曲軸連桿頸正交車(chē)銑加工工藝的研究

周建江 夏煥金 陸忠民 蔣文偉

(中國(guó)南車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)有限公司 江蘇常州 213011)

引言

車(chē)銑加工是近十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型、高效及高質(zhì)量的切削加工方式，它是利用銑刀旋轉(zhuǎn)和工件旋轉(zhuǎn)的合成運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的切削加工。按照刀具旋轉(zhuǎn)軸線與工件旋轉(zhuǎn)軸線相對(duì)位置不同，車(chē)銑加工主要可分為軸向車(chē)銑(即刀具的旋轉(zhuǎn)軸線與工件的旋轉(zhuǎn)軸線相平行)和正交車(chē)銑(即刀具的旋轉(zhuǎn)軸線與工件的旋轉(zhuǎn)軸線相垂直)［1-2］。

曲軸是內(nèi)燃機(jī)的關(guān)鍵零部件，也是最難加工的零部件之一，其加工難點(diǎn)主要體現(xiàn)在曲軸連桿頸的加工。正交車(chē)銑加工曲軸連桿頸是當(dāng)今最先進(jìn)的連桿頸粗加工方式［3-5］。加工過(guò)程中，銑刀作隨動(dòng)切削運(yùn)動(dòng)，刀具的位置對(duì)切削加工的影響較大，運(yùn)動(dòng)模型比傳統(tǒng)的加工方式復(fù)雜，因此，本文對(duì)曲軸連桿頸正交車(chē)銑加工的刀具路徑數(shù)學(xué)模型、切削時(shí)刀具的進(jìn)、出刀點(diǎn)的位置、刀具及刀具與曲軸之間的偏心量等工藝參數(shù)進(jìn)行研究和分析。

1 刀具路徑的數(shù)學(xué)模型的建立

曲軸連桿頸正交車(chē)銑加工是用車(chē)銑復(fù)合加工中心來(lái)加工的，加工過(guò)程中要采用X、Y、Z及C軸聯(lián)動(dòng)，因此首先要建立刀具的加工路徑的數(shù)學(xué)模型。

曲軸連桿頸正交車(chē)銑加工示意圖如圖1所示，圖中X0Y坐標(biāo)系是機(jī)床坐標(biāo)系，坐標(biāo)零點(diǎn)是曲軸的回轉(zhuǎn)中心，A點(diǎn)為連桿頸上任意一點(diǎn)，在X0Y坐標(biāo)系下其方程為公式(1)。

式中:R0——曲軸連桿頸與主軸頸之間的中心距;

R——連桿頸的半徑;

θ——任意點(diǎn)A與X軸的夾角。

圖1 正交車(chē)銑連桿頸示意圖

當(dāng)曲軸以均勻的角速度ω旋轉(zhuǎn)時(shí)，因連桿頸上各點(diǎn)到回轉(zhuǎn)中心的距離等，同一時(shí)刻，連桿頸上各點(diǎn)線速度也不相等，要保證連桿頸在連續(xù)車(chē)銑加工過(guò)程中切削平穩(wěn)，則必須保證在加工連桿頸上各點(diǎn)的切線速度相等。連桿頸上任意點(diǎn)A到回轉(zhuǎn)中心的距離為公式(2)。

設(shè)在加工連桿頸最高點(diǎn)時(shí)(圖1中銑刀加工的位置)，曲軸旋轉(zhuǎn)角速度為ω0時(shí)，如要保證加工連桿頸上任一點(diǎn)的線速度相等，則在加工連桿頸上任一點(diǎn)曲軸旋轉(zhuǎn)的速度為公式(3)。

由公式(2)和公式(3)可知:

車(chē)銑加工中心在車(chē)銑加工連桿頸時(shí)，曲軸不斷旋轉(zhuǎn)，曲軸的主軸頸和連桿頸的角位移和角速度是相等的，即要加工連桿頸上任一點(diǎn)A，則曲軸要旋轉(zhuǎn)的角位移為θ。由于曲軸不斷旋轉(zhuǎn)，使工件坐標(biāo)系也不斷旋轉(zhuǎn)，由坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的幾何關(guān)系可得，任一點(diǎn)A在工件坐標(biāo)上的方程為公式(5)。

2 切入點(diǎn)和切出點(diǎn)的選擇

由公式(5)可知，X、Y和C三軸聯(lián)動(dòng)時(shí)，C軸的零點(diǎn)為曲軸的主軸頸中心與連桿頸中心的連線與X軸的正方向重合時(shí)，如圖1所示，刀具從連桿頸的最高點(diǎn)處進(jìn)刀可保證刀具有效進(jìn)刀，防止不必要的扎刀，尤其是在加工如圖2所示的連桿頸處內(nèi)R倒角時(shí)，從連桿頸的最高點(diǎn)處進(jìn)刀切削，切削深度和刀具受力是逐漸增加直至穩(wěn)定，這樣可提高刀具的使用壽命，避免過(guò)切和撞刀的情況出現(xiàn)。當(dāng)車(chē)銑連桿頸內(nèi)R倒角時(shí)，銑刀采用成型銑刀，在機(jī)床Z軸和X軸方向都有較長(zhǎng)的切削刃，相互可能出現(xiàn)干涉的情況，在最高點(diǎn)處進(jìn)刀、出刀也是唯一的選擇。車(chē)銑過(guò)程中如有Z軸與C軸一起聯(lián)動(dòng)，則在Z軸方向以螺旋進(jìn)給方式進(jìn)刀，Z軸每達(dá)到一個(gè)進(jìn)給的位置后，則需要銑刀最少走完一個(gè)圓周車(chē)銑循環(huán)來(lái)加工完由于螺旋進(jìn)給留下的余量。為了避免每次在C軸的同一位置處螺旋進(jìn)刀而產(chǎn)生刀痕，在車(chē)銑循環(huán)來(lái)加工螺旋進(jìn)給留下的余量時(shí)讓銑刀每次進(jìn)給一個(gè)大于360°不定值的整圓。

