轉(zhuǎn)輪數(shù)控計(jì)算機(jī)仿真思考

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1沖擊式轉(zhuǎn)輪整體三維建模

以某型沖擊式轉(zhuǎn)輪為例，其材料為超低碳不銹鋼，直徑約1.2m，共19個(gè)水斗，單個(gè)水斗高度約為20cm，水斗根部之間的最小距離為25mm。應(yīng)用UG軟件對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行整體三維造型。

2沖擊式轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工難點(diǎn)

由轉(zhuǎn)輪的三維造型可以看出，轉(zhuǎn)輪水斗具有結(jié)構(gòu)緊湊，開(kāi)放性差，單個(gè)水斗狹長(zhǎng)，正背面形狀變化比較復(fù)雜，水斗背面凸起和凹陷部分變化很大，局部出現(xiàn)凸棱和凹棱，曲面數(shù)量繁多而且復(fù)雜，曲面之間過(guò)渡方式多樣等特點(diǎn)［8］。因此，在數(shù)控加工過(guò)程中易發(fā)生干涉、顫振等現(xiàn)象，再加上坯料為難切削的不銹鋼材質(zhì)的整體毛坯，切削余量大，故對(duì)刀路的要求很高。為了保證樣件的加工精度和表面質(zhì)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(jù)水斗的曲面特征、加工情況和刀具特點(diǎn)，以加工路徑最短、切削平穩(wěn)、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(shí)際切削中均可得到良好的精度［9］。

3沖擊式轉(zhuǎn)輪整體數(shù)控加工走刀路線

由于轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在確定數(shù)控加工走刀路線的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)許多加工和數(shù)控編程難點(diǎn)，因此需要對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)控加工方式進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。結(jié)合轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及生產(chǎn)實(shí)際，經(jīng)過(guò)工藝技術(shù)分析，可以采用三軸數(shù)控機(jī)床結(jié)合數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的方式來(lái)加工轉(zhuǎn)輪水斗內(nèi)外表面，最后通過(guò)光整成型。在編制零件輪廓粗加工程序時(shí)，考慮零件表面余量大，應(yīng)采用逆銑加工方式，以便減少機(jī)床的振動(dòng)。在編制零件輪廓精加工程序時(shí)，由于精加工要求保證零件的加工精度和表面粗糙度，應(yīng)采用順銑加工方式［10］。另外，在確定走刀路線時(shí)需要注意:刀具在進(jìn)刀和退刀時(shí)應(yīng)沿著轉(zhuǎn)輪輪廓曲線的延長(zhǎng)線切向切入和切出轉(zhuǎn)輪表面，以避免加工表面產(chǎn)生駐刀痕跡，影響被加工表面的粗糙度。同時(shí)，可以采取數(shù)控編程過(guò)程中的毛坯多層次的順序繼承調(diào)用方法，即每一次完成三維模擬加工后形成的過(guò)程工件都可以作為下一序列加工的理論毛坯，以減少數(shù)控過(guò)程的走空刀現(xiàn)象，提高加工效率［11］。

3．1轉(zhuǎn)輪加工部位的選擇

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

3．2轉(zhuǎn)輪的開(kāi)槽及成型加工

轉(zhuǎn)輪開(kāi)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(kāi)槽過(guò)程中的切削量較大，刀具會(huì)受到較大的振動(dòng)和切削力，加上轉(zhuǎn)輪曲面復(fù)雜、結(jié)構(gòu)緊湊，使得刀具的走刀空間受限，同時(shí)也極易與工件發(fā)生干涉，因此采用三軸銑削很難一次性完成開(kāi)槽加工。針對(duì)這種情況，可以采取分層、分區(qū)的方法，將水斗的開(kāi)槽部位分為對(duì)稱(chēng)的上下2部分，每一部分單獨(dú)進(jìn)行數(shù)控加工。對(duì)水斗的上部分進(jìn)行開(kāi)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(yōu)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(shí)每一刀的全局深度控制在1.5mm。為了避免加工過(guò)程中刀具、刀柄與轉(zhuǎn)輪發(fā)生干涉，將最小安全距離設(shè)置為5mm。水斗下部的加工方式及走刀路線與上部類(lèi)似。開(kāi)槽粗加工后的過(guò)程工件如圖5所示。接下來(lái)需要對(duì)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(jìn)行成型粗加工，使水斗的輪廓初步顯現(xiàn)出來(lái)。由于水斗背部曲面曲率變化大，曲面連接復(fù)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(chǎn)生加工干涉和過(guò)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(chǎn)生加工干涉和過(guò)切，又可以保證水斗表面加工質(zhì)量和加工效率。采用50mm的立銑刀，UG加工參數(shù)的設(shè)置與轉(zhuǎn)輪上半部單個(gè)水斗開(kāi)槽粗加工時(shí)的參數(shù)類(lèi)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(jìn)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(lèi)似于山坡上的梯田，半精加工就是銑掉“梯田”的臺(tái)階，從而使加工余量進(jìn)一步減少，更加接近實(shí)際形狀［12］。在半精加工的基礎(chǔ)上再進(jìn)行精加工，最終加工出水斗的理論曲面，并同時(shí)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(shí)已經(jīng)去除了坯料大部分加工余量，通過(guò)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(chǎn)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(yōu)化，空走刀現(xiàn)象大大減少，從而可以保持切削速度和進(jìn)給率，提高加工效率。半精加工和精加工時(shí)生成的走刀路線如圖7所示，開(kāi)槽精加工完成后的轉(zhuǎn)輪工件。

