2017毕业论文-曲轴的数控加工技术研究.doc

郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 摘要 I 论文题目：曲轴的数控加工技术研究论文题目：曲轴的数控加工技术研究 班 级： 学号： 作 者： 签名： 指导教师：韩光平（副教授） 签名： （副教授） 摘 要 本文主要分析曲轴的数控加工技术。其中，智能化的数控技术是机械 工业发展的重要方向之一。曲轴是汽车、拖拉机等发动机中最重要而且是 承受负荷最复杂的零件，它的数控加工质量在很大程度上影响了发动机 的技术性能和寿命。鉴于曲轴的复杂性和重要性，对曲轴的数控加工技术 的研究显得犹为重要。应用数控加工技术可以提高加工精度；使加工对象 适应性强；有效控制加工时间；减轻劳动者的劳动强度；减少操作误差；有 利于生产管理的自动化。因此曲轴的数控加工技术的研究具有一定的理 论意义和实际价值。本文分析了国内外曲轴的数控加工研究现状，阐述了 内燃机曲轴数控加工技术的发展趋势。本文通过对曲轴的数控加工技术、 结构特征和加工特征、加工技术、NC 加工实现、CAD/CAM 集成技术进 行简单分析和研究，以期得出适合我国内燃机曲轴制造的一种方案，推动 我国内燃机行业的持续发展。 关键词 曲轴；数控加工；CAD/CAM；智能化 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 ABSTRACT II SUBJECT：STUDY ON NUMERICAL CONTROL PROCESSING TECHOLOGY OF THE CRANK-SHAFT CLASS: 0606961 STUDENT ID: 060696142 AUTHOR: ZHANG Yuanyuan SIGNATURE: TEACHER: HAN Guangping(vice prof.) SIGNATURE: (vice prof.) ABSTRACT In this paper, the numerical control processing technology of crank-shaft is introduced. Intellectualized numerical control technology is one of the important developing directions for the mechanical industry. The crank-shaft is the most important part that has very complex loading conditions in the engines of cars and tractors, and its numerical control processing quality has a great effect on the engines technical characteristics and life. In view of the complexity and the importance of the crank-shaft, research on the numerical control processing technology of crank-shaft becomes particularly important. The use of NC technology may increase the working accuracy; improve the processing objects applicability; control process period availably; reduce workers labor intensity; decrease operation error; be beneficial to the automation of production management. Therefore research of shaft-cranks NC processing technology has certain theoretical meaning and the practical 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 ABSTRACT III value. In this paper, the research status of crank-shafts NC processing technology is analysed at home and broad, and the NC processing technologys developing trend of internal combustion engines crank-shaft is described. Based on the simple analysis of the crank-shafts NC processing technology, structural features and processing features, processing technology, NC processings realization, the integration technology of CAD/CAM, we look forward to get a plan which is fit for China