VERICUT 仿真軟件在五軸聯動加工中的應用研究*

唐清春，劉 謙，馬仲亮，張 健

(廣西科技大學 工程訓練中心，廣西 柳州 545006)

0 引言

隨著我國數控技術的快速發展，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用。面對復雜程度和精度要求較高的機械零部件，技術人員通常要使用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構，生成的程序不一定適合零件實際加工情況，同時國產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生過切、欠切等問題，甚至出現刀具與工件、夾具等發生碰撞的現象，這樣不僅會造成材料的浪費，還對人身財產安全構成巨大威脅，所以數控加工前對程序進行仿真驗證具有現實意義及應用價值。

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

1 Vericut 仿真環境構建

Vericut 是美國CGTech 公司開發的模擬數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、干涉等現象，并提供了干涉檢查、程序校驗、測量分析和工藝優化等功能。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，提高了生產效率。

在Vericut 中模擬仿真即通過計算機根據加工機床的特性建立虛擬的機床模型、控制系統、刀具庫、加工坐標系等模塊，通過添加毛坯，導入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雙轉臺五軸加工中心進行的，該機床采用的是SIEMENS840D 系統，具有X、Y、Z三個直線軸和A、C兩個旋轉軸，X軸、Y軸、Z軸最大行程分別為1050mm、490mm、560mm，A軸旋轉范圍為(-110°～+110°)，C軸為雙向360°旋轉，主軸最高轉速為8000r/min。針對BV100 五軸機床的結構特性，建立起Vericut 機床仿真環境，為模擬五軸機床加工做好準備。

2 分流葉輪加工工藝分析

2.1 分流葉輪結構分析

葉輪作為汽輪機等各類透平機械的核心零部件，廣泛應用于航空、航天、能源、汽車等領域。葉輪有著結構復雜、葉片扭曲大、型面精度要求高等特點，符合五軸加工的應用范圍，因此本文選取分流式葉輪作為五軸數控加工仿真優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，分流葉輪整體數控加工在普通的三軸機床上無法實現，需在五軸聯動機床上實行加工。

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構特點，結合實驗加工所用五軸聯動機床的特性，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分流葉輪的銑削成型，但是在實際加工中依然會出現過切、殘留或干涉等問題。結合對程序的Vericut 仿真可以發現以下問題(如圖4a):

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

(2)葉輪流道表面出現啃切現象，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生顫振和頓刀等現象。

圖2 優化前葉輪葉片加工圖

圖3 優化前葉輪流道加工圖

3 基于Vericut 的加工優化

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

3.1 基于Vericut 的加工軌跡優化

3.1.1 基于UG 的加工參數優化

(1)葉片在進行精加工前余量控制在0.2mm 以下，主軸轉速提高到8000r/min，以提高葉片加工質量，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量，降低魚鱗紋和過切現象，需在后置處理軟件中進行動態速度補償，即在曲面曲率變化小的內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。

重新仿真修改后的加工程序發現(如圖4b)，經過優化后的加工程序未出現過切現象，圓角處殘留明顯減小，工件誤差達到加工標準，但是加工效率較低，在實際生產加工中嚴重影響經濟效益，因此，需要對切削速度做進一步優化。

圖4 刀位軌跡優化前后仿真對比圖

3.2 基于Vericut 的切削速度優化

3.2.1 建立切削速度優化模型

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

Vericut 切削速度優化的目的是在保證工件加工質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 優化的目標函數為:

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、主軸轉速約束、進給速度約束等約束條件，來獲取目標函數T(X)的最小值。

切削深度約束:切削深度Ap應當小于工件的切削余量L，即

切削寬度約束:切削寬度Ae應當小于刀具直徑D，即

主軸轉速約束:主軸轉速Fn應當小于機床允許的最大轉速Nmax，并大于工件加工需要的最小轉速Nmin，即

進給速度約束:進給速度Fv應當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化

Vericut 切削速度優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，保證穩定的切削狀態，在Vericut 中可以采用恒定體積去除率切削的優化方式;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量和加工精度，刀具切削時所走的路徑應盡量靠近工件最終形狀，此時應采用恒定厚度切削方式進行優化，即通過分析計算切削模型和切削厚度，動態地保持切削厚度恒定。

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

圖5 優化前后程序對比

表1 優化前后工時對比

通過仿真及優化后，在BV100 雙轉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 優化后的NC 代碼在機床加工過程中無過切、干涉現象，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計要求，說明了五軸數控加工前對NC 程序進行Vericut 仿真驗證的現實意義。

圖6 優化后分流葉輪實物圖

4 結束語

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

［1］梁蔓安，唐清春，黎家宏.基于UG 的五軸聯動機床后置處理器研究與實現［J］. 組合機床與自動化加工技術，2011(6):17 -22.

［2］張健，唐清春，馬仲亮，等.某離心式壓氣機葉輪的加工工藝分析［J］.汽輪機技術，2013(6):238 -240.

［3］吳漢夫，唐清春.五軸聯動后處理中非線性誤差控制的研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2011(8):5 -8.

［4］陳文濤，夏芳臣，涂海寧.基于UG＆VERICUT 整體式葉輪五軸數控加工與仿真［J］.組合機床與自動化加工技術，2012(2):102 -104.

［5］于斐，蔣玲玲.基于VERICUT 的整體葉輪五軸聯動數控加工仿真［J］.機械設計與制造，2010(7):159 -160.

［6］徐剛.基于Vericut 的多軸機床加工仿真研究［J］.制造技術與機床，2011(2):33 -36.

［7］楊勝群.Vericut 數控加工仿真技術［M］.北京:清華大學出版社，2010.