冲击式转轮整体数控加工的计算机仿真

罗 静，周宝仓，柴勤建，龚文均，詹 捷

(1.重庆理工大学，重庆 400054;2.重庆水轮机厂有限责任公司，重庆 400054)

转轮是确保冲击式水轮机综合性能和可靠运行的核心部件［1］，其结构紧凑、几何形状复杂，勺型水斗紧密而又均匀地分布在轮毂外圆上(如图1所示)，加工时单纯依靠人工编程显得十分困难。通过结合转轮的三维数字造型，运用UG软件的自动编程能力进行转轮整体数控加工编程，并生成走刀路线(又称刀具的运动轨迹)，将生成的走刀路线离散成为刀位点，经过相关后置处理即可生成用于转轮实际生产加工的数控程序。因此，设计合理的数控加工走刀路线对转轮的整体数控加工至关重要［1－7］。

1 冲击式转轮整体三维建模

以某型冲击式转轮为例，其材料为超低碳不锈钢，直径约1.2 m，共19个水斗，单个水斗高度约为20 cm，水斗根部之间的最小距离为25 mm。应用UG软件对转轮进行整体三维造型，如图1所示。

图1 基于UG环境的冲击式水轮机转轮三维造型

2 冲击式转轮结构特点及加工难点

由转轮的三维造型可以看出，转轮水斗具有结构紧凑，开放性差，单个水斗狭长，正背面形状变化比较复杂，水斗背面凸起和凹陷部分变化很大，局部出现凸棱和凹棱，曲面数量繁多而且复杂，曲面之间过渡方式多样等特点［8］。因此，在数控加工过程中易发生干涉、颤振等现象，再加上坯料为难切削的不锈钢材质的整体毛坯，切削余量大，故对刀路的要求很高。为了保证样件的加工精度和表面质量，提高加工效率，尽量减少走刀路线、刀具空行程和编程工作量，需要根据水斗的曲面特征、加工情况和刀具特点，以加工路径最短、切削平稳、加工精度与效率高等为原则，选择合理的走刀方式或走刀路线的组合，使被加工曲面在理论上和实际切削中均可得到良好的精度［9］。

3 冲击式转轮整体数控加工走刀路线

由于转轮结构复杂，在确定数控加工走刀路线的过程中，会出现许多加工和数控编程难点，因此需要对传统的数控加工方式进行改进和优化。结合转轮结构特点及生产实际，经过工艺技术分析，可以采用三轴数控机床结合数控转台的方式来加工转轮水斗内外表面，最后通过光整成型。

在编制零件轮廓粗加工程序时，考虑零件表面余量大，应采用逆铣加工方式，以便减少机床的振动。在编制零件轮廓精加工程序时，由于精加工要求保证零件的加工精度和表面粗糙度，应采用顺铣加工方式［10］。另外，在确定走刀路线时需要注意:刀具在进刀和退刀时应沿着转轮轮廓曲线的延长线切向切入和切出转轮表面，以避免加工表面产生驻刀痕迹，影响被加工表面的粗糙度。同时，可以采取数控编程过程中的毛坯多层次的顺序继承调用方法，即每一次完成三维模拟加工后形成的过程工件都可以作为下一序列加工的理论毛坯，以减少数控过程的走空刀现象，提高加工效率［11］。

3.1 转轮加工部位的选择

转轮毛坯采用的是整体超低碳不锈钢锻件。以转轮的一部分数控加工为例，包括一个水斗的正面及相邻一个水斗的背面，如图2所示。转轮在开槽加工前应首先完成轮毂上的孔、槽、凸台、端面等部位的加工，以作为后续加工工序的基准面和定位面，同时也可以减少切削量，简化走刀路线，提高加工效率。转轮开槽加工前的坯料上部和底部如图3所示。

3.2 转轮的开槽及成型加工

转轮开槽及成型加工的目的是去除水斗的大面积余量以及加工出水斗的外表面轮廓。由于开槽过程中的切削量较大，刀具会受到较大的振动和切削力，加上转轮曲面复杂、结构紧凑，使得刀具的走刀空间受限，同时也极易与工件发生干涉，因此采用三轴铣削很难一次性完成开槽加工。针对这种情况，可以采取分层、分区的方法，将水斗的开槽部位分为对称的上下2部分，每一部分单独进行数控加工。

对水斗的上部分进行开槽粗加工，可以加工出水斗的正面部分和相邻水斗的背面凸起部分。采用+ZM轴方向的立式三轴型腔铣，刀具为φ50mm的立铣刀，逆铣切削，采用层优先的切削顺序，切削方式为跟随周边，保留6 mm的加工余量，同时每一刀的全局深度控制在1.5 mm。为了避免加工过程中刀具、刀柄与转轮发生干涉，将最小安全距离设置为5 mm。生成的走刀路线如图4所示。水斗下部的加工方式及走刀路线与上部类似。开槽粗加工后的过程工件如图5所示。