to promote Chinas internal combustion engine industry. KEY WORDS Crank-shaft; numerical control processing; CAD/CAM; intelligentize 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 目录 IV 目目 录录 摘摘 要要 .I ABSTRACTII 目目 录录 IV 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 曲轴的简介1 1.2 曲轴的数控加工技术在国内外的研究现状4 1.3 本论文的研究意义及主要工作6 1.3.1 本论文的研究意义6 1.3.2 本论文主要进行工作6 第二章第二章 曲曲轴轴的的 CAD/CAM 集成集成8 2.1 CAD/CAM 技术应用状况 8 2.3 CAD/CAM 集成系统 9 2.4 曲轴的 CAD/CAM 集成.11 2.4.1 曲轴的参数化特征建模模块12 2.4.2 主轴颈、连杆轴颈、前轴端、法兰端的造型13 2.4.3 曲柄的造型14 2.5 小结15 第三章第三章 曲曲轴轴的数控加工技的数控加工技术术.16 3.1 曲轴的特征分析16 3.1.1 曲轴的结构特征分析16 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 目录 V 3.1.2 曲轴加工特征分析17 3.2 曲轴加工技术及其特点17 3.2.1 曲轴车削技术17 3.2.2 曲轴铣削技术18 3.2.3 曲轴车拉技术19 3.2.4 车车拉曲轴加工技术20 3.3 曲轴 NC 加工实现 20 3.3.1 NC 加工操作流程 .20 3.3.2 曲轴零件 CAM 的实现.21 3.3.3 装配方式下制造模型建立22 3.3.4 建立加工数据库23 3.3.5 刀具路径演示和加工仿真23 3.3.6 后置处理24 3.4 小结25 第四章第四章 结论结论.26 致致 谢谢.27 参考文献参考文献.28 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 第一章绪论 1 第一章 绪论 本章主要介绍曲轴的数控加工技术在国内外的发展状况，以及曲轴 的 CAD/CAM 集成技术在国内外的发展，阐述了本课题研究的内容及意 义。 1.1 曲轴的简介 曲轴是内燃机中承受冲击载荷传递动力的关键零件。内燃机是动力 机械的心脏，曲轴则是内燃机的脊梁，同时也是在内燃机 5 大件(机体、缸 盖、曲轴、连杆、凸轮轴)中最难以保证加工质量的零件。曲轴将活塞的往 复运动转换为旋转运动，并向外输出全部功率。由于工作过程中受到周期 性不断变化的气体力、往复运动质量惯性力、旋转与动离心惯性力等复杂 交变载荷，产生扭转和横向与纵向振动，承受拉、压、弯曲等载荷，因此曲 轴必须具有足够的强度、刚性、韧性和耐磨性。曲轴一般用中碳钢或中碳 合金钢模锻而成。为提高耐磨性和耐疲劳强度，轴颈表面经高频淬火或氮 化处理，并经精磨加工，以达到较高的表面硬度和表面粗糙度的要求。它 与连杆配合将作用在活塞上的气体压力变为旋转的动力，传给底盘的传 动机构。同时，驱动配气机构和其它辅助装置，如风扇、水泵、发电机等。 曲轴的损坏形式主要是疲劳断裂和轴颈严重磨损。由于曲轴工况条 件恶劣,因此对曲轴的材质、毛坯加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和 表面强化、动平衡等要求都十分严格。其中任何一个环节的质量对曲轴的 寿命和整机的可靠性都具有很大的影响。工作时，曲轴承受气体压力，惯 性力及惯性力矩的作用，受力大而且受力复杂，并且承受交变负荷的冲击 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 第一章绪论 2 作用。同时，曲轴又是高速旋转件，因此，要求曲轴具有足够的刚度和强 度，具有良好的承受冲击载荷的能力，耐磨损且润滑良好。 图 1.1 曲轴零件图 曲轴一般由主轴颈，连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成。一 个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐，曲轴的曲拐数目等 于气缸数(直列式发动机)；V 型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。 主轴颈是曲轴的支承部分，通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座中。 主轴承的数目不仅与发动机气缸数目有关，还取决于曲轴的支承方式。曲 轴的支承方式一般有两种，一种是全支承曲轴，另一种是非全支承曲轴。 全支承曲轴：曲轴的主轴颈数比气缸数目多一个，即每一个连杆轴颈 两边都有一个主轴颈。如六缸发动机全支承曲轴有七个主轴颈。四缸发动 机全支承曲轴有五个主轴颈。这种支承，曲轴的强度和刚度都比较好，并 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 第一章绪论 3 且减轻了主轴承载荷，减小了磨损。柴油机和大部分汽油机多采用这种形 式。 非全支承曲轴：曲轴的主轴颈数比气缸数目少或与气缸数目相等。这 种支承方式叫非全支承曲轴，虽然这种支承的主轴承载荷较大，但缩短了 曲轴的总长度，使发动机的总体长度有所减小。