9L21/31曲軸關(guān)鍵加工工藝技術(shù)研究

戴金躍，張?zhí)煜?/p>

(1. 鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 校長辦公室，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.鎮(zhèn)江中船設(shè)備有限公司 技術(shù)中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212002)

9L21/31曲軸關(guān)鍵加工工藝技術(shù)研究

戴金躍1，張?zhí)煜?

(1. 鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 校長辦公室，江蘇 鎮(zhèn)江212003；2.鎮(zhèn)江中船設(shè)備有限公司 技術(shù)中心，江蘇 鎮(zhèn)江212002)

針對9L21/31曲軸曲柄圓弧深槽加工中存在的精度不高、效率低，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量的問題，通過使用PRO/E軟件對曲軸建模和對刀具切入過程進行三維模擬分析，優(yōu)化工藝參數(shù)，改進工藝方案,解決制造工藝技術(shù)上的難點，降低制造成本，提高生產(chǎn)效率。

曲軸；曲柄圓弧深槽；PRO/E；數(shù)值模擬

9L21/31柴油機作為中速柴油機的主要產(chǎn)品，以其技術(shù)先進、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等優(yōu)點廣泛用于陸用、船用發(fā)電領(lǐng)域，市場前景廣闊。但長期以來，由于曲軸長徑比大、加工剛性差、精度高等特點，在普通車床上或旋風(fēng)車床上加工曲柄圓弧時，采用專用的偏心分度工裝，依靠操作人員的感覺來加工圓弧外形。使用這種加工方法，完全取決于操作人員的技術(shù)和手感，在加工時曲軸易產(chǎn)生振動和變形，同時，不同的操作者每次加工的曲軸的圓弧槽的形狀各不相同，有深有淺，圓弧的質(zhì)量和穩(wěn)定性難以保證，加工效率低。本文主要介紹在Niles-SimmonsN50MC型五軸聯(lián)動曲軸車銑加工中心上，解決通過PRO/E曲軸建模曲柄圓弧深槽加工瓶頸的方案。

1 曲柄圓弧槽加工中的難點分析

通過研究發(fā)現(xiàn)，加工如圖1所示9L21/31曲軸的曲柄圓弧主要的難點有如下4個：

1) 圓弧刀具的選用。圖2所示的圓弧槽底高度低于軸頸的高度0.40mm。普通銑刀在加工此圓弧槽時，由于槽底高度低于軸頸高度，任何3軸加工中心的銑刀都會切在連桿軸頸上面，導(dǎo)致曲軸過切報廢[1]。

2) 切入路線規(guī)劃。對于曲柄兩端的圓弧深槽來說，必須規(guī)劃圓弧刀具的切入路線，即需要分析優(yōu)化進刀的路線，使之符合粗精加工的切削要求，否則，在粗加工時會產(chǎn)生刀具過切曲軸問題，進而導(dǎo)致曲軸報廢。

圖1 曲柄圓弧槽圖

圖2 圓弧槽E4圖局部放大圖

3) 空間曲線軌跡的獲得。如何實現(xiàn)多軸聯(lián)動，刀具和圓弧槽在運動過程中產(chǎn)生聯(lián)動軌跡，實現(xiàn)空間曲線的加工。

4) 切削余量的確定。圓弧的切削需要分幾次粗加工和精加工，如何對粗加工軌跡進行定義，既得到均勻的切削量，又不過切材料，這是加工圓弧的關(guān)鍵[2]。

2 曲柄圓弧槽加工方案

2.1刀具的選用及刀偏角的確定

針對以上提出的4個難點，通過研究分析，以9L21/31曲軸的r16的圓弧槽加工作為示例，圓弧槽加工分為粗加工和精加工兩大步：粗加工采用圖3所示的r15.5的圓弧刀具；精加工采用r16的圓弧刀具，圖1，圖2中E4所示為曲柄圓弧槽圖紙。

圖3 r15.5，r16圓弧槽成型刀具圖

選擇r15.5和r16圓弧成型刀具分別用于粗加工、精加工，刀具角度偏轉(zhuǎn)由車銑中心的銑削主軸(B軸)來實現(xiàn)，主軸的偏轉(zhuǎn)角度范圍為-105°～+95°。刀具的偏轉(zhuǎn)角度非常重要，如圖4所示，首先，合適的角度使刀具不會過切軸頸，其次，刀桿不碰撞曲軸的內(nèi)側(cè)面。為了得到刀具最佳的偏轉(zhuǎn)角度，使用PRO/E軟件對曲軸進行建模，對刀具切入過程進行三維模擬分析。

