喬虎，鄧瑞祥 ，伍婭，向穎

(1.西安工業(yè)大學機電工程學院，陜西西安 710021；2.陜西科技大學機電工程學院，陜西西安 710021)

0 前言

航空發(fā)動機經(jīng)歷了“渦槳發(fā)動機→渦輪發(fā)動機→渦扇發(fā)動機”的發(fā)展歷程。寬弦空心風扇葉片作為渦扇發(fā)動機中極為重要的零部件，其加工質(zhì)量的好壞決定了發(fā)動機的性能是否可以進一步提高。在葉片成形工藝方面，目前先進的方法是采用超塑成形/擴散連接(SPF/DB)工藝[1-5]。磨削加工處于葉片加工關鍵步驟中的最后一步，這就要求在實際磨削加工前進行虛擬仿真磨削。提高葉片質(zhì)量除了優(yōu)化工藝以外，最重要的則是磨削加工的機床。這類用于磨削葉片的機床通常結構復雜，不存在現(xiàn)有的虛擬仿真環(huán)境，無法驗證數(shù)控程序的正確性和磨削過程的安全性。

為了滿足工件加工質(zhì)量不斷提高的要求，一批高?？蒲性核捅姸嗥髽I(yè)廠家基于VERICUT對復雜型面加工展開研究，但主要研究對象是車削、銑削，只有極少學者對磨削仿真加工進行了研究。本文作者基于UG和VERICUT軟件，對MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床這一特種機床進行建模與仿真平臺搭建，利用虛擬仿真加工環(huán)境驗證數(shù)控程序，并根據(jù)動態(tài)仿真過程，模擬數(shù)控砂帶磨床的實際動作，避免干涉與碰撞。本文作者主要解決的問題有：(1)為該特種機床數(shù)字化、智能化制造提供了虛擬仿真環(huán)境；(2)為后續(xù)該磨床加裝在機測量模塊提供了技術支持。

1 六軸數(shù)控砂帶磨床建模與裝配

1.1 建模前數(shù)控砂帶磨床結構分析

文中采用的磨床是由德國IMM公司生產(chǎn)的MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床，如圖1所示。該磨床能夠?qū)崿F(xiàn)仿形磨削、恒壓力磨削和NC磨削等磨削方式。該磨床具有高精度、高速度、高剛性的特點，能夠滿足寬弦空心葉片外型的精修及拋光要求。

圖1 MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床

該磨床結構復雜，但都是由結構和功能相對獨立、數(shù)量較為固定的模塊(或稱為部件)組成。通過對磨床的分析，為簡化建模過程，幾何模型只要能表達出數(shù)控砂帶磨床的形狀和功能特征即可，一些與仿真過程無關的部件可以不予考慮，如液壓系統(tǒng)、內(nèi)部電路等[6-8]。通過對現(xiàn)場數(shù)控砂帶磨床的觀察，可按圖2所示將磨床裝配模型分解，并按照該磨床裝配模型的子部件進行建模。

圖2 磨床模型結構分解圖

1.2 六軸數(shù)控砂帶磨床幾何建模

為了簡化建模過程，一些與仿真過程無關的部件可以不予考慮。構建MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床幾何模型的具體步驟如下：

(1)測繪MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床各個主要部件的實際尺寸和部件在初始位置時各部件之間的相對位置數(shù)據(jù)。為簡化整體造型，這里忽略磨床的內(nèi)部傳動結構和電器等部分。

(2)運用UG的建模模塊完成該磨床各部件的三維造型。圖3所示為部分磨床部件的三維造型結果。

圖3 部分磨床部件的三維造型結果

1.3 六軸數(shù)控砂帶磨床整體裝配

磨床的整體裝配反映了各部件之間的運動副關系、組合關系和相對位置關系。在整體裝配之前需確定關鍵軸的位置尺寸。

根據(jù)現(xiàn)場對磨床的手動操作，經(jīng)確認，MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床的機床加工零點位于法蘭盤左端面的圓心位置。當機床運動至X0Y0Z0A0B0C0位置時，機床上位于法蘭盤左端面中心的點設置為參考點，這個參考點在實際中為刀柄左端面上定位孔的中心，如圖4所示。

