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（1470～1960）MPa，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1/2～1/4，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1/3～1/2；（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C，VC 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X、Y、Z 三个直线轴，C、B 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。