轉輪數控計算機仿真思考

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1沖擊式轉輪整體三維建模

以某型沖擊式轉輪為例，其材料為超低碳不銹鋼，直徑約1.2m，共19個水斗，單個水斗高度約為20cm，水斗根部之間的最小距離為25mm。應用UG軟件對轉輪進行整體三維造型。

2沖擊式轉輪結構特點及加工難點

由轉輪的三維造型可以看出，轉輪水斗具有結構緊湊，開放性差，單個水斗狹長，正背面形狀變化比較復雜，水斗背面凸起和凹陷部分變化很大，局部出現凸棱和凹棱，曲面數量繁多而且復雜，曲面之間過渡方式多樣等特點［8］。因此，在數控加工過程中易發生干涉、顫振等現象，再加上坯料為難切削的不銹鋼材質的整體毛坯，切削余量大，故對刀路的要求很高。為了保證樣件的加工精度和表面質量，提高加工效率，盡量減少走刀路線、刀具空行程和編程工作量，需要根據水斗的曲面特征、加工情況和刀具特點，以加工路徑最短、切削平穩、加工精度與效率高等為原則，選擇合理的走刀方式或走刀路線的組合，使被加工曲面在理論上和實際切削中均可得到良好的精度［9］。

3沖擊式轉輪整體數控加工走刀路線

由于轉輪結構復雜，在確定數控加工走刀路線的過程中，會出現許多加工和數控編程難點，因此需要對傳統的數控加工方式進行改進和優化。結合轉輪結構特點及生產實際，經過工藝技術分析，可以采用三軸數控機床結合數控轉臺的方式來加工轉輪水斗內外表面，最后通過光整成型。在編制零件輪廓粗加工程序時，考慮零件表面余量大，應采用逆銑加工方式，以便減少機床的振動。在編制零件輪廓精加工程序時，由于精加工要求保證零件的加工精度和表面粗糙度，應采用順銑加工方式［10］。另外，在確定走刀路線時需要注意:刀具在進刀和退刀時應沿著轉輪輪廓曲線的延長線切向切入和切出轉輪表面，以避免加工表面產生駐刀痕跡，影響被加工表面的粗糙度。同時，可以采取數控編程過程中的毛坯多層次的順序繼承調用方法，即每一次完成三維模擬加工后形成的過程工件都可以作為下一序列加工的理論毛坯，以減少數控過程的走空刀現象，提高加工效率［11］。

3．1轉輪加工部位的選擇

轉輪毛坯采用的是整體超低碳不銹鋼鍛件。以轉輪的一部分數控加工為例，包括一個水斗的正面及相鄰一個水斗的背面，如圖2所示。轉輪在開槽加工前應首先完成輪轂上的孔、槽、凸臺、端面等部位的加工，以作為后續加工工序的基準面和定位面，同時也可以減少切削量，簡化走刀路線，提高加工效率。轉輪開槽加工前的坯料上部和底部如圖3所示。

3．2轉輪的開槽及成型加工

轉輪開槽及成型加工的目的是去除水斗的大面積余量以及加工出水斗的外表面輪廓。由于開槽過程中的切削量較大，刀具會受到較大的振動和切削力，加上轉輪曲面復雜、結構緊湊，使得刀具的走刀空間受限，同時也極易與工件發生干涉，因此采用三軸銑削很難一次性完成開槽加工。針對這種情況，可以采取分層、分區的方法，將水斗的開槽部位分為對稱的上下2部分，每一部分單獨進行數控加工。對水斗的上部分進行開槽粗加工，可以加工出水斗的正面部分和相鄰水斗的背面凸起部分。采用+ZM軸方向的立式三軸型腔銑，刀具為50mm的立銑刀，逆銑切削，采用層優先的切削順序，切削方式為跟隨周邊，保留6mm的加工余量，同時每一刀的全局深度控制在1.5mm。為了避免加工過程中刀具、刀柄與轉輪發生干涉，將最小安全距離設置為5mm。水斗下部的加工方式及走刀路線與上部類似。開槽粗加工后的過程工件如圖5所示。接下來需要對水斗正面其余部分、相鄰水斗的背面凹陷部分和水斗根部進行成型粗加工，使水斗的輪廓初步顯現出來。由于水斗背部曲面曲率變化大，曲面連接復雜，若采用+Z軸方向的立式加工，一方面水斗背部的凹陷部位難以加工到，另一方面也容易產生加工干涉和過切。因此采用臥式三軸型腔銑，刀軸與水斗正面平行的加工方式，既可以加工到水斗背面難加工部位，有效避免產生加工干涉和過切，又可以保證水斗表面加工質量和加工效率。采用50mm的立銑刀，UG加工參數的設置與轉輪上半部單個水斗開槽粗加工時的參數類似，生成的走刀路線如圖6所示。粗加工出水斗輪廓后緊接著需要進行水斗輪廓的半精加工和精加工。由于粗加工后的水斗表面類似于山坡上的梯田，半精加工就是銑掉“梯田”的臺階，從而使加工余量進一步減少，更加接近實際形狀［12］。在半精加工的基礎上再進行精加工，最終加工出水斗的理論曲面，并同時保證加工精度，包括尺寸精度、形位精度以及表面粗糙度等。由于粗加工時已經去除了坯料大部分加工余量，通過采用+ZM軸方向立式等高輪廓銑的半精加工、精加工方法，使其產生的加工路徑在水斗曲面輪廓的等高線上，走刀軌跡被限制在二維平面中，方便了刀具軌跡的優化，空走刀現象大大減少，從而可以保持切削速度和進給率，提高加工效率。半精加工和精加工時生成的走刀路線如圖7所示，開槽精加工完成后的轉輪工件。