有些汽油机，承受载荷较 小可以采用这种曲轴型式。 曲轴的连杆轴颈是曲轴与连杆的连接部分，通过曲柄与主轴颈相连， 在连接处用圆弧过渡，以减少应力集中。直列发动机的连杆轴颈数目和气 缸数相等。V 型发动机的连杆轴颈数等于气缸数的一半。 曲柄是主轴颈和连杆轴颈的连接部分，断面为椭圆形，为了平衡惯性 力，曲柄处铸有(或紧固有)平衡重块。平衡重块用来平衡发动机不平衡的 离心力矩，有时还用来平衡一部分往复惯性力，从而使曲轴旋转平稳。 曲轴前端装有正时齿轮，驱动风扇和水泵的皮带轮以及起动爪等。为 了防止机油沿曲轴轴颈外漏，在曲轴前端装有一个甩油盘，在齿轮室盖上 装有油封。曲轴的后端用来安装飞轮，在后轴颈与飞轮凸缘之间制成档油 凸缘与回油螺纹，以阻止机油向后窜漏。 曲轴的形状和曲拐相对位置(即曲拐的布置)取决于气缸数、气缸排列 和发动机的发火顺序。安排多缸发动机的发火顺序应注意使连续作功的 两缸相距尽可能远，以减轻主轴承的载荷，同时避免可能发生的进气重叠 现象。作功间隔应力求均匀，也就是说发动机在完成一个工作循环的曲轴 转角内，每个气缸都应发火做功一次，而且各缸发火的间隔时间以曲轴转 角表示，称为发火间隔角。四行程发动机完成一个工作循环曲轴转两圈， 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 第一章绪论 4 其转角为 720，在曲轴转角 720 内发动机的每个气缸应该点火作功一次。 且点火间隔角是均匀的，因此四行程发动机的点火间隔角为 720/i，(i 为 气缸数目)，即曲轴每 720/i，就应有一缸作功，以保证发动机运转平稳。疲 劳断裂抗力或疲劳寿命及耐磨性，主要取决于以下几点： （1）曲轴的结构。主要取决于产品的设计问题，曲轴有组合式和整体式 之分。前者用于重型和低速发动机中，后者则用于中大功率发动机中。对 于整体结构的曲轴，球铁材质的可以制成空心的，它比实心结构的疲劳强 度(抗力)能提高 10%左右，如果适当加大曲轴连杆轴颈的过渡圆半径，还 能提高疲劳抗力 10%左右。在曲轴上合理地开卸载槽也可提高疲劳抗力。 （2）合理选择曲轴的材质使其保证材质的化学成分及组织。 （3）先进的加工技术和显著经济效果的强化工艺等。 世界各国对曲轴的加工都十分重视,不断地改进曲轴加工工艺,最大 可能地提高曲轴寿命。曲轴的质量优劣直接影响着发动机的性能和寿命， 曲轴质量与材质、机械加工、热处理和强化等都有着密切的关系。 1.2 曲轴的数控加工技术在国内外的研究现状 曲轴工件形状复杂、刚性差，磨削加工时的误差来源甚多，精度不易 保证，但其加工精度要求又很高。因此，数控设备在汽车、机械、国防等行 业中应用范围越来越广泛。数控机床的使用，圆满地解决了生产效率与灵 活性之间的矛盾，实现了自动化生产，为产品更新提供了非常方便的手段。 而数控加工技术的发展也迫在眉睫。 为了适应汽车工业尤其是轿车工业发展的需要，一些发达国家研究 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 第一章绪论 5 出了各种先进的数控设备，并将数控加工模拟应用到社会生活的各个方 面。不断将高、新、尖技术应用到农业机械上来，使农业机械向智能化方 向发展。与此同时，我国的机械工业技术也有了长足的进步，从工业发展 进程来看，智能化趋势是机械工业发展的重要方向，其中主要的原因是在 人工智能技术的高度发展及其在工业界的广泛应用。特别是随着计算机 技术的高速发展，传统的机械制造业开始了根本性变革，而数控技术又是 其中的关键技术。数控系统一改传统的、CNC 只做非智能的运动控制器 封闭式体系结构，集成化基础上，数控系统实现了超薄形、超小化型化； 在网络化基础上，CAD/CAM 与数控系统集成为一体，机床联网，实现中 央集中控制的群控式加工。 我国轿车工业起步较晚，随着生产的发展和工艺水平的提高，数控设 备在汽车、机械、国防等行业中应用范围越来越广泛。数控机床的使用， 圆满地解决了生产效率与灵活性之间的矛盾，实现了自动化生产，为产品 更新提供了非常方便的手段。国内的数控加工模拟相关技术的研究与应 用方面都比较薄弱。在内燃机的设计中，计算机作为一种辅助工具主要用 于有限元、优化设计等纯数值计算及交互式图形绘制方面，对于内燃机及 其零部件的概念设计、材料选择、几何结构设计及设计方案评价等符号运 算显得无能为力。以符号运算为特征的专家系统理论体系和实现方法正 显端倪，它为计算机技术在内燃机及其零部件的设计提供了新的、非常有 效的手段；另一方面，轴系零部件的智能化 CAD/CAM 系统软件已在国内 某厂使用了几年，大大的提高了生产率，减轻了操作工人的负担，大大提 高了产品加工精度和降低成本，并使产品向着规范化、标准化、系列化方 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 第一章绪论 6 向发展。 1.3 本论文的研究意义及主要工作 1.3.1 本论文的研究意义 在各种常用机械零件中，轴类零件的结构是多种多样的，有阶梯轴、 花键轴、光轴、齿轮轴、涡轮轴、滚珠丝杆轴等等。除光轴之外，其它的各 种轴往往同时又是阶梯轴，每个轴段的形状又是千差万别的，研究轴类零 件的数控加工技术意义明显。 曲轴在各种机械零件中，其形状和构造的复杂性及在发动机中的 重要性，对曲轴数控加工技术的研究具有一定的典型性。曲轴是汽车发 动机和其它内燃机上的关键零件，需求量大，种类众多，要求的加工精 度高。其加工精度对发动机的性能起着决定性的作用，因此曲轴的加工 质量和加工效率直接影响到汽车产品的质量和汽车工业的发展。