基于VERICUT汽輪機葉片多軸加工優化技術研究

摘要：葉片是汽輪機的關鍵部件，在利用UG和VERICUT軟件對葉片進行虛擬加工的基礎上，應用VERICUT軟件的優化功能，完成了該零件的整個優化過程，大大地縮短了葉片制造周期，降低了制造成本，提高了加工質量。

關鍵詞：葉片；虛擬加工；仿真；優化；VERICUT軟件

中圖分類號：G718.5 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）26-0199-02

隨著我國大型水電站的不斷開發，大型水輪機組的研制進入快速發展階段。汽輪機轉子是水電機組的心臟，轉子葉片是其關鍵部件，是較復雜的曲面體零件，葉片的制造技術和制造質量直接影響機組運行性能和機組的可靠性。在葉片實際加工中，葉片的加工參數一般依靠技術人員的經驗或參考切削用量手冊來選擇，但并非完全合理。目前國內的汽輪機行業，普遍面臨著訂單大量增加、產能嚴重不足的現象，生產加工效率需要不斷提高，如何降低汽輪機葉片生產成本，提高效率，快速提供市場或客戶可以接受的產品，是企業考慮的關鍵技術問題。利用VERICUT仿真軟件對葉片的加工參數進行優化，使數控機床運行在最佳工作區間，可以提高材料去除率，提高主軸功率利用率，并避免切削顫振引起的加工表面質量問題，從而實現增效和降耗。

一、優化前期準備工作

1.加工產品簡介。以汽輪機低壓缸第2級動鎖葉片零件為例，該葉片在普通機床完成了粗加工，然后需要在4軸加工中心完成汽道型線的粗銑和半精銑。葉片由葉根、葉型和葉冠組成，葉片的葉型是變截面的。

2.優化前的虛擬加工。在葉片的實際加工中，采用了Ф33的八角刀，適用葉片型面粗加工；Ф25的牛鼻刀，適合葉片型面半精加工（本機床暫時做到半精加工）；Ф20的球頭刀，主要用于清根。在UG/CAM中，選擇Multiaxis（多軸加工）加工方式，根據給定的刀具規格創建刀具，選擇加工對象并選用曲面驅動方式，最后生成葉片加工軌跡，動態模擬刀具切除材料的加工過程，定制SINUMERIK 840D數控系統后置處理，生成4軸加工中心能夠接受的數控程序。

在VERICUT軟件環境下構建一臺四軸聯動的數控加工中心，將UG做好的夾具模型及加工程序等轉入VERICUT環境中，構建一個真實的仿真效果，檢查刀具運動軌跡、是否發生碰撞、干涉現象等，對加工中存在的問題加以修正，為后續的優化工程做準備。如圖1所示，展示了葉片的最終加工結果。

二、優化具體過程

1.優化思路。UG軟件生成的葉片程序速度是固定的，在實際的切削過程中，很多因素，都將導致實際切削工況偏離理想狀態。VERICUT軟件優化過程，就是根據切削條件與NC工具能力，自動確定葉片各加工階段進給速度，根據材料切削量決定每一段的理想進給率，新的信息會自動加入到新的刀具路徑文件之中。下面是詳細的優化過程。

2.優化實驗條件。①機床主要技術規格，機床采用BV100四軸加工中心，主軸功率15KW，快速移動速度24m/min，切削進給速度3～15000mm/min，主軸轉速60～8000r/min。②數控系統，該機床采用SINUMERIK 840D數控系統。③工件材料，毛坯材料為鋼，材料牌號為1Cr12Mo-5。④刀具。

3.刀具材料均為硬質合金。刀具軌跡優化過程：①打開前面虛擬加工保存的項目文件。②打開刀具庫，右鍵點開1號刀具，添加一個新的優化參數記錄表。③設置各項切削參數。在切削參數的設置中，首先完成加工的材料、機床、單位功率等設置。選擇恒定體積去除率切削方式優化方法，完成對軸向切深、圓弧形切寬、主軸轉速的設置。如圖2所示，展示了參數設置過程。接下來完成其余簡單參數的設置。最后，點擊“修改”菜單，然后點擊“關閉”，完成第一把刀具的各項參數設置。第二、三把刀具的優化參數可以點擊“添加”，設置相應的參數。④程序優化。

在主菜單下點擊“優化”，并選擇“控制”菜單，可以打開優化控制窗口。將優化模式設置為“開”，加工的材料和機床與前面設置相同。確認后VERICUT優化指示燈變綠，即可進行優化。

4.優化結果分析。①優化前后程序對比。以粗加工程序為例，如圖3所示左邊是優化前的程序，右邊是優化后的程序，優化前的程序進給速度是不變的，優化后的程序進給速度在不斷地變化，以前是一段程序，優化后變成了幾段程序。②優化前后時間對比，通過對加工參數多次修調，采用適合機床和刀具的最佳參數進行優化，同時進行真實的加工實驗比較，發現優化后加工效果明顯，加工時間大大縮短，大大地提高了生產效率。如表1所示，展示了3把刀具優化前后加工時間的比較情況。從表中可以看出，葉片粗加工去除量較大，使用優銑器優化效果比較好；半精加工和清根中，切削載荷變化不大，優化效果要弱一些。

采用VERICUT軟件對葉片切削參數多次優化，并進行實際加工驗證，最終得到了預期結果，這在保證加工質量，保證機床及刀具壽命的前提下，找出了提高加工效率的有效途徑，降低了企業的制造成本。

參考文獻：

[1]李云龍.數控機床加工仿真系統VERICUT[M].西安交通大學出版社，2005.

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

[3]鄭貞平.VERICUT7.0中文版數控仿真技術與應用實例詳解[M].北京：機械工業出版社，2011.

作者簡介：彭美武（1974-），男（漢），四川德陽，副教授。主要研究方向：數控加工工藝與編程。