文|聶申成 資陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司曲軸事業(yè)部
目前,國(guó)內(nèi)曲軸加工軸頸油孔R(shí)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(lái)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
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(guò)x/y/z3軸聯(lián)動(dòng)分層銑削,通過(guò)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
根據(jù)上述分析銑削曲軸軸頸油孔R(shí)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(shí)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(guò)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(jiǎn)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(guò)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(duì)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??刂葡到y(tǒng)通過(guò)編程對(duì)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)。
下面以某種曲軸主軸頸油孔R(shí)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(shí)結(jié)構(gòu)圖。
圖8 主軸頸油孔R(shí)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?cè)O(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(duì)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(duì)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(guò)在主程序中賦值,應(yīng)用到各種相似輪廓加工中。
依據(jù)編制的軸頸油孔R(shí)的銑削子程序,我們對(duì)某種曲軸主軸頸和連桿頸的油孔R(shí)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(duì)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(duì)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。
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(duì)曲軸油孔R(shí)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(duì)曲面油孔的加工有較大的意義。