EdgeCAM下三拐曲轴的车铣复合加工

0 引言

    曲轴是活塞式发动机的主要零件之一，用来将活塞的往复运动转变为旋转运动。目前发动机的曲轴几乎全是整体式的，只有个别转速较低的柴油机采用组合式曲轴。图1为整体式的三拐曲轴（偏心轴），材料为球墨铸铁QT600-2，采用传统加工工艺涉及车、铣、磨等机床，工序分散。现代车铣复合设备提高了工艺的有效性，由于零件在整个加工过程中的定位基准不变，加工的精度更容易获得保证，同时大大缩短了生产过程链。车铣复合机床的发展，也对CAM软件提出了更多的要求。复杂的车铣复合设备用传统的手工编程是很难实现的，并且效率很低，很多传统的以铣削为发展方向的CAM软件也无法完成此类型的编程，而EdgeCAM软件顺应机床的发展形势，支持多主轴、多刀塔的车铣复合设备。

1 加工

    1.1 图样分析

    如图1所示，曲轴由主铀颈、连杆轴颈、主铀颈与连杆轴颈之间的连接板组成，3个连杆轴颈呈现120°均布，属于偏心轴，结构细长多曲拐，刚性差。曲轴的主要技术要求为主轴颈、连杆轴颈尺寸公差等级为IT6，表面粗糙度Ra值为1.25～0.63μm。轴颈长度公差等级为IT9～IT10。轴颈的圆度、圆柱度控制在尺寸公差之半。主轴颈与连杆轴颈的平行度为0.015mm；曲轴各主轴颈的同轴度为φ0.015．各连杆轴颈的位置度不大于±20＇。若采用传统的加工工艺，则由铣床X52、普通车床CA6140和万能外圆磨床M1432A 3台机床联合完成，3个连杆轴颈的加工，需要专用的偏心夹具，整个加工过程中多次装夹，而且定位基准不统一。改用EdgeCAM环境下的车铣复合加工，以两个主轴颈为整个加工过程的定位基准，摒弃了传统工艺中的划线环节(划线精度一般为0.25～0.5mm)，可以避免工件多次拆装，减少中间辅助工序——检验的安排，不仅得到很高的位置精度，而且使加工时间大大缩短，提高了生产效率。

    图1 三拐曲轴的零件图

    1.2 编制程序的前期准备

    根据三拐曲轴的零件图，在SolidWorks环境下分别建立工件与毛坯的三维模型。由于EdgeCAM支持多种实体文件共存于同一个操作环境，甚至可以将不同格式的实体文件同时打开，将其中任意实体指定为被加工零件、夹具和毛坯，因此可以在EdgeCAM中先打开工件的模型，然后再导入毛坯实体，按工具栏上设定为stock类型。此外，EdgeCAM和SolidWorks之间存在几何协同性，一旦零件几何形状发生变化，刀路轨迹会自动地更新，反映新生成的几何形状，可以在产品设计或加工仿真过程中很方便地对产品模型进行完善。曲轴的主加工环境为车削，因此在选项菜单下设置为ZX环境，EdgeCAM会默认Z轴为回转轴，使工件和毛坯的主轴颈轴线与Z轴重合，完成工件加工坐标系统的设定。

1.3 工序的安排

    表1为三拐曲轴整个加工过程的工序表，其中工序3～7是EdgeCAM下的车铣复合加工工序，定位基准为主轴颈。

    毛坯通过铸造获得，对曲轴来说，以铸代锻容易把曲轴做成在应力分布方面较为理想的形状；此外，铸铁曲轴的耐磨性也较好，经正火处理的球墨铸铁曲轴配巴氏合金轴瓦已不需要将轴颈淬硬，而且铸件的内摩擦阻尼比钢大，在同样的激振力矩下扭振振幅较小。采用车铣复合加工，整个加工过程的回转轴都是两处的主轴颈的中心线。本可舍弃工艺搭子（在传统的加工工艺中，用来划线找正3个连杆轴颈的中心），只需在两端面留5mm的余量供机加工即可，但是为了不影响前道铸造工序，仍保留了工艺搭子；待整个加工完成后将切下的工艺搭子熔化后再去铸造，循环利用，不会成为废品，既不浪费材料，又保持原先的铸造工艺不变。

    该零件刚性较差，按先粗后精的原则安排加工顺序，逐步提高加工精度。对于主轴颈与连杆轴颈的加工顺序是：先加工3个连杆轴颈，然后再加工主轴颈及其他各处的外圆，这样可以避免一开始就降低工件刚度，减少受力变形，有利于提高曲轴加工精度。在传统的加工工艺中，各处外圆（包括连杆轴颈）的工艺路线是：粗车——精车——磨，粗车各外圆面留余量2mm，精车时留0.5mm磨削余量，磨削后各外圆面达到图纸尺寸，最后安排的磨削作为精整加工用来提高零件表面的精度、降低粗糙度。但是现代高速切削加工比磨削更经济方便，并且加工质量可以和磨削媲美。实验数据表明，经过高速铣削表面粗糙度可达到Ra=0.33μm，甚至低于普通磨削。因此在EdgeCAM车铣复合加工中，以高速车、铣来代替磨削。加工铸铁常规的切削速度10～350m/min，而高速加工的切削提高到750～4500m/min。改进的工艺路线改为：3个连杆轴颈先粗铣后精铣（四轴X，Y，Z和C联动），其余外圆表面先粗车，后精车(EdgeCAM没有特定半精加工命令，不过提供了残料去除命令，目的是为了切除前道工序由于刀具尺寸太大而无法加工到的死角)。另外，高速加工铸铁时，切削液的使用不仅不能提高加工表面质量，反而会大大降低刀具的使用寿命，因此对铸铁的高速加工采用干切削。刀具的材料和加工工艺参数具体见表1。

    表1 工序表

2 加工仿真

    EdgeCAM除了具有强大的加工能力，而且提供非凡的模拟加工手段，实体仿真能够真实地再现整个加工过程；可以加入机床和夹具的仿真，更好地检测加工时的干涉，仿真启动后同时输出当时加工工序的信息反馈。为了方便查错，可以设置仿真在程序末尾或干涉处结束，这样就可以根据反馈的信息回到编程窗口修改该工序的参数。图2为仿真过程。

    图2 三拐曲轴车铣加工的实体仿真过程

3 结束语

    本文主要针对三拐曲轴的传统工艺方案进行改进。在EdgeCAM环境下用车铣复合加工，使工序更加集中，避免了零件的多次拆装从而获得更高的位置精度；通过实体加工仿真，可以检查刀具、工件和夹具在加工过程中是否发生碰撞，提高了生产效率，为实际应用带来很大方便。