0 引言

    曲軸是活塞式發(fā)動機(jī)的主要零件之一，用來將活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動。目前發(fā)動機(jī)的曲軸幾乎全是整體式的，只有個別轉(zhuǎn)速較低的柴油機(jī)采用組合式曲軸。圖1為整體式的三拐曲軸（偏心軸），材料為球墨鑄鐵QT600-2，采用傳統(tǒng)加工工藝涉及車、銑、磨等機(jī)床，工序分散。現(xiàn)代車銑復(fù)合設(shè)備提高了工藝的有效性，由于零件在整個加工過程中的定位基準(zhǔn)不變，加工的精度更容易獲得保證，同時大大縮短了生產(chǎn)過程鏈。車銑復(fù)合機(jī)床的發(fā)展，也對CAM軟件提出了更多的要求。復(fù)雜的車銑復(fù)合設(shè)備用傳統(tǒng)的手工編程是很難實(shí)現(xiàn)的，并且效率很低，很多傳統(tǒng)的以銑削為發(fā)展方向的CAM軟件也無法完成此類型的編程，而EdgeCAM軟件順應(yīng)機(jī)床的發(fā)展形勢，支持多主軸、多刀塔的車銑復(fù)合設(shè)備。

1 加工

    1.1 圖樣分析

    如圖1所示，曲軸由主鈾頸、連桿軸頸、主鈾頸與連桿軸頸之間的連接板組成，3個連桿軸頸呈現(xiàn)120°均布，屬于偏心軸，結(jié)構(gòu)細(xì)長多曲拐，剛性差。曲軸的主要技術(shù)要求為主軸頸、連桿軸頸尺寸公差等級為IT6，表面粗糙度Ra值為1.25～0.63μm。軸頸長度公差等級為IT9～I(xiàn)T10。軸頸的圓度、圓柱度控制在尺寸公差之半。主軸頸與連桿軸頸的平行度為0.015mm；曲軸各主軸頸的同軸度為φ0.015．各連桿軸頸的位置度不大于±20＇。若采用傳統(tǒng)的加工工藝，則由銑床X52、普通車床CA6140和萬能外圓磨床M1432A 3臺機(jī)床聯(lián)合完成，3個連桿軸頸的加工，需要專用的偏心夾具，整個加工過程中多次裝夾，而且定位基準(zhǔn)不統(tǒng)一。改用EdgeCAM環(huán)境下的車銑復(fù)合加工，以兩個主軸頸為整個加工過程的定位基準(zhǔn)，摒棄了傳統(tǒng)工藝中的劃線環(huán)節(jié)(劃線精度一般為0.25～0.5mm)，可以避免工件多次拆裝，減少中間輔助工序——檢驗(yàn)的安排，不僅得到很高的位置精度，而且使加工時間大大縮短，提高了生產(chǎn)效率。

    圖1 三拐曲軸的零件圖

    1.2 編制程序的前期準(zhǔn)備

    根據(jù)三拐曲軸的零件圖，在SolidWorks環(huán)境下分別建立工件與毛坯的三維模型。由于EdgeCAM支持多種實(shí)體文件共存于同一個操作環(huán)境，甚至可以將不同格式的實(shí)體文件同時打開，將其中任意實(shí)體指定為被加工零件、夾具和毛坯，因此可以在EdgeCAM中先打開工件的模型，然后再導(dǎo)入毛坯實(shí)體，按工具欄上設(shè)定為stock類型。此外，EdgeCAM和SolidWorks之間存在幾何協(xié)同性，一旦零件幾何形狀發(fā)生變化，刀路軌跡會自動地更新，反映新生成的幾何形狀，可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)或加工仿真過程中很方便地對產(chǎn)品模型進(jìn)行完善。曲軸的主加工環(huán)境為車削，因此在選項(xiàng)菜單下設(shè)置為ZX環(huán)境，EdgeCAM會默認(rèn)Z軸為回轉(zhuǎn)軸，使工件和毛坯的主軸頸軸線與Z軸重合，完成工件加工坐標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)定。

