五軸車銑加工曲軸類零件宏程序編制方法研究

丁曉，姜桂梅，郝紅光，張嚴(yán)芳，黃德華

(1.青島淄柴博洋柴油機(jī)股份有限公司，山東 青島　266700；2.廣州普利瑪企業(yè)管理咨詢有限公司，廣東 廣州　510642)

引言

對(duì)于曲軸連桿頸外圓及開(kāi)檔面的加工，傳統(tǒng)的加工方式是采用車床加裝偏心工裝車削完成[1]，但這種加工方式存在一定的弊端。采用傳統(tǒng)方式進(jìn)行多缸多相位曲軸的加工時(shí)，操作人員需對(duì)偏心工裝進(jìn)行數(shù)次的裝夾與調(diào)整，加工效率較低。同時(shí)，偏心工裝的定位銷部件在長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損，這將導(dǎo)致車削加工后各個(gè)連桿頸之間的相位角出現(xiàn)偏差，給后續(xù)的磨削工序造成了不小的加工難題。

曲軸旋風(fēng)車和五軸車銑復(fù)合中心可以解決傳統(tǒng)加工方式存在的這些弊端[2]。本研究以加工偏心曲面類零件曲軸為例，對(duì)車銑復(fù)合中心在加工方案、編程方法等方面進(jìn)行了相關(guān)的研究和探討。

1　車銑復(fù)合中心功能

車銑復(fù)合中心機(jī)床具有X、Y、Z、B、C五個(gè)加工軸，能夠?qū)崿F(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)。它除了可完成一般的數(shù)控車削、數(shù)控銑削等單工種工序的加工外，同時(shí)還有加工斜面、銑螺旋槽、銑外圓、銑螺紋、銑各種空間曲面、鉆斜孔、攻絲等各種鏜、銑、鉆的復(fù)合加工功能[3]。車銑復(fù)合中心功能全面、加工范圍廣，能夠?qū)崿F(xiàn)一次裝夾就完成全部或者大部分的加工工序內(nèi)容，提高了工件的生產(chǎn)效率和加工精度，已成為現(xiàn)階段曲軸機(jī)械加工制造行業(yè)的主流加工設(shè)備。

2　加工工藝方案

2.1　曲軸連桿頸外圓的加工工藝方案

車銑復(fù)合中心在加工偏心曲拐類零件時(shí)采用三軸聯(lián)動(dòng)的方式，即機(jī)床的X軸、Y軸位置隨著零件回轉(zhuǎn)中心C軸的角度變化而進(jìn)行切削位置變化。在加工過(guò)程中，刀具始終跟隨曲軸連桿頸中心的旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行切削，在曲軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)圓周的同時(shí)，銑刀同時(shí)跟隨進(jìn)行了一個(gè)周期的切削，完成一個(gè)連桿頸外圓的銑削，如圖1所示。上述運(yùn)動(dòng)過(guò)程從機(jī)床坐標(biāo)系上來(lái)看，實(shí)際就是銑刀圍沿著一個(gè)以偏心距為半徑的圓在做X、Y軸圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。宏程序編程只要能實(shí)現(xiàn)這種功能，也就完成了從假想的運(yùn)動(dòng)分析到機(jī)床實(shí)際加工完成的轉(zhuǎn)化。

圖1　曲軸連桿頸外圓加工示意圖

2.2　曲軸連桿頸開(kāi)檔的加工方案

曲軸連桿頸開(kāi)檔的加工和上述外圓加工原理是一樣的，可以理解為機(jī)床的X、Y軸位置圍繞著回轉(zhuǎn)中心C軸的角度變化而進(jìn)行切削位置變化。與外圓加工不同的是：連桿頸開(kāi)檔面的加工可以看做是多個(gè)不同直徑外圓圍繞著同一個(gè)回轉(zhuǎn)中心復(fù)合而成，轉(zhuǎn)換到機(jī)床坐標(biāo)系就是X、Y軸在做數(shù)次不同起始位置、不同回轉(zhuǎn)半徑的圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。如圖2所示，圖中的每一個(gè)刀具切削軌跡其實(shí)都是由機(jī)床X、Y、C軸一起聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。這些運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)次疊加的過(guò)程，其實(shí)就是刀具切削去量完成開(kāi)檔面加工的過(guò)程。