3．3水斗的內表面加工

水斗內表面的加工是整個數控加工過程中極為關鍵的一環，其加工質量的優劣直接關系到水輪機的發電效率和使用壽命。由于水斗內表面的開放性差，水斗的間距小，走刀空間十分有限，使得在加工過程中刀具極易與被加工水斗及相鄰水斗發生干涉。因此，選擇合理的進退刀方式以避免發生干涉，是數控編程過程中需要首先解決的問題。針對水斗的結構特點以及表面特征，采用臥式進退刀、刀軸與水斗正面呈一定角度的加工方式，同時在編程過程中采取多區域干涉檢查及刀具和刀柄防撞干涉檢查，合理解決了加工過程中的干涉問題。接下來需要選擇合適的銑削方法。由于銑削時刀軸需要與水斗正面呈不同的夾角，僅僅采用三軸臥式銑削是不夠的，還需要加上數控轉臺。這樣就可以通過旋轉轉輪，使水斗正面與刀軸呈一定夾角，并控制刀具與水斗內表面切觸點的位置，從而控制刀具在銑削過程中的受力狀態，盡量減小刀具的徑向受力，減輕刀具的磨損及振動，最終提高加工質量及加工效率。在加工過程中，刀具在軸向進給的同時又要徑向進給，因此，內表面的數控加工均采用帶中心切削刃的球形銑刀。在粗加工內表面時采用50mm的球形銑刀，以刀軸方向與水斗正面分別呈60°、30°夾角的加工順序進行臥式型腔銑，每一刀的全局深度控制在2mm，安全距離控制在10mm，加工余量6mm。半精加工時的UG參數與粗加工時類似，采用25mm帶中心切削刃的球形銑刀，以刀軸方向與水斗正面分別呈75°、45°、15°夾角的加工順序進行臥式型腔銑，每一刀的全局深度控制在1mm，安全距離控制在8mm，加工余量2mm。同樣，精加工時采用8mm的球形銑刀，以刀軸方向與水斗正面分別呈85°、70°、67°、50°、25°的加工順序進行臥式型腔銑，每一刀的全局深度控制在0.3mm，安全距離控制在5mm，加工余量為0.2mm。

3．4走刀路線的后置處理

在UG加工模塊中產生的轉輪數控加工走刀路線需要進行進給率平順化、轉彎減速及加速、碰撞及過切檢驗、材料切除率均勻化檢驗等一系列優化［13］。將優化后的走刀路線進行驗證并確認準確無誤，然后進行后置處理，最后將后置處理生成的NC文件(即自動生成數控加工程序)直接輸入數控加工設備，即可用于轉輪水斗的實體加工。

4結束語

以轉輪水斗的UG軟件三維數字模型為基礎，通過對轉輪加工工藝路線、加工尺寸、刀具尺寸、切削方式等進行綜合分析和設定，能夠直觀、準確、快速地進行數控編程，并生成合理的數控加工走刀路線。通過對整個切削過程進行加工仿真，可以很方便地判斷在曲面加工過程中是否發生過切、欠切或碰撞等干涉現象，以及所選擇的刀具、進退刀方式、走刀路線是否合理，從而對其進行必要的編輯修改［14］，最終可以得到科學、合理、高效的走刀路線及數控加工程序，從而彌補了人工編程的諸多不足，避免了對工件的試切加工，降低加工成本，大大縮短轉輪的整個生產加工周期，對提高轉輪的加工質量、生產效率和企業的經濟效益具有重要意義。