1.3 工序的安排

    表1為三拐曲軸整個加工過程的工序表，其中工序3～7是EdgeCAM下的車銑復(fù)合加工工序，定位基準(zhǔn)為主軸頸。

    毛坯通過鑄造獲得，對曲軸來說，以鑄代鍛容易把曲軸做成在應(yīng)力分布方面較為理想的形狀；此外，鑄鐵曲軸的耐磨性也較好，經(jīng)正火處理的球墨鑄鐵曲軸配巴氏合金軸瓦已不需要將軸頸淬硬，而且鑄件的內(nèi)摩擦阻尼比鋼大，在同樣的激振力矩下扭振振幅較小。采用車銑復(fù)合加工，整個加工過程的回轉(zhuǎn)軸都是兩處的主軸頸的中心線。本可舍棄工藝搭子（在傳統(tǒng)的加工工藝中，用來劃線找正3個連桿軸頸的中心），只需在兩端面留5mm的余量供機(jī)加工即可，但是為了不影響前道鑄造工序，仍保留了工藝搭子；待整個加工完成后將切下的工藝搭子熔化后再去鑄造，循環(huán)利用，不會成為廢品，既不浪費(fèi)材料，又保持原先的鑄造工藝不變。

    該零件剛性較差，按先粗后精的原則安排加工順序，逐步提高加工精度。對于主軸頸與連桿軸頸的加工順序是：先加工3個連桿軸頸，然后再加工主軸頸及其他各處的外圓，這樣可以避免一開始就降低工件剛度，減少受力變形，有利于提高曲軸加工精度。在傳統(tǒng)的加工工藝中，各處外圓（包括連桿軸頸）的工藝路線是：粗車——精車——磨，粗車各外圓面留余量2mm，精車時留0.5mm磨削余量，磨削后各外圓面達(dá)到圖紙尺寸，最后安排的磨削作為精整加工用來提高零件表面的精度、降低粗糙度。但是現(xiàn)代高速切削加工比磨削更經(jīng)濟(jì)方便，并且加工質(zhì)量可以和磨削媲美。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過高速銑削表面粗糙度可達(dá)到Ra=0.33μm，甚至低于普通磨削。因此在EdgeCAM車銑復(fù)合加工中，以高速車、銑來代替磨削。加工鑄鐵常規(guī)的切削速度10～350m/min，而高速加工的切削提高到750～4500m/min。改進(jìn)的工藝路線改為：3個連桿軸頸先粗銑后精銑（四軸X，Y，Z和C聯(lián)動），其余外圓表面先粗車，后精車(EdgeCAM沒有特定半精加工命令，不過提供了殘料去除命令，目的是為了切除前道工序由于刀具尺寸太大而無法加工到的死角)。另外，高速加工鑄鐵時，切削液的使用不僅不能提高加工表面質(zhì)量，反而會大大降低刀具的使用壽命，因此對鑄鐵的高速加工采用干切削。刀具的材料和加工工藝參數(shù)具體見表1。

    表1 工序表

2 加工仿真

    EdgeCAM除了具有強(qiáng)大的加工能力，而且提供非凡的模擬加工手段，實(shí)體仿真能夠真實(shí)地再現(xiàn)整個加工過程；可以加入機(jī)床和夾具的仿真，更好地檢測加工時的干涉，仿真啟動后同時輸出當(dāng)時加工工序的信息反饋。為了方便查錯，可以設(shè)置仿真在程序末尾或干涉處結(jié)束，這樣就可以根據(jù)反饋的信息回到編程窗口修改該工序的參數(shù)。圖2為仿真過程。

    圖2 三拐曲軸車銑加工的實(shí)體仿真過程

3 結(jié)束語

    本文主要針對三拐曲軸的傳統(tǒng)工藝方案進(jìn)行改進(jìn)。在EdgeCAM環(huán)境下用車銑復(fù)合加工，使工序更加集中，避免了零件的多次拆裝從而獲得更高的位置精度；通過實(shí)體加工仿真，可以檢查刀具、工件和夾具在加工過程中是否發(fā)生碰撞，提高了生產(chǎn)效率，為實(shí)際應(yīng)用帶來很大方便。