曲軸軸頸油孔R的仿形加工研究

文|聶申成 資陽機(jī)車有限公司曲軸事業(yè)部

一 、曲軸軸頸油孔R的仿形加工難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

1、當(dāng)前國內(nèi)曲軸的軸頸R加工特點(diǎn)及缺陷

目前，國內(nèi)曲軸加工軸頸油孔R都是采用搖臂鉆床，采用成型锪鉆锪出孔口R，其特點(diǎn)是加工速度快，進(jìn)給直上直下。但缺點(diǎn)是加工出的形狀與設(shè)計(jì)要求差別較大，锪鉆锪出來的是個(gè)平面橢圓形，影響最終的油膜分布。如圖1所示。

圖1 锪鉆加工出的平面橢圓形

圖1顯示锪鉆锪直油孔孔口時(shí)，在軸頸左右頂點(diǎn)方向，成型飽滿，余量切除干凈，但在軸頸前后方向，還有很大余量殘留，這是因?yàn)轱零@锪孔時(shí)進(jìn)給方向沿油孔中心直線切削，造成軸頸兩邊高點(diǎn)余量切除，前后低點(diǎn)余量殘留現(xiàn)象。如圖2顯示刀具锪鉆運(yùn)動(dòng)方向。

圖2 锪鉆運(yùn)動(dòng)方向

2、解決R锪鉆锪孔前后方向余量殘留的關(guān)鍵技術(shù)

應(yīng)用UG軟件的三維建模，結(jié)合多軸機(jī)床使用球頭銑刀多軸聯(lián)動(dòng)銑削軸頸直油孔孔口R。

如圖3所示，使用φ10球頭銑刀銑削直油孔孔口R8區(qū)域，通過x/y/z3軸聯(lián)動(dòng)分層銑削，通過控制分層銑削深度和刀具進(jìn)給速率達(dá)到我們需要的加工表面。

其特點(diǎn)是：加工精度成型好，但需要建模和后置處理，加工效率不高，另外程序不易修改，通用性較差。

用參數(shù)化編程，將軸頸直油孔直徑、軸頸大小和孔口圓角大小進(jìn)行手工編程，使用手工編程編制3軸聯(lián)動(dòng)銑削子程序。使用成型的锪孔銑刀提高銑削效率。

這種方案的特點(diǎn)是：不需要建模和后置處理，加工效率更高，另外程序容易根據(jù)尺寸要求修改，通用性好。

圖3 φ10球頭銑刀銑削直油孔

二 、曲軸軸頸油孔R的3軸聯(lián)動(dòng)仿形銑削程序手工編制

1、編程原理

根據(jù)上述分析銑削曲軸軸頸油孔R時(shí)由于刀具在圓柱表面加工想要獲得與設(shè)計(jì)一致的加工表面，刀具需要做空間多軸運(yùn)動(dòng)，結(jié)合手工編程特點(diǎn)，可以將刀具運(yùn)動(dòng)軌跡分解為刀具在圓弧投影平面做圓周運(yùn)動(dòng)和刀具在矢量方向做直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。刀具在軸頸左右象限點(diǎn)時(shí)處于最高位，刀具在前后象限點(diǎn)時(shí)處于最低位，如圖4所示。

圖4 刀具在圓弧投影平面和矢量方向的運(yùn)動(dòng)示意

因?yàn)橛涂識的表面要求粗糙度較高為Ra0.4，直接銑削加工并不能滿足圖紙要求，都需要最后通過拋光達(dá)到粗糙度Ra0.4。這里銑削時(shí)刀具從最高點(diǎn)到最低點(diǎn)的深度變化將隨著刀具在投影平面圓周角度位置變化。即0°時(shí)，刀具從右側(cè)最高點(diǎn)入刀，90°時(shí)刀具銑削1/4圓弧，同時(shí)刀具深度方向切入最深，180°時(shí)刀具銑削至1/2圓弧，刀具切入到左側(cè)最高點(diǎn)，270°時(shí)刀具銑削3/4圓弧，刀具深度方向再次切入最深，360°時(shí)刀具完成整圈切削，回到右側(cè)最高點(diǎn)。

可以理解為油孔的成型為軸頸與鉆頭相交后形成的相貫線，編制數(shù)控程序的軌跡即為兩圓柱相交得出的相貫線軌跡。這個(gè)步驟中，手工編制數(shù)控程序描述相貫線至關(guān)重要。

如圖5所示，槍鉆所在圓柱與軸頸相交即為油孔的空間曲線。

圖5 油孔空間曲線

首先刀具在垂直刀軸做圓周運(yùn)動(dòng)，該平面刀具軌跡容易編制，可以采用簡單的極坐標(biāo)編程方式，編制平面運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖6所示。

