0前言
加工仿真是利用計算機仿真技術對機械加工的加工環境和加工過程進行3D模擬。通過加工仿真,可在計算機內形象、直觀地模擬機械加工的全過程,在不消耗實際材料、不使用真實機床設備的情況下,有效地檢驗和分析零件的可加工性及加工工藝的合理性。
在汽輪機大葉片生產加工前,通過對汽輪機大葉片數控加工程序進行加工仿真,可以減少材料浪費、延長機床和刀具壽命、提高數控加工程序的可靠性和檢驗過程的安全性,有效防止過切、干涉現象的發生,提高企業的信息化水平,縮短產品設計、制造周期,降低生產成本,提高產品質量,提高企業的市場競爭力。
VERICUT軟件是美國CGTech公司開發的基于Windows及UNIX系統,集數控加工仿真、干涉校驗、工時工況分析、代碼優化等多種功能于一體的軟件。該系統可以以虛擬現實的方式建立數控機床、刀具、夾具和毛坯模型,在刀位數據或NC代碼的驅動下模仿金屬切削加工中走刀軌跡和材料被切除的過程,使用戶以直觀的方式對工藝規劃的合理性進行評估,對是否存在干涉進行校驗,并優化走刀軌跡和NC代碼。本文研究并應用VERICUT仿真軟件實現汽輪機大葉片四坐標數控加工仿真。
1汽輪機大葉片的結構特點
葉片是汽輪機的心臟,它在高溫、高壓、高速等復雜條件下工作,其空氣動力性能、加工幾何性能、表面粗糙度、安裝間隙及運行工況等因素影響汽輪機的效率、出力;其結構設計、振動強度及運行方式則對機組的安全可靠性起決定性的影響。為了保證汽輪機的效率和葉片在使用中的安全性,葉片的材料都較為特殊,如材料中含N、iV、N等成分,硬度在360HB以上,加工性較差,同時葉片汽道部分是一個光滑的空間曲面,精度要求高,加工難度大。特別是大型汽輪機末級葉片(如1000mm以上動葉片),其結構更為復雜,葉身長、型面薄而扭曲,葉型扭轉接近90角,葉身中部有空間凸臺。汽輪機大葉片結構示意圖如圖1所示。
2仿真模型的建立
2.1汽輪機大葉片三維模型的建立
基于汽輪機大葉片的二維圖紙,在三維繪圖軟件UG中建立大葉片的三維實體模型。在模擬數控加工仿真過程中,通過UG與VERICUT的接口NXV,實現汽輪機大葉片三維模型從UG到VERICUT的導入。汽輪機大葉片的二維視圖如圖2所示。
2.2刀具模型的建立
VERICUT仿真為實體刀具仿真,銑削類刀具一般都是由旋轉形切刀和刀柄兩部分組成,在VERICUT系統中用Cutter和Holder來表示。刀具庫建立時需要對刀具進行分析,選擇適合的方法。由于三維葉片加工的特殊性和復雜性,加工中多采用球形銑刀和圓柱形銑刀,在不同的數控機床上使用不同的刀具加工不同種類的三維葉片。
(1)對于非標刀具,需利用CAD才能完成刀具庫的建立。對刀柄及一些形狀特殊的刀片需要利用AutoCAD繪制DWG文件,然后另存為DXF文件,以備創建刀具旋轉圖形時使用,建立刀具時再導入到VERICUT軟件中。
(2)對于標準刀具,利用VERICUT軟件的刀具建立功能 ,在刀具模板庫中,按類別進行選擇,根據刀具的尺寸填寫相應的參數,從而建立刀具。這種方法方便快捷,但有局限性,僅適用于標準刀具。
另外,還可以利用UG中已繪制的刀具,通過接口程序導入到VERICUT軟件中。這樣可以把大量的歷史刀具應用到VERICUT軟件的刀具庫中,以備仿真時使用。
2.3機床模型的建立
2.3.1分析機床結構
在建立機床文件之前,首先對機床構造進行分析,分析機床主軸、進給、頂尖、托架等部件的運動關系。在VERICUT軟件中,對每一個相對于機床底座運動的部件都要當作一個軸來處理。但是這些軸并非全部是并列關系的,許多軸存在嵌套從屬關系?，F以四坐標立式加工中心MXR-560V機床為例,分析機床結構。
四坐標立式加工中心MXR-560V機床刀具主軸既沿Z軸進行移動又沿Y軸進行移動,支撐其在Y軸方向移動的導軌直接接觸機床底座,故該部分的部件結構樹的從屬關系為:機床底座(Base)>Y軸>Z軸>主軸(Spindle)>刀具(Tool)。對于MXR-560V機床來說,工件由夾具固定在轉臺上,轉臺則固定在工作臺上,而工作臺沿X軸方向運動,支撐其在X軸方向移動的導軌直接接觸機床底座,故該部分的部件結構樹的從屬關系為:機床底座(Base)>X軸>A軸>附屬部件(Attach)>夾具(Fixture)>工件(Stock)。
