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      凸輪活塞式汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是一種具有良好發(fā)展前景的新型內(nèi)燃機(jī),通過活塞-凸輪機(jī)構(gòu),可以把活塞的往復(fù)移動(dòng)轉(zhuǎn)化為凸輪的等速轉(zhuǎn)動(dòng)。其中,等速圓柱凸輪是凸輪活塞式汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零件。長期以來,等速圓柱凸輪曲面輪廓的制造采用劃線的方法,在毛坯上通過樣板劃線,然后進(jìn)行找正加工。這種方法加工精度低,加工周期長,難以滿足實(shí)用要求。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,尤其是自動(dòng)編程技術(shù)的應(yīng)用,復(fù)雜曲面的加工逐步得到解決。對于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等速圓柱凸輪,筆者采用PowerMILL軟件進(jìn)行自動(dòng)編程加工,取得了良好的效果。

      PowerMILL軟件是英國DELCAM公司開發(fā)的一款獨(dú)立的3D加工軟件,它可以由輸入的模型快速產(chǎn)生無過切的刀具路徑,提供了從粗加工到精加工的全部選項(xiàng),加工策略豐富,專業(yè)性強(qiáng),自動(dòng)化程度高,刀具軌跡計(jì)算速度快,對生成的加工軌跡可以進(jìn)行仿真校驗(yàn),確保自動(dòng)編制程度準(zhǔn)確無誤。特別適合等速圓柱凸輪的曲面輪廓加工。

      1     等速圓柱凸輪曲線數(shù)學(xué)模型的建立

      圖1所示為等速圓柱凸輪曲線,圓柱凸輪的主要技術(shù)參數(shù)要求推程和回程均為等速運(yùn)動(dòng),為了減少剛性沖擊和柔性沖擊,過渡曲線采用正弦運(yùn)動(dòng)曲線,以適應(yīng)高速輕載場合。圓柱凸輪最大外圓半徑r為100mm,推桿升程為90mm。推程先為正弦運(yùn)動(dòng)曲線,過渡區(qū)間為0~36;然后進(jìn)入等速運(yùn)動(dòng)階段,等速區(qū)間為36~1764;接著再進(jìn)入正弦運(yùn)動(dòng)曲線,過渡區(qū)間為1764~180。回程曲線規(guī)律則對稱安排。

      按照外徑將凸輪輪廓自與X軸正半軸交點(diǎn)位置逆時(shí)針展開,如圖2所示。如果為展開角,t為展開度,則:t=/180。

      2     數(shù)控加工的工藝安排

      汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等速圓柱凸輪材料選用40Cr,毛坯尺寸為201mm,外圓直徑為200mm,內(nèi)孔直徑為40mm,鍵槽均已完成加工,有關(guān)工藝安排為:1)3D模型的建立。用UG軟件構(gòu)建汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等速圓柱凸輪的3D模型,如圖3所示。2)加工坐標(biāo)系的確定。以毛坯下表面圓心為坐標(biāo)系原點(diǎn)建立工件坐標(biāo)系。3)數(shù)控加工工序的安排。加工工序一般可分為:局部粗加工預(yù)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)刀具的選擇。按照適用、經(jīng)濟(jì)和安全的原則,對應(yīng)不同加工工序,各選一把銑刀。粗加工選用直徑為25mm鍵槽銑刀,半精加工選用直徑為30mm球頭銑刀,精加工選用直徑為18mm的球頭精銑刀。5)工件的定位與夾緊。由于研制階段該件為單件小批生產(chǎn),故以外圓柱表面和鍵槽側(cè)面作為定位基準(zhǔn)面,采用三爪卡盤自定心夾緊。繞Z軸旋轉(zhuǎn)自由度,采用直接找正法測量鍵槽側(cè)面。

       3  不同加工工序中加工策略選擇及參數(shù)設(shè)置

      3.1粗加工工序

      粗加工主要任務(wù)是切除加工表面上的大部分余量,使毛坯的形狀和尺寸盡量接近成品。加工精度要求不高,切削用量、切削力較大。加工策略使用最佳等高、三維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,粗加工參數(shù)設(shè)置如圖4所示。

      3.2半精加工工序

      半精加工介于粗加工和精加工之間,目的是為凸輪輪廓曲面的精加工做好必要的精度和余量準(zhǔn)備,便于精加工時(shí)采用較小的切削量和較高的切削速度。加工策略使用最佳等高、三維偏置或平行加工方式。本例中半精加工采用最佳等高策略。選擇行距為1mm,公差為01mm,加工余量為05mm。

      3.3精加工工序

      精加工是實(shí)現(xiàn)等速圓柱凸輪加工最關(guān)鍵的一步。加工完畢后僅留01mm的油石打磨余量。表面要求沒有明顯刀痕,Ra32m以下。編程思路要求密化走刀軌跡,刀軌要盡可能光順,采用平行加工策略,選擇刀具直徑為9mm;主軸切削轉(zhuǎn)速要求高,選擇轉(zhuǎn)速為3000r/min;進(jìn)給速度要求小,選擇其值為150mm/min;選擇行距為05mm,公差為01mm,精加工刀具路徑界面如圖5所示。

      4     刀具路徑檢驗(yàn)

      該軟件具有可視化的加工仿真模擬功能,可以直觀查看產(chǎn)生的刀具路徑在實(shí)際情況下如何進(jìn)行加工,檢查過切、碰撞和加工質(zhì)量等切削情況。仿真時(shí)系統(tǒng)將以可控的速度動(dòng)態(tài)模擬完整的加工切削過程,便于編程人員檢查加工過程的合理性與正確性。圖6為刀具路徑檢驗(yàn)仿真圖。

      5     加工程序的生成

      產(chǎn)生完一系列刀具路徑,檢查確定無誤之后,需要將這些刀具路徑按其在CNC機(jī)床中的加工順序排列,然后通過PowerMILL提供的后處理模塊經(jīng)自動(dòng)處理后即可快速地產(chǎn)生機(jī)床NC代碼文件。

      精加工程序清單如下:

      6    結(jié)語

      對復(fù)雜曲面的數(shù)控加工,PowerMILL提供了豐富的加工策略,具有計(jì)算速度快,絕對安全的防護(hù)措施,強(qiáng)大的后編輯功能,是一款非常適合復(fù)雜曲面制造的CAM軟件。在應(yīng)用CAD/CAM軟件過程中,優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型將大大簡化加工程序,并且可以實(shí)現(xiàn)精確加工。合理的加工方案和切削參數(shù)對于最終加工出高質(zhì)量、高精度的制品同樣起著關(guān)鍵的作用,為此,數(shù)控編程人員不僅要熟練地應(yīng)用CAD/CAM軟件,而且要有深厚的數(shù)學(xué)功底和豐富的實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)。