0 引言

    曲軸是活塞式發動機的主要零件之一，用來將活塞的往復運動轉變為旋轉運動。目前發動機的曲軸幾乎全是整體式的，只有個別轉速較低的柴油機采用組合式曲軸。圖1為整體式的三拐曲軸（偏心軸），材料為球墨鑄鐵QT600-2，采用傳統加工工藝涉及車、銑、磨等機床，工序分散。現代車銑復合設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不變，加工的精度更容易獲得保證，同時大大縮短了生產過程鏈。車銑復合機床的發展，也對CAM軟件提出了更多的要求。復雜的車銑復合設備用傳統的手工編程是很難實現的，并且效率很低，很多傳統的以銑削為發展方向的CAM軟件也無法完成此類型的編程，而EdgeCAM軟件順應機床的發展形勢，支持多主軸、多刀塔的車銑復合設備。

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120°均布，屬于偏心軸，結構細長多曲拐，剛性差。曲軸的主要技術要求為主軸頸、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～IT10。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臺機床聯合完成，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，而且定位基準不統一。改用EdgeCAM環境下的車銑復合加工，以兩個主軸頸為整個加工過程的定位基準，摒棄了傳統工藝中的劃線環節(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，提高了生產效率。

    圖1 三拐曲軸的零件圖

    1.2 編制程序的前期準備

    根據三拐曲軸的零件圖，在SolidWorks環境下分別建立工件與毛坯的三維模型。由于EdgeCAM支持多種實體文件共存于同一個操作環境，甚至可以將不同格式的實體文件同時打開，將其中任意實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，然后再導入毛坯實體，按工具欄上設定為stock類型。此外，EdgeCAM和SolidWorks之間存在幾何協同性，一旦零件幾何形狀發生變化，刀路軌跡會自動地更新，反映新生成的幾何形狀，可以在產品設計或加工仿真過程中很方便地對產品模型進行完善。曲軸的主加工環境為車削，因此在選項菜單下設置為ZX環境，EdgeCAM會默認Z軸為回轉軸，使工件和毛坯的主軸頸軸線與Z軸重合，完成工件加工坐標系統的設定。

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下的車銑復合加工工序，定位基準為主軸頸。

    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。采用車銑復合加工，整個加工過程的回轉軸都是兩處的主軸頸的中心線。本可舍棄工藝搭子（在傳統的加工工藝中，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，循環利用，不會成為廢品，既不浪費材料，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。但是現代高速切削加工比磨削更經濟方便，并且加工質量可以和磨削媲美。實驗數據表明，經過高速銑削表面粗糙度可達到Ra=0.33μm，甚至低于普通磨削。因此在EdgeCAM車銑復合加工中，以高速車、銑來代替磨削。加工鑄鐵常規的切削速度10～350m/min，而高速加工的切削提高到750～4500m/min。改進的工藝路線改為：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具體見表1。

    表1 工序表

2 加工仿真

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

    圖2 三拐曲軸車銑加工的實體仿真過程

3 結束語

    本文主要針對三拐曲軸的傳統工藝方案進行改進。在EdgeCAM環境下用車銑復合加工，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生碰撞，提高了生產效率，為實際應用帶來很大方便。