另外,MXR-560V機床還包括控制臺、刀具庫等機床附件,作為其它部件(Other)處理,該部分的部件結構樹的從屬關系為:機床底座(Base)>Other。
通過以上分析得到MXR-560V機床部件結構樹如圖3所示。
2.3.2建立機床部件結構樹
根據分析后得到的機床部件結構,在仿真工具中建立該機床的結構樹。運行VERICUT應用程序,創建一個新的項目文件,顯示部件坐標系,顯示部件樹。按照如圖所示的機床部件結構,在部件樹中按級建立,得到如圖4所示的機床部件結構樹。
2.3.3添加機床模型
在建立如圖3所示的機床部件結構樹后,在VERICUT軟件中可加載該機床,即可調用該機床進行仿真。但是,只有部件結構樹的機床在仿真視圖中無法顯示,不過這并不妨礙加工仿真的進行。在加工仿真過程中,如顯示機床,則需要為機床添加模型。VERICUT軟件支持在Componenttree(部件樹)中直接構建圓柱體、圓臺和立方體3種模型;其它形狀的模型可以應用AutoCAD軟件進行三維造型,然后導出為 stl后綴的文件,再由VERICUT軟件讀取建模。新添加的模型默認出現在該部件坐標系原點處,通過旋轉、移動、裝配等方式將其布置在適當的位置上。添加模型后的機床部件結構樹如圖5所示。
2.3.4機床初始位置的設置
由于主軸(Spindle)和刀具(Tool)的部件坐標系原點都在(0,0,0)處,工作臺X軸的模型原點也設置在(0,0,0)處。這樣處理之后,添加模型后的機床主軸與工作臺是接觸的,需要通過設置機床初始位置的方式將機床調整到正確的初始位置。設置機床初始位置后,機床不會立刻回到初始位置。載入控制系統文件后,復位機床,機床回到初始位置(Z軸在最大行程處),如圖6所示。
2.4回轉工作臺和夾具體模型的建立
在VERICUT中建立實體模型有兩種方式,一是利用VERICUT本身的實體建模工具,做出圓柱、圓錐、長方體等,然后進行組合裝配,做出所需的三維實體;另一種是在AutoCAD或UG、Pro/E等三維實體造型軟件中做出實體模型,然后生成stl文件,導入VERICUT中。一般說來,夾具體、轉臺、毛坯模型的結構比較復雜,各部件較多,利用第一種方法比較復雜,較浪費時間,一般都是利用第二種方法,首先分析零件裝配圖,做出三維實體圖,生成VERICUT可以讀取的stl文件,然后讀入到VERICUT中,再分別由Translat,Rotate,Assemle等幾個模塊,裝置好三維實體的位置。三維實體調整如圖7所示。
2.5配置機床控制系統
數控文件包含許多條件,通常通過用戶化定制來滿足不同控制系統需要,例如:不同的數據格式,未加解釋的執行數控功能的特殊字符,通過特殊G代碼和值來執行不同的運動,設置不支持的G代碼等。為更加方便快捷地配置數控系統,一般從一個熟悉的數控系統開始配置,推薦加載一個通用的盡可能接近要配置的數控系統的控制系統文件,并且沒有不相關的工作數據。
創建一個新的項目文件,加載數控加工程序,加載通用機床控制文件,瀏覽數控程序內容。瀏覽程序中解釋語句描述就是要調整控制系統配置的內容,F、X、Y和Z值小數點后的格式要分別配置。
對于封閉作業的機床,需要對機床的開關門命令進行配置。首先聲明關閉/開啟門的命令變量,然后定義命令變量對應的動作即動作對象和動作目標,最后通過手動命令進行測試。
2.6汽輪機大葉片四坐標的加工仿真結果
將汽輪機大葉片三維實體模型導入VERICUT中,利用先前建立的刀具、機床、回轉工作臺和夾具模塊以及機床控制系統,進行汽輪機大葉片動態加工過程仿真。在加工仿真過程中,實現了汽輪機大葉片的四坐標虛擬加工中的干涉、過切及碰撞檢查。汽輪機大葉片四坐標加工仿真結果如圖8所示。
3結束語
本文利用數控加工仿真軟件VERICUT建立了汽輪機大葉片四坐標數控加工仿真系統。通過建立刀具庫、機床、回轉工作臺和夾具體以及配置機床控制系統,詳細介紹各子系統的體系結構、功能、特點以及子系統實現的關鍵技術,建立了仿真系統各模塊的模型。利用數控加工仿真軟件VERICUT在三維大葉片數控加工前進行模擬仿真,實現了完整的虛擬加工過程,防止了過切、干涉現象的發生,避免了生產過程中出現廢品而造成的損失。
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