凸轮活塞式汽车发动机是一种具有良好发展前景的新型内燃机，通过活塞-凸轮机构，可以把活塞的往复移动转化为凸轮的等速转动。其中，等速圆柱凸轮是凸轮活塞式汽车发动机的核心零件。长期以来，等速圆柱凸轮曲面轮廓的制造采用划线的方法，在毛坯上通过样板划线，然后进行找正加工。这种方法加工精度低，加工周期长，难以满足实用要求。随着数控技术的发展，尤其是自动编程技术的应用，复杂曲面的加工逐步得到解决。对于汽车发动机等速圆柱凸轮，笔者采用PowerMILL软件进行自动编程加工，取得了良好的效果。
PowerMILL软件是英国DELCAM公司开发的一款独立的3D加工软件，它可以由输入的模型快速产生无过切的刀具路径，提供了从粗加工到精加工的全部选项，加工策略丰富，专业性强，自动化程度高，刀具轨逊计算速度快，对生成的加工轨迹可以进行仿真校验，确保自动编制程度准确无误。特别适合等速圆柱凸轮的曲面轮廓加工。
1 等速圆柱凸轮曲线数学模型的建立
圆柱凸轮的主要技术参数要求推程和回程均为等速运动，为了减少刚性冲击和柔性冲击，过渡曲线采用正弦运动曲线，以适应高速轻载场合。圆柱凸轮最大外圆半径r为100mm，推杆升程为90mm。推程先为正弦运动曲线，过渡区间为0°～3.6°；然后进入等速运动阶段，等速区间为3.6°～176.4°；接着再进入正弦运动盐线，过渡区间为176.4°～180°。回程曲线规律则对称安排。
图1 凸轮曲线
按照外径将凸轮轮廓自与X轴正半轴交点位置逆时针展开，如图2所示。如果φ为展开角，t为展开度，则：t=φ/180。
2 数控加工的工艺安排
汽车发动机等速圆柱凸轮材料选用40Cr，毛坯尺寸为φ201mm，外圆直径为φ200mm，内孔直径为φ40mm，键槽均已完成加工，有关工艺安排为：
1)3D模型的建立。用NX软件构建汽车发动机等速圆柱凸轮的3D模型。
2)加工坐标系的确定。以毛坯下表面圆心为坐标系原点建立工件坐标系。
3)数控加工工序的安排。加工工序一般可分为：局部粗加工→预清角→粗加工→粗清角→半精加工→小刀粗清角→精加工→精清角。本例加工工序采用粗加工→半精加工→精加工。
4)刀具的选择。按照适用、经济和安全的原则，对应不同加工工序，各选一把铣刀。粗加工选用直径为咖2smm键槽铣刀，半精加工选用直径为430mm球头铣刀，精加工选用直径为φ18mm的球头精铣刀。
5)工件的定位与夹紧。由于研制阶段该件为单件小批生产，故以外圆柱表面和键槽侧面作为定位基准面，采用三爪卡盘自定心夹紧。绕Z轴旋转自由度，采用直接找正法测量键槽侧面。
3 不同加工工序中加工策略选择及参数设置
3.1 粗加工工序
粗加工主要任务是切除加工表面上的大部分余量，使毛坯的形状和尺寸尽量接近成品。加工精度要求不高，切削用量、切削力较大。加工策略使用最佳等高、三维偏置或平行加工方式。本例中粗加工采用最佳等高加工方式。
3.2 半精加工工序
半精加工介于粗加工和精加工之间，目的是为凸轮轮廓曲面的精加工做好必要的精度和余量准备，便于精加工时采用较小的切削量和较高的切削速度。加工策略使用最佳等高、三维偏置或平行加工方式。本例中半精加工采用最佳等高策略。选择行距为1mm，公差为0.1mm，加工余量为0.5mm。
3.3 精加工工序
精加工是实现等速厕柱凸轮加工最关键的一步。加工完毕后仅留0.1mm的油石打磨余量。表面要求没有明显刀痕，Ra3.2μm以下。编程思路要求密化走刀轨迹，刀轨要尽可能光顺，采用平行加工策略，选择刀具直径为φ9mm；主轴切削转速要求高，选择转速为3000r/min；进给速度要求小，选择其值为150mm/min；选择行距为005mm。
4 刀具路径检验
该软件具有可视化的加工仿真模拟功能，可以直观查看产生的刀具路径在实际情况下如何进行加工，检查过切、碰撞和加工质量等切削情况。仿真时系统将以可控的速度动态模拟完整的加工切削过程，便于编程人员检查加工过程的合理性与正确性。
5 加工程序的生成
产生完一系列刀具路径，检查确定无误之后，需要将这些刀具路径按其在CNC机床中的加工顺序排列，然后通过PowerMILL提供的后处理模块经自动处理后即可快速地产生机床NC代码文件。
精加工程序清单如下：
6 结语
对复杂曲面的数控加工，PowerMILL提供了丰富的加工策略，具有计算速度快，绝对安全的防护措施，强大的后编辑功能，是一款非常适合复杂曲面制造的CAM软件。在应用CAD/CAM软件过程中，优化的数学模型将大大简化加工程序，并且可以实现精确加工。合理的加工方案和切削参数对于最终加工出高质量、高精度的制品同样起着关键的作用，为此，数控编程人员不仅要熟练地应用CAD/CAM软件，而且要有深厚的数学功底和丰富的实际加工经验。
(审核编辑: 智汇胡妮)