圖4 確定機床加工零點坐標系

根據(jù)磨床附帶文件“13_CAD_Mechanik”中的“80-010010100.TIF”(如圖5所示)，設定刀柄左端面上定位孔中心為坐標系{S}原點，砂帶輪下接觸面中心點為坐標系{T}原點，并建立坐標系{S}與{T}位置關系，如圖6所示。可得：dST,i=43 mm；dST,j=79.2 mm；dST,k=350 mm。

圖5 砂帶輪-刀柄裝配尺寸

圖6 坐標系{S}與{T}位置關系

根據(jù)Pivot Point(來源于該磨床正在使用的后置處理.par文件，如圖7所示)給出的數(shù)值，建立坐標系{B}與{S}位置關系和坐標系{C}與{S}位置關系，如圖8所示。

圖7 部分后置處理文件

圖8 坐標系{B}、{C}與{S}位置關系

機床參考點位置相對于B軸在XOZ平面上的坐標為X=-42.672 mm，Z=270.649 mm；機床參考點相對于C軸在XOY平面上的坐標為X=-43.054 mm，Y=-78.051 mm。即dBS,i=-42.672 mm；dBS,k=270.649 mm；dCS,i=-43.054 mm；dCS,j=-78.051 mm,由此可知B軸與C軸并不相交，并可得出B軸與C軸之間的距離為：dCB,i=|dBS,i-dCS,i|=0.382 mm。

選擇刀柄左端面上定位孔中心為裝配坐標系原點，依據(jù)上述推導得到的位置尺寸數(shù)據(jù)進行裝配，完成裝配的數(shù)控砂帶磨床如圖9所示。

2 六軸數(shù)控砂帶磨床仿真環(huán)境搭建

新建VERICUT仿真流程如圖10所示。

圖10 搭建VERICUT仿真流程

2.1 建立磨床組件模型

在VERICUT中建立MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床的組件模型，就需要對該磨床的傳動鏈進行分析。圖2中已對該磨床結構做初步分解，在此基礎上可分析得出兩條傳動鏈。如圖11所示：第一條是磨床工作臺群組，由磨床基座出發(fā)經(jīng)X軸、A軸到夾具和毛坯；第二條是刀具群組，由磨床基座出發(fā)經(jīng)Y軸、Z軸、B軸、C軸最后到刀具端(砂帶輪)。

圖11 磨床傳動鏈

在UG NX中將WCS坐標原點設置在刀柄左端面上定位孔中心，這樣在導出.stl格式時所有部件都將以該點為基準坐標系，方便在VERICUT進行設置和調(diào)整。由磨床傳動鏈分析得出該磨床六軸之間的依附關系，據(jù)此在虛擬仿真平臺中創(chuàng)建該磨床的組件樹，并將上述.stl格式的文件添加到相應的組件樹下，完成虛擬磨床的搭建。組件樹以及虛擬磨床的結構如圖12所示。

圖12 虛擬MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床

2.2 控制系統(tǒng)文件添加

虛擬MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床組件樹搭建完成后需要進一步添加數(shù)控系統(tǒng)。實際中該磨床所使用SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)，直接調(diào)用庫中“sin840d.ctl”文件即可[9]。

2.3 設定磨床相關參數(shù)

為了使該六軸數(shù)控砂帶磨床的仿真結果更接近實際情況，還需要對磨床行程以及干涉檢查進行設置。

(1)磨床行程極限設置

由于磨床附帶手冊中沒有磨床各軸行程的數(shù)據(jù)，于是通過對磨床現(xiàn)場手動操作，獲得以下數(shù)據(jù)，如表1所示。將該磨床各軸行程參數(shù)輸入“檢查行程”中，如圖13所示。

圖13 磨床行程極限設定

表1 各軸行程表

(2)磨床干涉檢查設置

通過“機床/控制系統(tǒng)”菜單欄中“機床設定”對話框，對碰撞檢測進行設定，C軸與X軸，C軸與毛坯，刀具與X軸，刀具與夾具，C軸與夾具，這里選擇“忽略切刀和毛坯的碰撞”，因為刀具與毛坯必然會發(fā)生接觸。檢查碰撞的設置如圖14所示，其中的“次組件”是指該組件下子組件，可根據(jù)磨床具體情況選擇。另外，需要強調(diào)的是，在此處設置“刀具與夾具”的碰撞并不會起到作用，需要在左側項目樹雙擊“檢查碰撞”后，在下方檢查碰撞配置窗口中設定，在“顯示夾具和全部刀具”設置臨界間隙為0.05 mm[10]。

