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基于PowerMILL的汽车发动机等速圆柱凸轮曲面的数控加工
2012-11-5  来源:  作者:任立军,韩伟,魏志强,高志一

      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,刀具轨迹计算速度快,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

 

      图1所示为等速圆柱凸轮曲线,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0~36;然后进入等速运动阶段,等速区间为36~1764;接着再进入正弦运动曲线,过渡区间为1764~180。回程曲线规律则对称安排。

 

1

 

      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。如果为展开角,t为展开度,则:t=/180。

 

2

 

      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201mm,外圆直径为200mm,内孔直径为40mm,键槽均已完成加工,有关工艺安排为:1)3D模型的建立。用UG软件构建汽车发动机等速圆柱凸轮的3D模型,如图3所示。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25mm键槽铣刀,半精加工选用直径为30mm球头铣刀,精加工选用直径为18mm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

 

       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,粗加工参数设置如图4所示。

 

4

 

      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01mm,加工余量为05mm。

 

      3.3精加工工序

 

      精加工是实现等速圆柱凸轮加工最关键的一步。加工完毕后仅留01mm的油石打磨余量。表面要求没有明显刀痕,Ra32m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9mm;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05mm,公差为01mm,精加工刀具路径界面如图5所示。

 

5

 

      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。图6为刀具路径检验仿真图。

 

6

 

      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:

  

             7

 

      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。

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