3．3水斗的內(nèi)表面加工

水斗內(nèi)表面的加工是整個(gè)數(shù)控加工過(guò)程中極為關(guān)鍵的一環(huán)，其加工質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到水輪機(jī)的發(fā)電效率和使用壽命。由于水斗內(nèi)表面的開(kāi)放性差，水斗的間距小，走刀空間十分有限，使得在加工過(guò)程中刀具極易與被加工水斗及相鄰水斗發(fā)生干涉。因此，選擇合理的進(jìn)退刀方式以避免發(fā)生干涉，是數(shù)控編程過(guò)程中需要首先解決的問(wèn)題。針對(duì)水斗的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及表面特征，采用臥式進(jìn)退刀、刀軸與水斗正面呈一定角度的加工方式，同時(shí)在編程過(guò)程中采取多區(qū)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(guò)程中的干涉問(wèn)題。接下來(lái)需要選擇合適的銑削方法。由于銑削時(shí)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(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)。這樣就可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪，使水斗正面與刀軸呈一定夾角，并控制刀具與水斗內(nèi)表面切觸點(diǎn)的位置，從而控制刀具在銑削過(guò)程中的受力狀態(tài)，盡量減小刀具的徑向受力，減輕刀具的磨損及振動(dòng)，最終提高加工質(zhì)量及加工效率。在加工過(guò)程中，刀具在軸向進(jìn)給的同時(shí)又要徑向進(jìn)給，因此，內(nèi)表面的數(shù)控加工均采用帶中心切削刃的球形銑刀。在粗加工內(nèi)表面時(shí)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(jìn)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(shí)的UG參數(shù)與粗加工時(shí)類(lèi)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(chǎn)生的轉(zhuǎn)輪數(shù)控加工走刀路線需要進(jìn)行進(jìn)給率平順化、轉(zhuǎn)彎減速及加速、碰撞及過(guò)切檢驗(yàn)、材料切除率均勻化檢驗(yàn)等一系列優(yōu)化［13］。將優(yōu)化后的走刀路線進(jìn)行驗(yàn)證并確認(rèn)準(zhǔn)確無(wú)誤，然后進(jìn)行后置處理，最后將后置處理生成的NC文件(即自動(dòng)生成數(shù)控加工程序)直接輸入數(shù)控加工設(shè)備，即可用于轉(zhuǎn)輪水斗的實(shí)體加工。

4結(jié)束語(yǔ)

以轉(zhuǎn)輪水斗的UG軟件三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)輪加工工藝路線、加工尺寸、刀具尺寸、切削方式等進(jìn)行綜合分析和設(shè)定，能夠直觀、準(zhǔn)確、快速地進(jìn)行數(shù)控編程，并生成合理的數(shù)控加工走刀路線。通過(guò)對(duì)整個(gè)切削過(guò)程進(jìn)行加工仿真，可以很方便地判斷在曲面加工過(guò)程中是否發(fā)生過(guò)切、欠切或碰撞等干涉現(xiàn)象，以及所選擇的刀具、進(jìn)退刀方式、走刀路線是否合理，從而對(duì)其進(jìn)行必要的編輯修改［14］，最終可以得到科學(xué)、合理、高效的走刀路線及數(shù)控加工程序，從而彌補(bǔ)了人工編程的諸多不足，避免了對(duì)工件的試切加工，降低加工成本，大大縮短轉(zhuǎn)輪的整個(gè)生產(chǎn)加工周期，對(duì)提高轉(zhuǎn)輪的加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。