需注意的是圖2中的刀具軌跡并不是一個(gè)整圓，只是特定大小的圓心角對(duì)應(yīng)的一段圓弧。還需對(duì)每次插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的起始角度和終止角度進(jìn)行約束計(jì)算，從而達(dá)到減少空刀切削時(shí)間提高加工效率的目的。從圖2可以看到，應(yīng)該選用臂膀的外形來(lái)作為計(jì)算基準(zhǔn)，在每次進(jìn)刀位置和出刀位置處加上適量的安全距離或安全角度后，就能滿足連桿頸開(kāi)檔面的加工需要。

圖2　曲軸連桿頸開(kāi)檔加工示意圖

2.3　曲軸其它曲面部位的加工方案

曲軸比較難加工的曲面部位還有臂膀、頂圓、斜面等，這些部位的加工與上面敘述的加工原理基本類似，在此不再贅述。

3　編程思路的研究

3.1　常規(guī)的編程思路

車銑復(fù)合中心在針對(duì)曲面類、偏心類零部件加工編程時(shí)通常使用三維制圖軟件做出幾何模型，再通過(guò)交互工藝參數(shù)輸入模塊、刀具軌跡生成模塊、刀具軌跡編輯模塊、三維加工動(dòng)態(tài)仿真模塊和后置處理模塊來(lái)計(jì)算產(chǎn)生曲面輪廓上所有機(jī)床刀位點(diǎn)(或刀具銑削點(diǎn))，從而形成最終的加工刀具路徑[3]。

該方法產(chǎn)生的刀具路徑長(zhǎng)度是傳統(tǒng)加工的上百倍，對(duì)于單件零件來(lái)說(shuō)編程時(shí)間遠(yuǎn)大于加工時(shí)間，編程的效率已成為影響總體效率的關(guān)鍵因素之一，而且要求操作者在CAD與CAM兩個(gè)方面都要有深厚的背景與經(jīng)驗(yàn)才能很好地完成工作，這無(wú)疑增加了編程應(yīng)用的難度。

3.2　高效宏程序的編程思路

在機(jī)械加工行業(yè)中，軟件生成程序的方法主要應(yīng)用于復(fù)雜曲面的加工，但是對(duì)于曲軸偏心類零部件加工，除了以上問(wèn)題外，還存在調(diào)試難度大、程序不可移植性等諸多問(wèn)題。

由曲軸圖紙可知：曲軸上難加工的曲面在二維空間內(nèi)投影或是一個(gè)整圓，或是由幾段不同半徑圓弧加直線連接形成的封閉曲線。對(duì)于這樣的二維圖形,可以通過(guò)數(shù)學(xué)建模和CNC代碼編程來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的宏程序編制。在編程時(shí)涉及到的曲軸形狀尺寸和定位尺寸，可通過(guò)在宏程序中定義變量的方式對(duì)它們進(jìn)行定義與賦值，這樣在曲軸的尺寸發(fā)生變化后，只需對(duì)已定義的變量進(jìn)行重新賦值，就可完成不同型號(hào)曲軸的加工，如此一來(lái)程序的通用性就提高了。曲面切削時(shí)刀具切入點(diǎn)位置的計(jì)算，則是整個(gè)宏程序編制的難點(diǎn)與重點(diǎn)。

3.2.1數(shù)學(xué)建模

矢量的旋轉(zhuǎn)示意如圖3所示。

圖3　矢量的旋轉(zhuǎn)

Z2=Z1。

列矩陣[4]：

(1)

圖4　刀具矢量的旋轉(zhuǎn)

假設(shè)M點(diǎn)的參數(shù)坐標(biāo)方程為：

其中,k為恒定值，對(duì)于圓特征曲線方程：

(X-a)2+(Y-b)2=r2,

其中，a為圓心X向坐標(biāo)，b為圓心Y向坐標(biāo)，r為圓半徑。圓上任一點(diǎn)M點(diǎn)的參數(shù)坐標(biāo)方程為：

其中，k為恒值，經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)得出切入點(diǎn)X、Y軸的坐標(biāo)如下：

X=cos(φ)×a+sin(φ)×b+r,

(2)