圖2 曲軸連桿頸內(nèi)R倒角示意圖

車(chē)銑加工時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)是用圓弧來(lái)擬合公式(5)各個(gè)點(diǎn)的，為保證點(diǎn)與點(diǎn)之間光滑聯(lián)接，在連續(xù)路徑，輪廓以恒定的軌跡速度運(yùn)行，不能用準(zhǔn)停精確的定位，因此在運(yùn)用公式(5)編制宏程序時(shí)，只能用G01、G02和G03指令，不能用產(chǎn)生準(zhǔn)停精確的定位指令G0。

3 偏心量e及刀具的選擇

車(chē)銑時(shí)，如圖1、圖3所表示的偏心量e是決定周切削刃參加切削還是端刃參加切削。當(dāng)偏心量e值不相同，則銑刀切削的有效位置也不一樣。當(dāng)偏心量值e=0，其切削刃是端刃(如圖3a)所示);當(dāng)偏心量值e=D/2－Hr，其切削刃是周切削刃(如圖3b)、c)所示);當(dāng) 0≤e≤D/2－Hr，其切削刃為端刃和周刃。車(chē)銑加工連桿頸，刀具切削部位的瞬時(shí)形狀是圓柱母線的一部分，要保證精加工出的連桿頸母線自身直線度及與曲軸主軸頸的軸線的平行度，則每次有效切削寬度的總長(zhǎng)應(yīng)大于連桿頸的寬度。由圖3b)圖可知，要使有效切削寬度從連桿頸一端開(kāi)始，側(cè)銑刀在曲軸的軸向上要偏移一距離，銑刀盤(pán)有一部分在連桿頸的外側(cè)(如圖3c)所示)。銑刀車(chē)銑連桿頸的有效寬度Wd應(yīng)滿足公式(6)的要求。

公式(6)中D表示銑刀盤(pán)直徑，Hr表示刀片的切削寬度，e為銑刀軸線與連桿頸中心線的偏心量。

圖3 有效切削寬度與偏心量的關(guān)系示意圖

刀具的大小和形狀與切削加工的質(zhì)量和效率緊密相關(guān)。如圖4所示，因連桿頸兩側(cè)的曲柄和平衡塊的存在，在車(chē)銑連桿頸時(shí)，銑刀浸沒(méi)在曲柄內(nèi)，與挖槽加工狀態(tài)相似，因此銑刀的直徑D不能超過(guò)連桿頸寬度，考慮到加工效率和機(jī)床的剛性，粗車(chē)銑連桿頸時(shí)，銑刀直徑D為連桿頸寬度的60%-75%，精車(chē)銑時(shí)，銑刀直徑D為連桿頸寬度的70%-85%。當(dāng)車(chē)銑如圖2所示有內(nèi)R倒角結(jié)構(gòu)的曲軸連桿頸時(shí)，銑刀和連桿頸的位置如圖3c)所示;當(dāng)車(chē)銑只有外R倒角結(jié)構(gòu)的曲軸連桿頸時(shí)，銑刀前后要有兩種偏心量，位置如圖3a)、圖3b)所示。

圖4 曲軸連桿頸加工示意圖

4 驗(yàn)證

某公司調(diào)用按公式(4)、(5)編寫(xiě)的連桿頸車(chē)銑加工宏程序分別對(duì)連桿頸的左、右側(cè)各車(chē)銑加工一次(如圖5所示)，連桿頸的寬度為184.7 mm，采用Φ135 mm的可轉(zhuǎn)位銑刀盤(pán)，切削刃長(zhǎng)度為35 mm，偏心量e為35 mm，加工出連桿頸圓度為0.05 mm，表面粗糙度為Rz3.0(如圖6所示)，驗(yàn)證了以上的連桿頸正交車(chē)銑加工路徑的數(shù)學(xué)模型和車(chē)銑加工曲軸連桿頸時(shí)的進(jìn)、出刀點(diǎn)的位置、刀具及刀具與曲軸之間的偏心量等工藝參數(shù)的選擇原則。

圖5 精車(chē)銑連桿頸時(shí)刀具所處的位置

圖6 精車(chē)銑后的連桿頸

5 結(jié)束語(yǔ)

曲軸連桿頸的車(chē)銑加工是一種新型復(fù)雜的加工方式，其對(duì)機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)、刀具及數(shù)控程序的編制要求非常高，隨著機(jī)床數(shù)控技術(shù)、刀具及CAM軟件的發(fā)展，曲軸連桿頸的車(chē)銑加工工藝會(huì)得到更高、更快的發(fā)展。

［1］賈春德，姜增輝.車(chē)銑原理［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2003:1-3.

［2］夏煥金.凸輪軸凸輪型面車(chē)銑加工工藝的研究［J］.機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝，2010(5):11-13.

［3］朱立達(dá)，等.正交車(chē)銑三維切屑理論建模研究［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012(1):111-115.

［4］金成哲，賈春德.正交車(chē)銑高強(qiáng)度鋼切屑形成機(jī)理的研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(9):1610-1612.

［5］孫建業(yè)，馬駿.車(chē)銑復(fù)合加工的切屑形態(tài)分析［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2009(12):72-74.