接下来需要对水斗正面其余部分、相邻水斗的背面凹陷部分和水斗根部进行成型粗加工，使水斗的轮廓初步显现出来。由于水斗背部曲面曲率变化大，曲面连接复杂，若采用+Z轴方向的立式加工，一方面水斗背部的凹陷部位难以加工到，另一方面也容易产生加工干涉和过切。因此采用卧式三轴型腔铣，刀轴与水斗正面平行的加工方式，既可以加工到水斗背面难加工部位，有效避免产生加工干涉和过切，又可以保证水斗表面加工质量和加工效率。采用φ50mm的立铣刀，UG加工参数的设置与转轮上半部单个水斗开槽粗加工时的参数类似，生成的走刀路线如图6所示。

粗加工出水斗轮廓后紧接着需要进行水斗轮廓的半精加工和精加工。由于粗加工后的水斗表面类似于山坡上的梯田，半精加工就是铣掉“梯田”的台阶，从而使加工余量进一步减少，更加接近实际形状［12］。在半精加工的基础上再进行精加工，最终加工出水斗的理论曲面，并同时保证加工精度，包括尺寸精度、形位精度以及表面粗糙度等。由于粗加工时已经去除了坯料大部分加工余量，通过采用+ZM轴方向立式等高轮廓铣的半精加工、精加工方法，使其产生的加工路径在水斗曲面轮廓的等高线上，走刀轨迹被限制在二维平面中，方便了刀具轨迹的优化，空走刀现象大大减少，从而可以保持切削速度和进给率，提高加工效率。半精加工和精加工时生成的走刀路线如图7所示，开槽精加工完成后的转轮工件如图8所示。

图8 轮廓精加工后的转轮水斗

3.3 水斗的内表面加工

水斗内表面的加工是整个数控加工过程中极为关键的一环，其加工质量的优劣直接关系到水轮机的发电效率和使用寿命。由于水斗内表面的开放性差，水斗的间距小，走刀空间十分有限，使得在加工过程中刀具极易与被加工水斗及相邻水斗发生干涉。因此，选择合理的进退刀方式以避免发生干涉，是数控编程过程中需要首先解决的问题。针对水斗的结构特点以及表面特征，采用卧式进退刀、刀轴与水斗正面呈一定角度的加工方式，同时在编程过程中采取多区域干涉检查及刀具和刀柄防撞干涉检查，合理解决了加工过程中的干涉问题。

接下来需要选择合适的铣削方法。由于铣削时刀轴需要与水斗正面呈不同的夹角，仅仅采用三轴卧式铣削是不够的，还需要加上数控转台。这样就可以通过旋转转轮，使水斗正面与刀轴呈一定夹角，并控制刀具与水斗内表面切触点的位置，从而控制刀具在铣削过程中的受力状态，尽量减小刀具的径向受力，减轻刀具的磨损及振动，最终提高加工质量及加工效率。

在加工过程中，刀具在轴向进给的同时又要径向进给，因此，内表面的数控加工均采用带中心切削刃的球形铣刀。在粗加工内表面时采用φ50mm的球形铣刀，以刀轴方向与水斗正面分别呈60°、30°夹角的加工顺序进行卧式型腔铣，每一刀的全局深度控制在2 mm，安全距离控制在10 mm，加工余量6 mm。生成的走刀路线如图9所示，过程工件如图10所示。

半精加工时的UG参数与粗加工时类似，采用φ25mm带中心切削刃的球形铣刀，以刀轴方向与水斗正面分别呈 75°、45°、15°夹角的加工顺序进行卧式型腔铣，每一刀的全局深度控制在1 mm，安全距离控制在8 mm，加工余量2 mm。生成的走刀路线如图11所示，过程工件如图12所示。

图11 水斗内表面半精加工刀轴呈75°、45°、15°夹角时的走刀路线

图12 水斗内表面半精加工后的过程工件

同样，精加工时采用φ8mm的球形铣刀，以刀轴方向与水斗正面分别呈 85°、70°、67°、50°、25°的加工顺序进行卧式型腔铣，每一刀的全局深度控制在0.3 mm，安全距离控制在5 mm，加工余量为0.2 mm。生成的走刀路线如图13所示。

图13 水斗内表面精加工刀轴呈85°、70°、67°、50°、25°夹角时的走刀路线

3.4 走刀路线的后置处理

在UG加工模块中产生的转轮数控加工走刀路线需要进行进给率平顺化、转弯减速及加速、碰撞及过切检验、材料切除率均匀化检验等一系列优化［13］。将优化后的走刀路线进行验证并确认准确无误，然后进行后置处理，最后将后置处理生成的NC文件(即自动生成数控加工程序)直接输入数控加工设备，即可用于转轮水斗的实体加工。

4 结束语

以转轮水斗的UG软件三维数字模型为基础，通过对转轮加工工艺路线、加工尺寸、刀具尺寸、切削方式等进行综合分析和设定，能够直观、准确、快速地进行数控编程，并生成合理的数控加工走刀路线。通过对整个切削过程进行加工仿真，可以很方便地判断在曲面加工过程中是否发生过切、欠切或碰撞等干涉现象，以及所选择的刀具、进退刀方式、走刀路线是否合理，从而对其进行必要的编辑修改［14］，最终可以得到科学、合理、高效的走刀路线及数控加工程序，从而弥补了人工编程的诸多不足，避免了对工件的试切加工，降低加工成本，大大缩短转轮的整个生产加工周期，对提高转轮的加工质量、生产效率和企业的经济效益具有重要意义。

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