随着 生产的发展和工艺水平的提高，数控设备在汽车、机械、国防等行业中 应用范围越来越广泛。数控机床的使用，圆满地解决了生产效率与灵活 性之间的矛盾，实现了自动化生产，为产品更新提供了非常方便的手段。 曲轴的数控加工可以大大降低产品的成本，该技术的研究有一定的理 论意义和实际应用价值。 1.3.2 本论文主要进行工作 轴系零部件数控加工技术已有一定的发展，该技术大大的提高了生 产率，减轻了操作人员的负担，大大提高产品加工精度和降低成本，并使 轴系零部件向着规范化、标准化、系列化方向发展。本课题主要进行以下 内容： 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 第一章绪论 7 1.分析国内外曲轴的数控加工研究现状； 2.数控加工技术（车削技术、铣削技术、车拉技术和车车拉技术） 的研究； 3.分析曲轴的结构特征和加工特征； 4.曲轴的 NC 加工实现； 5.曲轴的 CAD/CAM 集成。 第二章 曲轴的 CAD/CAM 集成 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 第二章曲轴的 CAD/CAM 集成 8 本章对 CAD/CAM 系统的应用现状发展趋势以及几种系统进行分 析，并对曲轴的 CAD/CAM 集成进行了简单说明。 2.1 CAD/CAM 技术应用状况 CAD/CAM(计算机辅助设计及制造)技术产生于本世纪 50 年代后期 发达国家的航空和军事工业中,随着计算机软硬件技术和计算机图形学 技术的发展而迅速成长起来。三十几年来 CAD 技术和系统有了飞速的 发展,CAD/CAM 的应用迅速普及。在工业发达国家,CAD/CAM 技术的应 用已迅速从军事工业向民用工业扩展,由大型企业向中小企业推广,由高 技术领域的应用向日用家电、轻工产品的设计和制造中普及。而且这一 技术正在从发达国家流向发展中国家。我国 CAD/CAM 技术最早应用 于航空工业,迄今为止,航空工业 90%以上的企业在不同程度地使用 CAD/CAM 技术。从 70 年代末逐步引进了大量的工程工作站、小型机、 主机、图形终端、微机等硬件,另外还引进了 CATIA、AUTO- TRAL、CALMA、UG-、I-DEAS、CADAM 等 CAD/CAE/CAM 集成系 统及应用软件;还装备了 3、4、5 坐标数控机床数控测量机、加工中心等 大型设备,在此基础上各单位还组织开发和二次开发了许多软件。在全国 各行业来说,航空工业的 CAD/CAM 应用水平是最高的。 2.2 CAD/CAM 集成的发展趋势 目前 CAD/CAM 集成的关键技术已经得到解决,今后的 CAD/CAM 集成发展特点和趋势体现在以下几点： 1.面向并行工程：CAD/CAM 集成系统应该从全局优化的角度出发, 能够对产品进行管理和控制,并对已经存在的产品设计进行改进和提高； 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 第二章曲轴的 CAD/CAM 集成 9 2.面向生产过程的多种功能的高度集成； 3.支持面向对象的工程数据库； 4.参数化设计； 5.多种工业标准数据接口和具有二次开发的能力； 6.智能化技术； 7.现代 CAD 技术。 2.3 CAD/CAM 集成系统 目前，国内外 CAD/CAM 集成系统软件种类很多，其软件功能、面 向用户的接口方式有所不同，所以编程的具体过程及编程过程中所使用 的指令也不尽相同。但从总体上讲，其编程的基本原理及基本步骤大体 上是一样的。 20 世纪 90 年代中期以后，CAD/CAM 集成系统向集成化 （integration）、智能化（intelligence）、网络化（network）、并行化 （concurrent）和虚拟化（virtual）方向迅速发展，我国的数控加工编程同时 经历了从手工编程到使用 CAD/CAM 集成系统自动编程的过程。 CAD/CAM 集成系统软件是实现数控自动编程必不可少的应用软件， 目前，在国内市场上销售比较成熟的这类软件有十几种，既有国外的也由 国内自主开发的，这些软件在功能、价格、适用范围等方面有很大差别。 下面列举一些典型的 CAD/CAM 集成系统软件： 1.UG 系统 UG 系统是美国 UGS（Unigraphics Solutions）公司推出的软件。它最 早由美国麦道航空公司研制开发，从二维绘图、数控加工编程、曲面造型 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 第二章曲轴的 CAD/CAM 集成 10 等功能发展起来。其庞大的模块群为企业提供了从产品设计、产品分析、 加工装配、检验，到过程管理、虚拟运作等全系列的技术支持。是目前市 场上数控加工编程能力最强的 CAD/CAM 集成系统之一。 2. Pro/Engineer 系统 Pro/Engineer 是美国 PTC 公司研制和开发的软件，它开创了三维 CAD/CAM 参数化的先河。该软件具有基于特征、全参数、全相关和单一 数据库的特点，可用于设计和加工复杂零件。另外，它还具有零件装配、 机构仿真、有限元分析、逆向工程、同步工程等功能。Pro/Engineer 广泛应 用于模具、工业设计、汽车、航天、玩具等行业，并在国际 CAD/CAM/CAE 市场上占有较大的份额。 3.CATIA 系统 CATIA 系统是 IBM 公司推出的产品，是最早实现曲面造型的软件， 它开创了三维设计的新时代。它的出现，首次实现了计算机完整描述产品 零件的主要信息，使 CAM 技术的开发有了现实的基础。