圖4 9L21/31曲柄的建模、刀具切削的模擬

對曲軸曲柄進行建模后得到正確的曲柄模型，模擬刀具圓弧的切削，由刀具草繪圖可知刀具在切削時的正確位置，圖5所示的刀具底部連線與曲軸干涉，但是切削時并未干涉，這是因為曲軸軸頸是圓的，同時刀具切削刀片也在做旋轉(zhuǎn)運動，所以使用合適的刀具偏角就不會產(chǎn)生過切。還可以看出，刀具的柄部和曲軸的內(nèi)側(cè)邊緣最小距離為5.49mm，不會產(chǎn)生碰撞的危險。切削在PRO/E中模擬可以簡化為圓弧圍繞刀具的軸心線旋轉(zhuǎn)1周，此時，刀具軸心線角度取90°時，即刀偏角0°，銑削主軸不偏轉(zhuǎn)，使用旋轉(zhuǎn)切除的方法，得到模擬加工時的真實切削結(jié)果，可看出產(chǎn)生過切，所以B軸不偏置角度會產(chǎn)生嚴重的過切現(xiàn)象，使得曲柄軸頸因過切而報廢。

圖5 刀偏角0°產(chǎn)生過切

如圖6所示，刀具軸心線角度取91.5°，即刀偏角1.5°，銑削主軸(B軸)偏轉(zhuǎn)-1.5°，使用旋轉(zhuǎn)切除的方法，得到模擬加工時的真實切削結(jié)果，可看出不產(chǎn)生過切，同時刀柄不碰撞曲軸。此三維模擬分析必不可少，否則，在任何機型的曲軸圓弧槽加工中無法預(yù)知過切的界限角度。

圖6 主軸B偏角1.5°為正確的角度

通過理論分析和三維模擬驗證，編制圓弧槽的加工程序，并且在車銑中心上調(diào)試驗證切削的正確性，如圖7所示的現(xiàn)場加工拍攝的圖片，在曲軸圍繞C軸旋轉(zhuǎn)1周的情況下，圓弧銑刀在空間上的軌跡是空間圓弧曲線，實現(xiàn)了五軸聯(lián)動的特殊加工。

圖7 主軸B偏角1.5°調(diào)試切出高質(zhì)量圓弧

由以上三維模擬分析得出重要的參數(shù)，刀偏角為1.5°是比較適合的。如果我們憑主觀感覺去確定刀偏角，則容易在機床調(diào)試時產(chǎn)生碰撞，對于價值千萬的車銑中心和大件曲軸來說，是一件非常危險的事，經(jīng)濟損失巨大。而利用三維模擬的方法可以更加直觀、方便和快捷的檢驗編程參數(shù)的正確性，避免以上所述危險的發(fā)生，同時可以節(jié)約試制的時間。

2.2切入運動參數(shù)的確定

如圖8所示，規(guī)劃圓弧刀具的進給軌跡，由AutoCAD作圖分析得到，起刀點至終點為方向角為20°沿著圓弧的切線方向做直線切削進給，此角度是在內(nèi)側(cè)面與圓弧交點處的切線的角度。分析圖8可知，不會產(chǎn)生材料過切，可得到精確的圓弧槽。若采用其他進刀角度進給切削，在粗加工的過程中，會產(chǎn)生過切干涉，一旦主軸軸頸過切，曲軸必定報廢。

圖8 刀具切向進給示意圖

2.3粗加工工藝分析及實現(xiàn)

2.3.1 切削進刀

曲軸材料42CrMoV在加工過程中，圓弧深度10.6mm，每刀2mm切削深度，須加工6刀。此進給量經(jīng)過加工測試效果最佳[3]。實現(xiàn)的方法如下：

;**1.Cut**

N280G58X=10*tan(19.725)Y0Z=10C=N_POSCP01

N310CRANK_RADIUS；圓弧加工子程序

…………

;**5.Cut**

N320G58X=2*tan(19.725)Y0Z=2C=N_POSCP01

N330CRANK_RADIUS

;**6.Cut**

N320G58X=0*tan(19.725)Y0Z=0C=N_POSCP01

N330CRANK_RADIUS

G58局部坐標系偏置后，如圖9所示，車銑中心會均分6次的加工余量，每次進給2mm，進行圓弧的偏心銑加工。6次切削始終以19.725°方向進給，連接切削圓弧刀具的r15.5的6次偏置的中心，得到切削進給的軌跡，均沿著切線方向切削至終點，分析可得不會過切曲軸。

圖9 刀具切削循環(huán)起刀點的分析研究

通過偏置坐標系的方法得到均等的余量，6個切削點在角度為19.725°的直線上，沿著此角度進給得到均勻的切削效果，精加工偏置為0，得到最終的圓弧尺寸。

2.3.2 偏心圓切削

如圖10所示，根據(jù)五軸聯(lián)動車銑中心機床坐標系，從主軸C向床尾看去，假設(shè)半徑R的圓在空間圍繞C軸做旋轉(zhuǎn)運動。

在此瞬時狀態(tài)下，A點的空間坐標為：

X方向坐標為

X=Hub·cos(StartW)+R，

Y方向坐標為

Y=Hub·sin(StartW)，

瞬時的角度為

C=(StartW)。

設(shè)置C軸為主動軸，X，Y為隨動軸，若把角度細分360份，1°為增量。每增加1°，得到對應(yīng)的X和Y的坐標值，當(dāng)C軸轉(zhuǎn)過360°，可以得到1個整圓的空間軌跡[4]。利用以上原理和機床的五軸聯(lián)動可得，圓弧刀具切削的軌跡根據(jù)幾何關(guān)系在Siemens840D數(shù)控系統(tǒng)中系統(tǒng)編程如下[5]：