圖14 磨床組件碰撞設置

到此基于VERICUT六軸數(shù)控砂帶磨床仿真環(huán)境搭建完畢。

3 寬弦空心風扇葉片磨拋仿真與實驗驗證

3.1 仿真前準備工作

(1)生成磨削加工NC代碼

根據(jù)CAM軟件選定葉片加工區(qū)域，得出磨削加工的刀位文件;將磨削加工刀位文件通過后置處理器轉(zhuǎn)化成為機床可以識別的NC代碼;生成NC代碼后通過添加程序頭和程序尾，加工NC代碼準備完成。

(2)磨床刀具創(chuàng)建

需要強調(diào)的是，該磨床的刀具為砂帶輪，刀柄已經(jīng)在磨床建模時完成，故在VERICUT中創(chuàng)建刀具時不必再創(chuàng)建刀柄。砂帶輪的安裝位置嚴格按圖5所示砂帶輪-刀柄裝配尺寸進行安裝，從而可以用來驗證在加工過程刀柄與工件或者刀柄與夾具發(fā)生干涉、碰撞問題。圖15所示建立加工時所需的刀具[11]。

圖15 磨床刀具創(chuàng)建

(3)導入葉片和夾具模型

空心葉片與夾具模型如圖16所示。

圖16 空心葉片與夾具模型

(4)配置程序零點

通過對磨床的手動操作，當磨床運動至X0Y0Z0A0B0C0位置時，刀柄左端面上定位孔的中心與法蘭盤左端面中心重合。這里將法蘭盤左端面中心設置為編程坐標系(工件坐標系)，在法蘭盤右端面中心點添加坐標系Csys1。VERICUT是通過設置項目樹中的程序零點來實現(xiàn)對刀過程[12-13]。在項目樹的程序零點中，設置從組件Spindle至Csys1坐標原點的數(shù)控對刀方式，即可實現(xiàn)虛擬對刀過程，如圖17所示。

圖17 設置對刀方式

3.2 寬弦空心風扇葉片磨拋仿真

準備工作結束后讀取生成的數(shù)控磨削加工代碼，執(zhí)行虛擬仿真加工。由圖18和圖19可以看出:在空心葉片磨削加工過程中，砂帶輪或磨床主軸等部件與葉片不產(chǎn)生干涉或過切等，加工結果符合預期要求，驗證了后置處理算法的準確性。

圖18 虛擬磨削葉背仿真

圖19 虛擬磨削葉盆仿真

綜上，通過仿真結果可以看出在寬弦空心葉片磨削加工過程中沒有產(chǎn)生干涉等問題，驗證了所搭建仿真環(huán)境的正確性。

3.3 實驗驗證

仿真驗證無誤后，需要在實際的磨床上進行實際的加工實驗，所以后續(xù)在MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床進行了空心葉片的實際加工，加工結果如圖20和圖21所示。在加工過程中沒有發(fā)生砂帶輪的干涉、碰撞以及磨床超程等現(xiàn)象，加工后葉片表面達到磨削要求,證明了該磨床的VERICUT虛擬仿真模型的正確性和有效性。

圖20 實際磨削加工葉背

圖21 實際磨削加工葉盆

4 結論

在UG中完成了MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床的建模與裝配，基于此在VERICUT軟件中構建了MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床的磨削加工仿真環(huán)境，并以寬弦空心風扇葉片為磨削對象對該仿真平臺進行了虛擬磨削加工，最后在MTS1600-500六軸數(shù)控砂帶磨床上進行了實際加工驗證。實驗結果證明：該仿真可以模擬該六軸數(shù)控磨床實際加工情況，可以檢查砂帶輪與各軸是否干涉、砂帶輪與工件是否碰撞以及超程等問題，可在實際磨削前發(fā)現(xiàn)并修正數(shù)控程序，降低了空心風扇葉片在整個加工工藝流程最后一步的報廢率，大大提高了葉片磨削的可靠性。文中的虛擬仿真為相似類型的數(shù)控磨床提供了技術支持，也為后續(xù)該磨床加裝在機測量模塊奠定基礎。