目前，CATIA 系 统已发展成从产品设计、产品分析、加工、装配和检验，到过程管理、虚拟 运作等众多功能的大型 CAD/CAM/CAE 软件。 4.CIMATRON 系统 CIMATRON 系统是以色列 Cimatron 公司提供的 CAD/CAM 软件， 是较早在微机平台上实现三维 CAD/CAM 的全功能系统。它具有三维造 型、生成工程图、数控加工等功能，具有各种通用和专用的数据接口及产 品数据管理（PDM）功能。该软件较早在我国得到全面汉化，已积累了一 定的应用经验。 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 第二章曲轴的 CAD/CAM 集成 11 5. Master CAM Master CAM 是由美国 CNC software 公司推出的基于 PC 平台上的 CAD/CAM 软件，它具有很强的加工功能，尤其在对复杂曲面自动生成加 工代码方面，具有独到的优势。由于 Master CAM 主要针对数控加工，零 件设计造型功能不强，但对计算机硬件的要求不高，且操作灵活、易学易 用、价格较低，受到中小企业的欢迎。 6. CAXA 制造工程师 CAXA 制造工程师是由我国北航海尔软件有限公司自主研制开发的 基于微机平台，面向机械制造业的全中文三维 CAD/CAM 软件。它即具 有线框造型、曲面造型和实体造型的设计功能，较强的三维曲面拟合能力， 又具有生成 2-5 轴的加工代码的数控加工功能，可用于加工具有复杂三 维曲面的零件。其特点是易学易用，价格较低，已在国内众多企业和大专 院校得到广泛的应用。 CAD/CAM 技术是科技领域中的前沿课题之一，也是当今的尖端技 术集成化制造系统核心技术的基础。它具有高智能、高效益、知识密集、 更新速度快、综合性强等特点。近几年来，上述 CAD/CAM 系统的版本 升级速度非常快，CAD/CAM 技术的发展和应用水平已成为衡量一个国 家科技和工业现代水平的重要标志之一。 2.4 曲轴的 CAD/CAM 集成 在机械产品中，如何实现零件的 CAD/CAM 一体化集成系统是设计 者追求的目标。从工业发展进程来看，智能化趋势是机械工业发展的重 要方向。轴系零部件的智能化 CAD/CAM 系统软件已经在国内得到应用， 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 第二章曲轴的 CAD/CAM 集成 12 该软件大大的提高了生产率，减轻了操作工人的负担，大大提高产品精 度和降低成本，并使轴系零部件向着规范化、标准化、系列化方向发展， 并且提出了研制智能化 CAD/CAM 集成系统至少面临的两大难题。 曲轴 CAD/CAM 系统由特征基曲轴 CAD 模块、曲轴锻(铸)模 CAD 模块、曲轴锻(铸)模具 CAM 模块、曲轴 CAM 模块四个功能模块组成。 而在各种机械零件中，曲轴的形状和构造是比较复杂的。因此,在曲轴的 CAD/CAM 集成中，曲轴的参数化特征建模是非常重要的。 2.4.1 曲轴的参数化特征建模模块 从零件的完整性来看,特征可分为形状特征、精度特征、材料特征、 技术特征和管理特征。各项特征的功能如下： 1）形状特征用于描述具有一定工程意义的功能几何形状信息，分为 主特征和辅特征。主特征用于构造零件的主体形状结构。辅特征用于对 主特征的修饰，它附加于主特征之上，也可附加于另一辅特征之上。形状 特征是产品设计、制造人员考虑问题的焦点，也是其他信息的载体。 2）精度特征用于描述零件的尺寸公差、形位公差和粗糙度公差等信 息，尺寸与公差特征是联系设计与制造的重要属性，在特征设计中，对尺 寸与公差特征进行分析，并直接对零件信息模型建立尺寸与公差特征， 可以清楚地表示形状特征的非几何属性以及形状特征之间的相互关系。 3）材料特征用于描述零件材料的种类代号、性能、热处理方法，表面 处理方式等信息。 4）技术特征用于描述零件的性能、功能等信息。 5）管理特征用于描述零件的管理特征，如零件名称、设计者、设计日 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 第二章曲轴的 CAD/CAM 集成 13 期、数量、图号、版本等信息。零件的几何拓扑信息是基础。特征层是核 心，特征层中各种特征子模型之间的相互联系反映了特征间的语义关系， 使特征成为构造零件的基本单元具有高层次的工程含义，从而支持 CAPP、NC 编程，加工仿真对零件数据的需求。 系统中根据实际表达的需要,将技术特征和精度特征合并为工艺信 息特征来表示;而管理特征和材料特征归属于管理信息模型。形状特征由 曲轴前端、主轴颈、连杆轴颈、曲柄臂和法兰端构成。并为此设计了前端 模块(三种)、主轴颈模块、连杆轴颈模块、曲柄臂模块和后法兰端(两种) 模块,这些程序模块可以相互交叉衔接,任意组合,从而生成形状各异的任 意缸数、曲柄布置各异的曲轴工程图,满足不同用户的设计要求。另外,系 统设置开放接口以增强系统的适应性和可扩充性,供用户向特征库添加 用户自定义特征。系统在选择相应的特征后,系统弹出所对应的特征样图 窗口,并以特征库将该特征的几何及非几何属性参数项列出,供用户交互 输入;在特征定位后弹出零件特征构成示意图,供用户判别零件模型的正 确性。 2.4.2 主轴颈、连杆轴颈、前轴端、法兰端的造型 对主轴颈、法兰端、连杆轴颈和前端等回转体,由于其特征完全取决 于形状参数,如主轴颈形状由直径和长度决定。因此,系统对这些特征采 用强调过程的图形参数化方式。其具体实现方法把它们看作为二维轮廓 曲线经旋转一周而形成的旋转描述体。