水轮机叶片的加工属于大型复杂雕塑曲面的加工，其毛坯体积大，材料价格昂贵，采用虚拟制造技术对加工过程进行加工仿真，能够很好的规避各种制造中的风险，提高零件加工质量和加工效率。用虚拟制造技术对水轮机叶片进行机床仿真的流程如图1所示。

图1 水轮机叶片加工仿真流程示意图

我们应用VERICUT机床仿真软件，通过它在计算机上建立虚拟制造机床，就能够实现对水轮机叶片加工过程的机床仿真、程序校验以及程序优化。下面以某混流式水轮机叶片的机床仿真为例介绍运用VERICUT软件实现复杂曲面虚拟机床制造的方法。

1.FKSA1800机床模型系统的建立

FKSA1800是某水轮机制造厂的一台单臂五轴联动铣床，具有X、Y、Z三个直线轴和B、C两个旋转轴。Y轴依附于Z轴，旋转轴C轴依附于Z轴，旋转轴B轴依附于C轴，属于Head-Head型的五轴联动机床。工作台大小为1.6m×4m，X、Y、Z轴行程分别为3m、2m、1m，C轴行程0°～＋360°，B轴行程-105°～＋105°。

通过VERICUT软件首先建立机床的拓扑结构，然后添加机床以及各运动轴的三维几何实体。对于形状复杂的几何实体，如两轴N C铣头等，可通过C A D软件造出实体模型，再通过数据接口读入到VERICUT，并按正确的位置关系装配。FKSA1800的控制系统为SIEMENS840D的系统，VERICUT带有多种控制系统模板库，可以挑选适当的控制系统，并根据需要，运用VERICUT自带的编程语言，添加适当的G代码和M代码功能。加工叶片的刀具为φ100R10面铣刀、φ63立铣刀、φ6钻头等，在VERICUT中定义这些所需刀具。运用VERICUT软件建立的FKSA1800虚拟机床模型如图2所示。

图2 FKSA1800虚拟机床模型

2.复杂曲面五轴联动加工机床仿真、校验以及程序优化

在V E R I C U T上仿真时，调入FKSA1800机床，添加毛坯、夹具，加载加工程序以及所需刀具就可以进行加工仿真。通过机床仿真能够真实地反映出水轮机叶片实际加工情况，能够检查过切、碰撞等现象，能够计算加工所需时间，并且能够通过软件的分析功能检查仿真加工后水轮机叶片的尺寸精度，也可以调入设计模型同仿真加工后的模型进行比较，对采取不同加工方案和加工策略的程序进行仿真。根据加工仿真得到的数据可以判别加工方案和加工策略的优劣，有利于工程师对加工方案的选取。通过仿真能够发现程序中存在的问题，并在实际加工发生之前进行修改，大大提高了编程效率，节约了成本。应用VERICUT进行程序优化，需要事先根据以往的加工经验和加工试验建立适合水轮机叶片加工的程序优化实例库，仿真时选择合适的程序加工优化实例（根据刀具直径、材料，零件材料等）对程序进行优化，改变程序不同位置的进给率以保持每齿切削量和金属去除率的恒定。对优化后的程序可以再进行切削仿真以检验其是否令人满意，觉得不合适可以适当调整参数再优化，直到满意为止。用VERICUT水轮机叶片进行切削仿真和机床仿真如图3所示。

图3 水轮机叶片切削仿真和机床仿真

四、结束语

运用虚拟制造技术对复杂曲面的五轴联动数控加工进行仿真，能够解决在数控编程和现实制造中存在的很多问题，解决了对人力、时间、资源的浪费问题，并且提高了加工效率，缩短了制造周期，在实际应用中起到了良好的作用。