Y=-sin(φ)×a+cos(φ)×b。

(3)

至此完成了數(shù)學(xué)建模，在宏程序編制中刀具切入點(diǎn)位置的確定按照公式(2)和公式(3)就能計(jì)算出來(lái)。

3.2.2CNC代碼編程

CNC代碼編程就是編寫(xiě)一些機(jī)床系統(tǒng)能識(shí)別的語(yǔ)言，將上面論述的想法轉(zhuǎn)化成機(jī)床和刀具的運(yùn)動(dòng)指令。以下為切入點(diǎn)處的宏程序編制方法。

DEF REAL CENTER_X,CENTER_Y,START_Q, CIRCLER, SAFE_Y

式中：DEF REAL：為編程指令，定義實(shí)數(shù)型的變量[5]；CENTER_X定義為輪廓的圓心X坐標(biāo)；CENTER_Y定義為輪廓的圓心Y坐標(biāo)；START_Q定義為輪廓的起始角；CIRCLER定義為輪廓的半徑；定義為SAFE_Y水平切入時(shí)Y方向的安全距離。

自定義的變量經(jīng)過(guò)賦值或數(shù)據(jù)傳遞后，再根據(jù)公式(2)和公式(3)，編程語(yǔ)句可寫(xiě)為：

INTER_X=COS(START_Q)*CENTER_X+SIN(START_Q)*CENTER_Y+CIRCLER

INTER_Y=-SIN(START_Q)*CENTER_X+COS(START_Q)*CENTER_Y-SAFE_Y

……

G1 Y=INTER_Y F3000

C1=DC(START_Q) F350

X=INTER_X F4000

Y=INTER_Y+SAFE_Y F=_FEED

……

西門子840D數(shù)控系統(tǒng)每次讀到上面這些語(yǔ)句后，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)計(jì)算出刀具切入點(diǎn)的位置，并控制機(jī)床的X、Y、C軸移動(dòng)到各自的起始位置，準(zhǔn)備開(kāi)始切削工件。后續(xù)在宏程序中使用G2/G3指令，就能完成曲軸各曲面的銑削加工[6]。

4　曲軸切削加工后的質(zhì)量對(duì)比

某公司應(yīng)用該宏程序完成了四種不同型號(hào)曲軸的曲面加工(曲面包括：主軸頸外圓、連桿頸外圓、臂膀外圓、連桿頸開(kāi)檔面等)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，曲軸曲面的各項(xiàng)加工精度完全達(dá)到圖紙技術(shù)要求，特別是使用車銑中心加工的曲軸相位角精度，較常規(guī)加工方法有了很大的質(zhì)量改進(jìn)，可以確認(rèn)該宏程序可滿足曲軸加工工藝的要求。

采用常規(guī)加工方法和應(yīng)用宏程序加工方法后的曲軸相位角精度對(duì)比如表1所示。

表1　曲軸相位角對(duì)比情況

5　結(jié)論

本編程方法做出的宏程序可作為一個(gè)子程序單獨(dú)使用，相對(duì)于CAM具有一定的通用性。由CAM后處理軟件編制出的程序，只適用于偏心距和曲面半徑等參數(shù)不變的偏心類圓弧加工，而本編程方法編制出的宏程序在加工不同曲面時(shí)，只需在主程序中對(duì)偏心曲面的偏心距、曲面半徑、起始角度、結(jié)束角度、角度增量等參數(shù)進(jìn)行賦值，就可完成不同偏心距、不同半徑曲面的加工，這樣的宏程序具有更靈活、更便捷、通用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于程序校驗(yàn)而言，校驗(yàn)本方法的程序同校驗(yàn)CAM生成程序相比節(jié)省了大量的校驗(yàn)時(shí)間，減輕了工作強(qiáng)度，提高了校驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]熊文偉.淺析數(shù)控曲軸連桿軸頸車床夾具設(shè)計(jì)的有效改進(jìn)[J].價(jià)值工程,2011,30(7)(中旬刊):19-20

[2]劉虎.基于車銑復(fù)合加工中心的曲軸加工工藝技術(shù)及理論研究[D].沈陽(yáng):東北大學(xué),2012.6.

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[6]鄭堤.數(shù)控機(jī)床與編程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.