圖 6 刀具在垂直平面做圓弧運(yùn)動(dòng)

編程的難點(diǎn)在與刀具在圓弧平面運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，刀具深度時(shí)刻在發(fā)生變化，必須準(zhǔn)確定義出刀具的深度變化函數(shù)。

假設(shè)將刀具看做一個(gè)點(diǎn)（通過半徑補(bǔ)償編程）如圖7所示，刀具沿直油孔孔壁圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，在任意點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)的高度位置為

圖7 刀具直油孔壁圓周運(yùn)動(dòng)

假設(shè)高度位置對應(yīng)坐標(biāo)軸Z，那么，刀具在任一點(diǎn)的空間位置即可得出：

θ的范圍為0≤θ≤360。控制系統(tǒng)通過編程對θ進(jìn)行增量循環(huán)計(jì)算，能自動(dòng)計(jì)算出一個(gè)圓周內(nèi)的插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)。

2、編程

下面以某種曲軸主軸頸油孔R加工為例，按手工編程原理進(jìn)行3軸聯(lián)動(dòng)程序編制。圖8為主軸頸油孔R結(jié)構(gòu)圖。

圖8 主軸頸油孔R結(jié)構(gòu)圖

編制程序如下：

N1 g0 y1=0 x1=0；刀具快速定位到油孔中心位置

N2 g0 z1=160+5；刀具快速到油孔深度上方

N3 g1 z1=160 f=0.5 g64；刀具切入到最高點(diǎn)

gd[100]=0；gd[100]為角度變量初始賦值為0度

N4 g42 y1=0 x1=-18 f=0.3 ；建立半徑補(bǔ)償并切入到右側(cè)最高點(diǎn)

while(gd[100]<=360)；角度變量終止值為360度

gd[238]=sqrt(pot(160)-pot(18*singd[100]));刀具在任意位置時(shí)的高度

N5 g1 x1=-10*cos(gd[100]) y1=10*sin(gd[100])z1=gd[238]；刀具隨著角度變化在投影平面XY變化和深度變化

gd[100]=gd[100]+0.5；角度變量每次增量0.5度

endwhile；循環(huán)結(jié)束

N6 g1 g40 y1=0 x1=0；刀具切出到油孔中心并取消半徑補(bǔ)償

z1=160+5；刀退回到油孔深度上方

刀具按編制的程序進(jìn)行我們設(shè)定的軌跡進(jìn)行銑削，刀具在0度時(shí)，切入到右側(cè)最高點(diǎn)xyz分別為（-18,0,160），之后控制系統(tǒng)按每0.5o角度變化值自動(dòng)計(jì)算對應(yīng)的X/Y/Z坐標(biāo)值，從而加工出所要的空間表面。

在這個(gè)程序中，參數(shù)gd[100]每次變化的增量0.5決定著數(shù)控系統(tǒng)最終的插補(bǔ)精度，我們可根據(jù)加工要求，適當(dāng)增大或減小該值以得到所需要的輪廓精度。同時(shí)也可以做成參數(shù)子程序，將軸頸大小、油孔的直徑大小及孔口倒圓的R半徑都可以根據(jù)對應(yīng)機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)予以參數(shù)變量，這樣這樣我們可以將子程序或宏程序通過在主程序中賦值，應(yīng)用到各種相似輪廓加工中。

三、試驗(yàn)加工與對比

依據(jù)編制的軸頸油孔R的銑削子程序，我們對某種曲軸主軸頸和連桿頸的油孔R進(jìn)行了仿形銑削加工，曲軸主軸頸直徑φ300，連桿頸φ290，主軸頸和連桿頸油孔直徑φ20，孔口倒圓角R6，3軸聯(lián)動(dòng)銑削后與搖臂鉆床锪孔效果對比如圖9、圖10所示。

圖9 3軸聯(lián)動(dòng)銑削

圖10 搖臂鉆床锪孔

從孔口R形狀對比：3軸聯(lián)動(dòng)仿形銑削孔口R倒角比搖臂鉆床锪孔成型更為飽滿；從表面粗糙度比較，3軸聯(lián)動(dòng)仿形銑削也明顯優(yōu)于搖臂鉆锪孔，更有利于最后的拋光處理。

四、結(jié)論

3軸聯(lián)動(dòng)仿形銑削曲軸軸頸直油孔孔口R的技術(shù)基于現(xiàn)代機(jī)床的發(fā)展，用數(shù)學(xué)表達(dá)式對曲軸油孔R的形狀進(jìn)行擬合，能夠快速加工復(fù)雜的曲線表面，獲得較為滿意的加工效果，這種方法對曲面油孔的加工有較大的意義。