码,而不是刀位轨迹文件,所以基于NC 程序的加工仿真比基于CLSF 数据的加工仿真能更好地反映零件的实际加工过程和加工结果。

 

      构建仿真平台实现虚拟机床建模常用两种方法:(1)通过高级语言编程借助OpenGL 三维图形引擎功能实现机床几何建模和运动仿真;(2)通过CAD 软件建立虚拟机床几何建模或直接利用虚拟制造软件来实现,例如美国CGTech 公司的VERICUT 等。由于虚拟制造软件中一般配置了常见机床的控制系统,可以不需要编程来建立机床的几何模型,还可设置各数控指令的含义及运动方式,所以更为方便快捷[4]

 

      VERICUT 系统可以仿真3 轴和多轴机床的运动及工件加工过程的变化,并且在仿真、验证和分析NC 程序时,能够检测错误自动报警,并统计出错误的数量及发生位置[2]。其仿真流程,如图1 所示。

 

 

      3 叶轮加工仿真

 

      加工的叶轮零件为某流体机械使用的诱导轮,如图2 所示。该型叶轮的结构特点为:叶片薄,叶片前端最薄处仅1.5mm;流道深,流道开口最深处达33.75mm;间距小,相邻叶片最小间距仅22.975mm。该叶轮为获得理想的动力学特性,采用了大扭角、根部变圆角等结构,加工时必须采用细长刀具,刀轴的控制较为困难,同时,由于防锈、防腐蚀的需要,叶轮毛坯采用了难加工材料不锈钢00Cr17Ni14Mo2,材料的化学成分,如表1 所示。由于各合金元素的作用,制造中容易出现大量的工艺问题。

 

 

      加工使用的机床为德国进口的DMU100 monoBLOCK 五轴数控机床,如图3 所示。该机床共有XYZ 三个直线轴,CB 两个旋转轴,其中C 轴依附于Z 轴,Y 轴依附于X 轴,B 轴依附于Y轴。机床的技术参数,如表2 所示。

 

 

      由设计部门根据流体力学、空气动力学原理计算出原始设计数据,在UG 中建立叶轮的三维模型,如图2 所示。按照前文所述的仿真流程,分别建立机床模型、刀具模型、工件模型、夹具模型,设置各仿真参数,进行叶片的加工仿真,如图4~7 所示。

 

 

 

      4 分析与改进

  

      (1)仿真中发现,原加工方案中使用的圆柱球头铣刀刚度不够,加工中容易折断,改进后重新选择为锥形球头铣刀,则刀具刚度大幅提高,同时有利于流道成型;(2)仿真发现叶片粗加工工序存在过切,同时流道开槽精加工后表面质量不能达到允许值要求,因此需要对加工参数进行优化。

 

      改变加工策略,从“低转速高进给量”优化为“高转速低进给量”,优化后的加工参数,如表3 所示。加工实践证明,优化后的加工方案有利于解决前文所述的不锈钢加工难题,降低了切削发热,将刀具寿命提高了约30%,叶轮变形减小,能保证加工质量,同时也提高了加工效率,加工时间降低20%左右,最终的成品,如图8 所示。

 

 

 

      5 结论

  

      复杂曲面零件(如流体机械中的叶轮)的数控加工中,采用软件生成的NC 程序相当复杂,为了确保程序的正确性和高效性,利用仿真软件对其进行验证、分析和优化,可有效地保证刀具路径精度、零件质量和避免机床碰撞。

 

      本文指出了对不锈钢叶轮进行数控加工的技术难点,引入了仿真技术加以解决。提出了仿真方法和仿真流程,并基于VERICUT 仿真平台,以某型叶轮的数控加工为例,具体进行了加工仿真。基于对仿真结果的分析,发现了初始加工方案存在的问题,经过改变刀具、优化加工方案后,重新进行仿真并实际完成加工。实践证明,针对叶轮数控加工,特别是不锈钢材料的叶轮,采用仿真技术可以增大加工成功率,改善加工质量,降低生产成本,对提高我国流体机械中的叶轮加工水平具有较好的现实意义。

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