特征库中的参数化图形定义的只 是一个设计原形,在给定参数后才能生成相应的图形。因此具有较大的可 变异性,开发较为方便。图 3 为曲轴前端设计用户输入界面图。 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 第二章曲轴的 CAD/CAM 集成 14 2.4.3 曲柄的造型 对于曲柄总结其轮廓形状有以下特点: (1)曲柄轮廓线条中存在多个 圆弧和多条直线相切的任意组合,即其拓扑关系是不确定的; (2)大部分线 条都是由弧弧相切及弧线相切而成; (3)基本线素只有直线、圆弧(为了模 具加工和计算的方便)。因为曲柄臂形状在很大程度上取决于截面轮廓与 产生方法,其拓扑关系是不确定的。针对这一特点,采用两种方法对曲柄 参数化进行造型。对于常用的性能较好的曲柄形状在系统中可以采用从 修改尺寸参数来达到完全参数化辅助设计的目的，但是这种图形参数化 方法要通过编程手段实现,对已编模块修改困难,不具备柔性,对于类比设 计或创新设计显然不是很适用。因此,系统中特制用户自定义模块,提出 一种基于二维组合图素的参数化处理方法。这种方法把二维轮廓看成如 图 2.1 所示类型的参数化组合图素与单一确定的直线、圆弧组成。采用 参数化方法设计出其轮廓形状后,应用系统的三维实体处理功能进行扫 描拉伸,而形成曲柄的三维实体图形。最后再根据具体曲轴结构特征对其 采用布尔交、并、差进行结构细化修补。基于二维组合图素的参数化描述 方法的基本思想是把轮廓图形看成由组合图素通过相邻组合图素之间联 接关系而形成。 其中联接关系是对两参数化组合图素之间共用的基本图素上的一个 交点或切点而言,该点是前一参数化组合图素的末端点,它在后来描述的 参数化组合图素中所处位置(左端或右端垂直情况是下端或上端)决定了 后一参数化组合图素的放置形式。 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 第二章曲轴的 CAD/CAM 集成 15 参 数 化 组 合 图 素 两直线相交（LL） 直线与圆弧交、切（LC） 圆弧与圆弧交、切（CC） 圆弧间公切线（CLC） 两直线间圆弧过渡（LCL） 三圆弧相切（CCC） 直线、圆弧间圆弧过渡（LCC） 图 2.1 参数化组合图素的分类 2.5 小结 CAD/CAM 的集成系统有很多，每种系统都有其特点。本章简要介 绍了几种集成系统以及曲轴的 CAD/CAM 集成，并分析了曲轴参数化特 征。 第三章 曲轴的数控加工技术 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 第三章曲轴的数控加工技术 16 在竞争激烈的现代社会，制造业面临的挑战日益增大，依靠单纯的 手工操作，已经无法满足小批量、高精度、高复杂性的任务。数控加工 （Numerical Control）技术自诞生以来，在加工制造业中显示出强大的生 命力和广阔的应用前景。应用数控加工技术，有如下特点：有效控制加工 时间；减轻劳动者的劳动强度，减少操作误差；有利于生产管理的自动化。 3.1 曲轴的特征分析 3.1.1 曲轴的结构特征分析 曲轴的作用是把活塞的往复运动转化为旋转运动，输出发动机的功 率。曲轴上密布着大量的加工特征，有车、磨、铣、钻、攻、镗等，加工工 序上有淬火、回火及滚压、交直等相关步骤、曲轴按功能分为五大块：自 由端、主轴颈、连杆颈、扇板、发信轮，曲轴一般由铸铁、锻造碳钢和球墨 铸铁制成，并经机械加工，有较好的强度和刚度，同时要避免产生弯曲或 者其它变形。曲轴上对机械加工要求较高的部分有两处： 主轴颈：为了保证曲轴始终工作在统一轴线上，并且在主轴承上 转动灵活，摩擦应尽可能地小，所以对主轴颈要求较高。主轴颈上的油道 孔，从连杆颈到主轴颈，用来润滑主轴颈和主轴承，减少它们之间的摩擦， 提高发动机的效率，但也增加了机械的复杂度。 连杆颈：它的主要作用是连接连杆。由于连杆颈处载荷较大，故要 求强度和刚度较高。为了减少摩擦，其上也有油孔道。 3.1.2 曲轴加工特征分析 通过对曲轴特征分析，曲轴加工特征之间存在着以下几种联系； 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 第三章曲轴的数控加工技术 17 从属关系：分为两种，一种是不同种类的特征之间的先后关系，例 如，先加工面类零件，后加工孔类零件；另一种是相同种类的特征之间的 先后关系，例如，在某个孔特征加工过程中，先钻孔后铰孔； 联系关系：反映同一形状的特征之间只有相互位置关系，而没有 先后、主从之分，例如，直列的 4 个气缸孔之间； 基准关系：描述在机械加工中各特征的加工基准，例如，先加工定 位孔，其它特征的位置由定位孔作为基准来确定； 包含关系:主要是指毛坯和加工特征之间的关系。 根据发动机曲轴的结构和加工特点，并以 Pro/Engineer 的造型方法 为依据，将制造特征分为：A：孔类；B：面类，包括：a:平面特征；b:圆柱面 特征；C:槽类；（见表 3.1） 表 3.1 曲轴典型的制造特征表 特征类型加工位置加工类型 面类：圆柱面 平面 发信轮台阶，轴头 轴头平面 曲轴的两端面 第一、第八扇板外端 第一主轴颈外端 车 精磨 铣 车 车 孔类质量中心孔 油道孔 滚针轴承孔 螺纹孔 钻 镗 铣 槽类第一至第五主轴颈及退刀槽 第一至第四连杆颈及退刀槽 键槽 车 车 铣 3.2 曲轴加工技术及其特点 3.2.1 曲轴车削技术 曲轴主轴颈和连杆颈加工的传统工艺方法是车削加工。