基于VERICUT汽轮机叶片多轴加工优化技术研究

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摘要：叶片是汽轮机的关键部件，在利用UG和vericut软件对叶片进行虚拟加工的基础上，应用VERICUT软件的优化功能，完成了该零件的整个优化过程，大大地缩短了叶片制造周期，降低了制造成本，提高了加工质量。

关键词：叶片；虚拟加工；仿真；优化；VERICUT软件

中图分类号：G718.5 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）26-0199-02

随着我国大型水电站的不断开发，大型水轮机组的研制进入快速发展阶段。汽轮机转子是水电机组的心脏，转子叶片是其关键部件，是较复杂的曲面体零件，叶片的制造技术和制造质量直接影响机组运行性能和机组的可靠性。在叶片实际加工中，叶片的加工参数一般依靠技术人员的经验或参考切削用量手册来选择，但并非完全合理。目前国内的汽轮机行业，普遍面临着订单大量增加、产能严重不足的现象，生产加工效率需要不断提高，如何降低汽轮机叶片生产成本，提高效率，快速提供市场或客户可以接受的产品，是企业考虑的关键技术问题。利用VERICUT仿真软件对叶片的加工参数进行优化，使数控机床运行在最佳工作区间，可以提高材料去除率，提高主轴功率利用率，并避免切削颤振引起的加工表面质量问题，从而实现增效和降耗。

一、优化前期准备工作

1.加工产品简介。以汽轮机低压缸第2级动锁叶片零件为例，该叶片在普通机床完成了粗加工，然后需要在4轴加工中心完成汽道型线的粗铣和半精铣。叶片由叶根、叶型和叶冠组成，叶片的叶型是变截面的。

2.优化前的虚拟加工。在叶片的实际加工中，采用了Ф33的八角刀，适用叶片型面粗加工；Ф25的牛鼻刀，适合叶片型面半精加工（本机床暂时做到半精加工）；Ф20的球头刀，主要用于清根。在UG/CAM中，选择Multiaxis（多轴加工）加工方式，根据给定的刀具规格创建刀具，选择加工对象并选用曲面驱动方式，最后生成叶片加工轨迹，动态模拟刀具切除材料的加工过程，定制SINUMERIK 840D数控系统后置处理，生成4轴加工中心能够接受的数控程序。

在VERICUT软件环境下构建一台四轴联动的数控加工中心，将UG做好的夹具模型及加工程序等转入VERICUT环境中，构建一个真实的仿真效果，检查刀具运动轨迹、是否发生碰撞、干涉现象等，对加工中存在的问题加以修正，为后续的优化工程做准备。如图1所示，展示了叶片的最终加工结果。

二、优化具体过程

1.优化思路。UG软件生成的叶片程序速度是固定的，在实际的切削过程中，很多因素，都将导致实际切削工况偏离理想状态。VERICUT软件优化过程，就是根据切削条件与NC工具能力，自动确定叶片各加工阶段进给速度，根据材料切削量决定每一段的理想进给率，新的信息会自动加入到新的刀具路径文件之中。下面是详细的优化过程。

2.优化实验条件。①机床主要技术规格，机床采用BV100四轴加工中心，主轴功率15KW，快速移动速度24m/min，切削进给速度3～15000mm/min，主轴转速60～8000r/min。②数控系统，该机床采用SINUMERIK 840D数控系统。③工件材料，毛坯材料为钢，材料牌号为1Cr12Mo-5。④刀具。

3.刀具材料均为硬质合金。刀具轨迹优化过程：①打开前面虚拟加工保存的项目文件。②打开刀具库，右键点开1号刀具，添加一个新的优化参数记录表。③设置各项切削参数。在切削参数的设置中，首先完成加工的材料、机床、单位功率等设置。选择恒定体积去除率切削方式优化方法，完成对轴向切深、圆弧形切宽、主轴转速的设置。如图2所示，展示了参数设置过程。接下来完成其余简单参数的设置。最后，点击“修改”菜单，然后点击“关闭”，完成第一把刀具的各项参数设置。第二、三把刀具的优化参数可以点击“添加”，设置相应的参数。④程序优化。

在主菜单下点击“优化”，并选择“控制”菜单，可以打开优化控制窗口。将优化模式设置为“开”，加工的材料和机床与前面设置相同。确认后VERICUT优化指示灯变绿，即可进行优化。

4.优化结果分析。①优化前后程序对比。以粗加工程序为例，如图3所示左边是优化前的程序，右边是优化后的程序，优化前的程序进给速度是不变的，优化后的程序进给速度在不断地变化，以前是一段程序，优化后变成了几段程序。②优化前后时间对比，通过对加工参数多次修调，采用适合机床和刀具的最佳参数进行优化，同时进行真实的加工实验比较，发现优化后加工效果明显，加工时间大大缩短，大大地提高了生产效率。如表1所示，展示了3把刀具优化前后加工时间的比较情况。从表中可以看出，叶片粗加工去除量较大，使用优铣器优化效果比较好；半精加工和清根中，切削载荷变化不大，优化效果要弱一些。

采用VERICUT软件对叶片切削参数多次优化，并进行实际加工验证，最终得到了预期结果，这在保证加工质量，保证机床及刀具寿命的前提下，找出了提高加工效率的有效途径，降低了企业的制造成本。

参考文献：

[1]李云龙.数控机床加工仿真系统VERICUT[M].西安交通大学出版社，2005.

[2]杨胜群.VERICUT数控加工仿真技术[M].北京：清华大学出版社，2010.

[3]郑贞平.VERICUT7.0中文版数控仿真技术与应用实例详解[M].北京：机械工业出版社，2011.

作者简介：彭美武（1974-），男（汉），四川德阳，副教授。主要研究方向：数控加工工艺与编程。