CRANK_ORTH.SPF;圓弧加工子程序名

N1FGOUP(C) ;設(shè)置C軸為主動軸，X,Y為隨動軸

N2FGREF[C]=(DM/2)

;根據(jù)圓半徑設(shè)置切削速度轉(zhuǎn)換

N3G0G94Z=N_STARTZC=DC(StartW+10)S3=700M3=3

N4G0Y=(Hub*sin(StartW)

N3G0X=(Hub*cos(StartW)+R+5

;設(shè)置銑削主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速700r/min。X,Y,Z快速定位到預(yù)置位置，C軸預(yù)置為10度。

N4G1X=Hub*cos(StartW)+RZ=N_RADIUSC=DC(StartW)F=500 ;C軸轉(zhuǎn)動10度，X,Z方向切削進給至圓弧切削定位點。

N5_Begin: ;圓弧切削循環(huán)程序開始

N6IFINC<=360° ;循環(huán)條件語句

N7G01X=Hub*cos(StartW+INC)+R

Y=Hub*sin(StartW+INC)

C=(StartW+INC) ;360個坐標點構(gòu)成圓的 軌跡

N8INC=INC+1 ;疊加計數(shù)360次

N9GOTOB_Begin;跳回程序開始，進行IF判斷

N10ENDIF;IF語句結(jié)束

N11G1X=IC(5)Z=IC(5)

;切削結(jié)束退刀

N12M17 ;程序結(jié)束

圖10 偏心圓弧加工幾何分析

以上為加工循環(huán)程序的核心部分，運行可以得到1個空間的圓弧[6]。按以上方法編程，在公司五軸NC50車銑中復(fù)合加工心試制9L21/31曲軸圓弧，圖11是r16圓弧刀具精加工后的效果圖，圖12為9L21/31曲軸標準圓弧r16檢驗樣板檢驗的示意圖，經(jīng)檢驗，完全符合圖紙要求。

圖11 車銑中心加工圓弧槽

圖12 成型樣板檢驗加工后的圓弧槽

3 結(jié)束語

本文對9L21/31曲軸的曲柄圓弧槽關(guān)鍵工藝問題進行了分析研究，通過在德國五軸聯(lián)動車銑中心上對曲軸進行調(diào)試加工，實現(xiàn)了圓弧槽的精確加工。分析編程過程中利用Pro/E三維模擬、Autocad繪圖規(guī)劃了刀具和進給的路線，并經(jīng)過五軸聯(lián)動車銑中心現(xiàn)場調(diào)試驗證了9L21/31曲軸圓弧深槽五軸聯(lián)動加工分析的正確性，也為未來開發(fā)各種機型中速機曲軸的加工提供了五軸聯(lián)動車銑中心的解決方案，為開發(fā)其他曲軸產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。

[1] 冷真龍,徐斐，鄧勛，等.現(xiàn)代重型曲軸加工關(guān)鍵技術(shù)[J].現(xiàn)代制造工程,2009(2):141-142.

[2] 張偉華. 9L21/31曲軸國產(chǎn)化加工工藝開發(fā)[J].柴油發(fā)動機,2009(4):42-44.

[3] 西門子公司.SINUMERIK840D高級編程手冊[M].上海:西門子(中國)有限公司,2006:3.

[4] 斯密斯.數(shù)控編程手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:4.

[5] 王軍.中速柴油機曲軸關(guān)鍵加工工藝的研究[D].大連:大連交通大學(xué),2012:42-46.

[6] 邱前進.大型中速柴油機曲軸工藝設(shè)計[J].冷加工,2011(9):33-34.

〔責(zé)任編輯： 盧 蕊〕

Astudyonthekeyprocessingtechnologyof9L21/31crankshaft

DAI Jin-yue1, ZHANG Tian-xiang2

(1. The President’s Office, Zhenjiang College, Zhenjiang 212003, China;2. Technique Center Zhenjiang CME Co., Ltd, Zhenjiang 212002,China)

In view of the existing problems of inaccuracy and low efficiency in the processing of machining deep groove 9L21/31 crankshaft crank circular arc, which seriously affects the product quality, this thesis puts forward the modeling of crankshaft and analysis of the cutting process by means of three dimensional simulation using PRO/E software to optimize the process parameters and improve the processing technology. It’s prored that the application of such technology can solve the difficulty of manufacturing process technology, reduce the manufacturing cost, and improve the production efficiency.

crankshaft; crank deep circular groove; PRO/E; numerical simulation

2014-09-06

江蘇省高等職業(yè)院校高級訪問工程師計劃資助項目(FG135)

戴金躍(1972—)，男，江蘇丹陽人，副教授，主要從事機械制造及激光加工研究；張?zhí)煜?1984—)，男，江蘇沭陽人，工程師，主要從事機械加工研究。

TG506

：A

：1008-8148(2015)01-0058-04