主轴颈和连 杆颈的车削，分别是在不同结构的曲轴车床上进行加工，这种曲轴加工 技术目前在世界发达国家和地区正逐步淘汰，但在我国仍在曲轴加工行 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 第三章曲轴的数控加工技术 18 业中占主导地位，选用的设备大多是多刀半自动曲轴车床。曲轴轴颈的 车削技术，可有效地进行曲轴轴颈的加工技术。但这种加工工艺存在明 显不足：采用低速、宽刃、大走刀量方法对轴颈进行加工，在加工过程 中，曲轴承受较大的切削力，使工件弯曲，直接影响了曲轴加工精度，甚 至影响曲轴的可靠性，降低其使用寿命。曲轴车床通用性低，加工主轴 颈和连杆轴颈设备不可互换，因而曲轴加工线技术经济性不好。曲轴 车削的柔性较差，特别是靠模式曲轴车场只适用于加工单一品种的曲轴。 由于所采用成形车刀的材料为高速钢，刀具寿命低，频繁换刀，机床的 利用率低，加工自动化程度低，受人为影响大，曲轴加工精度波动大。 3.2.2 曲轴铣削技术 在上世纪 50 年代，奥地利 G.F.M 公司首先研制成外刃式曲轴铣床， 它改进了传统的曲轴车削轴颈方法。60 年代，德国在外刃式曲轴铣床的 基础上研制出内刃式曲轴铣床，使得曲轴加工效率和质量都有较大提高， 我国的曲轴铣削加工也较为普及。曲轴铣削技术比车削有了明显的提高。 主要有以下几方面的特点：铣削加工克服了车削中工件承受较大的切 削力，易产生弯曲和扭曲变形的不足，它采用的是窄刀、小走刀量方式， 实现了小切削截面，小切削力的高效切削。由于铣削工件一般是低速 转动，离心作用影响小，加上切削力小，加工精度高于车削。铣削用机 夹不重磨式合金刀头，刀具寿命长。内铣除了以上优点外，还具有比外铣 更多的优点：稳定性比外铣高，啮合性比外铣好，刀具的使用寿命长；通 用性强，内铣只要稍加调整就可以加工不同品种的曲轴主轴颈和连杆轴 颈，具有良好的加工柔性，从而节省设备投资。尽管曲轴铣削有以上优点， 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 第三章曲轴的数控加工技术 19 但也存在不足之处：由于铣刀在铣削中，每个刀刃一开始就全部参与 切削过程，工件精度和粗糙度的进一步提高就受到一定限制；铣刀盘 的更换和调整技术要求高，操作者要有较高的技术素质。 3.2.3 曲轴车拉技术 车拉工艺是 1936 年美国 EDWARDCBUL LAND 工程师的一项专 利，在 1964 年原苏联的机械工程手册中被概括为三种方式：a .直线式刀 具车拉；b .内环式旋转车拉；c .外环式刀具旋转车拉。直到 80 年代出，在 美国才用直线刀具车拉加工曲轴轴颈获得成功。后来德国、英国、日本等 国也先后研制成功曲轴车拉机床。这使得曲轴粗加工和精加工和二为 一，大大提高了曲轴的加工精度和加工效率。曲轴的车拉加工具有更 多优点，主要表现为：加工精度高。因为它在曲轴轴颈加工中，在任何 时间内只有一片刀具和工件接触，结果使得工件所受的切削力比车削和 铣削都要小，而较小的弯曲使加工精度大大提高，而且车拉的刀具本 身就分为粗、细刀齿，每一刀齿仅参与较短的切削时间。所以，车拉后 的工件精度高，表面粗糙度好，弯曲和扭曲变形小。刀具寿命长。在切 削中每一刀齿与工件只有短暂的一次接触，因而这种刀具寿命是铣刀的 45 倍。柔性好。只要对夹具、刀具等作简略调整就能很快适应多品 种的不同批量生产。加工效率高。因为车拉加工切削速度要高于车 削和铣削。技术经济好。由于车拉加工是集粗、精加工于一身，可以 省去粗磨等工序。 3.2.4 车车拉曲轴加工技术 80 年代末，德国在曲轴铣削技术、数控车削技术和车拉技术的基 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 第三章曲轴的数控加工技术 20 础上铣削，车拉和计算机数控（CNC）技术溶于一体的一种机床，它代 表着当今曲轴加工的最新技术水平。 3.3 曲轴 NC 加工实现 在世界上流行着许多软件都可以实现曲轴的 NC 加工实现，而 Pro/Engineer 是目前广泛应用的 CAD/CAM 集成软件，它提供了产品设 计的各种辅助功能模块，在加工制造方面，也具有强大的功能。用户在产 品设计制造生产的全过程，均能有效低提高生产率，减低生产成本，控制 产品质量，适应快速多变的市场需求因此通过上述对曲轴加工技术及特 点的分析，可以利用 Pro/Engineer 软件环境为支持平台，进行曲轴局部 的数控加工。 3.3.1 NC 加工操作流程 Pro/Engineer 生成数控加工的过程，是利用计算机设计（CAD）的图 形编辑功能，对零件进行实体建模，通过特征识别和相应的二次造型技 术从 CAD 系统中获取零件几何特征信息，并按特定的数据接口按照 CAM 所能理解和接受的描述格式组织数据结构，以便为 CAM 提供特征 数据。调用计算机内相应的数控编程模块，根据零件信息文件和工艺设 计模块提供的加工信息，经过数值计算，进行刀具轨迹处理，自动生成刀 位数据文件；再经过后置处理器，将对应的刀位文件自动变换成 NC 格 式的指令代码，即数控加工程序；再计算机上动态的显示其刀具的加工 轨迹图形和加工仿真，通过模拟功能，负责对 NC 代码进行解释，判断 NC 代码的语法和结构的正确性，最后根据代码中的数据给出仿真结果 并对刀具干涉加以检验。