基于Power mill与vericut的多轴仿真技术研究

董庆运　霍文国　张翔宇

摘要：由于多轴加工中参与运动的轴数较多，故干涉和碰撞检测成为了多轴加工的重要内容，文章通过对比一般CAD/cAM软件和vericut软件在切削仿真方面的区别，介绍了在五轴加工中使用vericut进行仿真切削的一般过程，并重点强调了vericut AUTO—DIFF功能在分析过切及欠切等情况中的重要性，为多轴加工的质量保证提供参考。

引言

多轴加工中的零部件很多都较复杂，除常见的3+2、4+1、五轴联动加工方式外，还需要采用短刀加工深型腔或高轮廓加工，国内外很多学者对此进行了研究[1，2]。目前采用通用的CAD/CAM软件来编制多轴加工程序，应用较多的有power mill、IJG、CIMATRON等。由于零件形状复杂，在程序设计和加工中需要考虑加工质量、碰撞、干涉、过切、欠切等问题。大部分CAD/CAM软件生成的刀具轨迹仅考虑了刀柄、刀具与工件的干涉，但没有考虑到机床的具体结构，不能确保数控程序在加工过程中的安全性。

VERICUT是专为CNC数控机床加工仿真和优化软件，利用仿真加工，可以验证数控程序的正确性，增加程序的可靠性；基于实际机床的结构和工艺系统模型，模拟数控机床的实际运动，检测潜在的干涉碰撞危险，降低机床干涉碰撞的风险，对比设计模型与切削模型检验加工中存在的过切、欠切情况。根据切削仿真优化加工程序，提高加工效率。本文采用VERICUT软件主要解决的问题有：①通过模拟加工过程，进行碰撞干涉检查，对加工安全性进行优化；②采用AUTO-DIFF功能检测加工后的零件是否出现过切或欠切，对加工程序的正确性进行优化。

1.加工工艺规划

叶片的种类较多，单个叶片加工一般是在整体叶轮过大，实际加工条件不允许，或者以整体叶轮的形式设计制造不易实现时，设计者往往将叶轮的叶片从轮毂上分离，设计成单个叶片，最后进行装配。这种做法降低了加工难度，但对于具有负角度的叶片，加工中刀具的长度会受到限制。

1.1.加工阶段划分

单叶片一般包括叶片，叶根圆角，流道面三部分，在加工中根据叶片的复杂程度可以将加工划分为粗加工和精加工两个阶段，粗加工选择大直径刀具高速高效地去除多余的材料，加工出叶片的基本形状，为叶片精加工做准备。精加工对叶片的质量及工作性能有很大影响，精加工直接影响叶片的曲面形状，表面粗糙度。最后对叶根圆角进行精加工，叶根圆角的表面质量影响叶片的强度。

叶片的具体加工流程如下：加工叶片基体毛坯——粗加工叶片、叶根、流道——精加工叶片——精加工叶根角——精加工流道面；

1.2.刀具轨迹生成

根据加工阶段划分选择相应的切削刀具，粗加工选择16rl圆鼻铣刀，圆鼻铣刀可以更快地去除多余的材料，且分层接刀位置有圆弧过渡，加工后的表面不会过度影响精加工效果。叶片、流道曲面的精加工选择8 R4球头铣刀，精加工叶根圆角选择04-R2球头铣刀。文章采用power mill 2012生成负角度叶片的加工程序，粗加工选择三维模型粗加工高速去除余量。根据叶片的外形，理想的叶片精加工刀具路径是一条围绕叶片运动的螺旋线，因此选择曲面投影精加工策略。另外叶根圆角曲面比较规整，拟选择曲面精加工策略。经过设置得到图2所示精加工刀具轨迹。

1.3.干涉验证与仿真切削

在power mill内具有干涉验证与仿真切削功能，通过干涉验证可以得到轨迹策略是否存在过切及碰撞干涉问题，在干涉验证后需要通过仿真切削确定干涉的情况。如下图所示由于叶片整体高度大于刀具外伸长度，造成图3a仿真切削所示的刀柄与工件发生碰撞的问题，图中红色圈注部分为刀柄与叶片发生碰撞的部分。因次需要重新设置轨迹参数，调整刀具切削过程中的刀轴状态，消除切削过程中的碰撞干涉。通过修改刀轴侧倾角，生成如图3b所示无干涉轨迹，可以看出刀轴在切削过程中始终与被加工曲面法线方向保持一个设定角度，从而避免刀柄与叶片发生碰撞。