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的仿形加工難點及關(guān)鍵技術(shù)

1、當(dāng)前國內(nèi)曲軸的軸頸R加工特點及缺陷

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，其特點是加工速度快，進(jìn)給直上直下。但缺點是加工出的形狀與設(shè)計要求差別較大，锪鉆锪出來的是個平面橢圓形，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，在軸頸左右頂點方向，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，這是因為锪鉆锪孔時進(jìn)給方向沿油孔中心直線切削，造成軸頸兩邊高點余量切除，前后低點余量殘留現(xiàn)象。如圖2顯示刀具锪鉆運動方向。

圖2 锪鉆運動方向

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時由于刀具在圓柱表面加工想要獲得與設(shè)計一致的加工表面，刀具需要做空間多軸運動，結(jié)合手工編程特點，可以將刀具運動軌跡分解為刀具在圓弧投影平面做圓周運動和刀具在矢量方向做直線進(jìn)給運動。刀具在軸頸左右象限點時處于最高位，刀具在前后象限點時處于最低位，如圖4所示。

圖4 刀具在圓弧投影平面和矢量方向的運動示意

因為油孔R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。這里銑削時刀具從最高點到最低點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，刀具從右側(cè)最高點入刀，90°時刀具銑削1/4圓弧，同時刀具深度方向切入最深，180°時刀具銑削至1/2圓弧，刀具切入到左側(cè)最高點，270°時刀具銑削3/4圓弧，刀具深度方向再次切入最深，360°時刀具完成整圈切削，回到右側(cè)最高點。

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動，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，編制平面運動軌跡，如圖6所示。

圖 6 刀具在垂直平面做圓弧運動

編程的難點在與刀具在圓弧平面運動的同時，刀具深度時刻在發(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)將刀具看做一個點（通過半徑補償編程）如圖7所示，刀具沿直油孔孔壁圓周運動時，在任意點時，該點的高度位置為

圖7 刀具直油孔壁圓周運動

假設(shè)高度位置對應(yīng)坐標(biāo)軸Z，那么，刀具在任一點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)計算，能自動計算出一個圓周內(nèi)的插補點坐標(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

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 ；建立半徑補償并切入到右側(cè)最高點

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，切入到右側(cè)最高點xyz分別為（-18,0,160），之后控制系統(tǒng)按每0.5o角度變化值自動計算對應(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)動銑削

圖10 搖臂鉆床锪孔

從孔口R形狀對比：3軸聯(lián)動仿形銑削孔口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。