其流程图如图所示： 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 第三章曲轴的数控加工技术 21 设计模型加工模型工件 夹具CAD 数据机床 建立操作 定义 NC 加工 创建刀位数据文件 后置处理 驱动机床 刀具 图 2.2 Pro/NC 过程 对曲轴建模时，常把曲轴划分几个轴段，CAD 部分传送各轴段的几何信 息、公差配合、粗糙度等，CAM 得到全部的信息，然后建立操作，建立不 同的加工工序，相应的自动生成机床加工指令，对曲轴进行加工。 3.3.2 曲轴零件 CAM 的实现 由于曲轴的形状是比较复杂的，在特征建模时，常把曲轴划分为 5 个轴段，即:轴伸段、坐轴承段、轴上零件（齿轮等）装置段、右轴承段、密 封段。CAD 部分传递各段几何信息、公差配合、粗糙度等，用信息代码 表达，则 CAM 得到全部信息，从而自动生成机床加工指令，对曲轴进行 加工。 曲轴的 CAM 系统由车削、切槽、到角、螺纹加工等几部分组成。对 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 第三章曲轴的数控加工技术 22 车削而言，虽然曲轴的各段直径与长度不同，但大多为圆柱面，只要编制 一个子程序，不同台阶只需接受不同参数对它进行调用就可以了。可以 应用 Pro/NC 技术，通过对曲轴的各部分进行加工模拟仿真，经过后置处 理，自动生成各部分的 NC 程序并应用于具体的 CAM 加工。加工前一段 后，应退刀到本段轴的径向位置才能加工本段轴。由于机床丝杠有间隙 会带来误差，应多退一定的余量。具体的余量值由前段轴、本段轴以及机 床性能参数决定，CAM 程序中会自动计算出来。螺纹加工、倒角加工方 法也是分别由子程序控制的。怎样把加工指令传到加工车间是一个重要 的问题。若在车间安装一台微机来控制数控机床，这样既不经济，又不好 管理，而且车间安装一台微机会影响微机的寿命。若用很长的通信线连 接微机机房和加工车间，这样不好控制加工过程，给加工带来不方便。可 以利用 EPROM 写入卡把二进制代码加工指令写 EPROM 芯片中或者诸 如纸带等媒介，一个芯片可以写数个加工程序，把芯片拿到车间，插入数 控机床单板机的扩展槽内，就可以对轴进行精车和切槽加工了。 3.3.3 装配方式下制造模型建立 Pro/Engineer 制造模式有多种子类型，如装配模式、零件模式、铸造 模式及其钣金模式等。在装配模式下，其制造模型是一个装配件，是由参 考模型（零件）和工件（毛坯）组成，二者可以通过装配命令装配在一起而 生成加工模型。将已经建立的几何模型数据应用到制造模型，并建立参 考模型和工件的相对关系。该装配件可以由多个参考模型（零件和装配 件）和工件组成，也可以只有参考模型，而不设置工件。但是，如果制造 模型没有工作，则不能创建材料几何切除。 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 第三章曲轴的数控加工技术 23 通过对制造模式和曲轴的分析，在装配方式下将曲轴零件和其工件 进行装配，生成曲轴的制造模型，可以看到加工模型由零件和毛坯构成， 建立曲轴零件和其工件的相对关系。 3.3.4 建立加工数据库 NC 加工前期生成了加工模型后，就可以建立一个加工数据库。加工 数据库中的绝大部分设置是模式的，也就是说，如果用户不进行显式修 改，则所有的后续的 NC 程序都将使用这些设置，用来确定零件相对于 机床坐标系的装夹位置以及被加工部位的坐标平面，选择刀具并准确的 设置相关参数，找正基准面和对刀点以及退刀面，确定加工路线，选择合 理的工艺参数等设置。为了创建 NC 工序，必须在参数树指定合适的 NC 加工参数，这些参数将根据数控加工类型、速度、进给量、材料的切除或 剩余量、制造环境等的不同而改变。加工数据库中的设置包括：1）机床设 置；2）夹具设置；3）刀具设置；4）活动位置的加工参数；5）NC 工序坐标系； 6）退刀面设置。其中机床设定包括机床设置、夹具设置、机床坐标系设置 和退刀面的设置。 3.3.5 刀具路径演示和加工仿真 利用 Pro/Engineer 提供的各种加工方法可以实现零、部件加工的模 拟显示及其仿真，以便预先发现设计、制造中存在的问题，及时解决发现 的问题，以缩短产品的开发设计、制造周期，提高生产率。 Pro/NC 可以进行各类型加工刀具路径设计，以达到加工的目的，进 而产生加工刀具路径数据，再现加工刀具路径的模拟演示和加工仿真， 以利于进行实际的加工。 郑州航空工业管理学院本科生毕业论文 第三章曲轴的数控加工技术 24 有时，系统自动生成的数控加工轨迹并不是最理想的，需要对数控 技工轨迹进行修改。可以通过加工仿真的实现 NC 检测，对刀具轨迹和 材料去除过程进行仿真检查，利用系统提供的功能对 NC 工序进行修改， 再自动生成新的加工刀具轨迹。 3.3.6 后置处理 后处理是数控加工中一个重要环节,主要任务是把 CAM 软件生成 的加工刀位文件转换成特定机床可接受的数控代码文件。一般而言 ,计 算机辅助制造系统由刀具路径文件的生成和机床数控代码指令集的生成 两部分组成。利用 CAD/CAM 软件 ,根据加工对象的结构特征和加工 环境的实际要求(如加工机床的性能参数、夹具和刀具等)和工艺设计的 具体特点生成描述加工过程的刀具路径文件之后 ,就需要用到称之为 “后置处理器”的模块来读取生成的刀具路径文件 ,从中提取相关的加工 信息,并根据指定机床数控系统的特点以及 NC 程序格式要求进行相应 的分析、判断和处理 ,从而生成数控机床所能直接识别的 NC 程序。 由于 Pro/Engineer 生成的刀具轨迹文件，在实际加工过程中，机床 控制器不能识别该类文件，这就需要对其进行后置处理，将主处理程序 产生的刀具轨迹位置参数和功能信息，转换成数控机床可以识别的数控 加工程序代码文件才可以进行加