（机械制造及其自动化专业论文）基于proe的曲轴数控加工应用研究.pdf

摘要 摘要 曲轴是发动机的脊梁，曲轴是发动机的最重要、最关键零件，也是其核心运动件。 在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 力和拉、压、弯曲等复杂交变载荷，产生扭转和横向、纵向振动。因此曲轴的加工质量 和加工效率直接影响到机车产品的质量和机车工业的发展。曲轴加工质量的好坏，直接 影响发动机的性能，乃至机车的寿命。 本文以机车发动机曲轴为研究对象，根据曲轴在发动机中的功用对曲轴进行了结构 分析和受力分析，基于p r o e 的全数据相关性进行曲轴设计，得出了曲轴三维造型设计 的基本思想，给出了操作步骤。 分析和阐述了产品族设计的基本思想和原理，根据参数化设计的思想，进行曲轴产 品族的设计。根据成组技术的原理，得出了曲轴这一类零件在结构上的相似性，基于 p r o e 平台，利用通用技术和同族产品的相似结构和技术来对曲轴族进行设计，实现了 曲轴产品族设计和p r o e 的交互，得到了曲轴产品族的多层族表。 以某曲轴为例进行了加工工艺的分析，介绍了曲轴材料的选择、毛坯的制造方法、 热处理方法和精度要求，分析曲轴加工工艺的难点，制定了相应的加工工艺规程。 在p r o n c 五轴环境下对曲轴进行数控加工应用研究，针对曲轴加工工艺的难点， 采用铣削的方法对曲轴的外表面进行加工，讨论了基准的制定、轨迹的创建、加工参数 的确定等关键的铣削要素，编制出了数控加工程序代码，得到了加工过程的走刀轨迹和 加工仿真过程。 关键词：曲轴；实体建模；族表；数控加工：p r o n c 大连交通人学t 学硕十学位论文 a b s t r a c t c r a n k s h a f ti st h eb a c k b o n e ，t h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n ta n dt h ek e ym o v i n gp a r t si n e n g i n e s u n d e rt h ew o r k i n gc o n d i t i o n s ，c r a n k s h a f tb e a r sc o m p l i c a t e da l t e r n a t i n gl o a d ，s u c ha s c o n s t a n t l yc h a n g i n gp e r i o d i cg a sf o r c e ，r e c i p r o c a t i n gm o t i o nw e i g h ti n e r t i af o r c e ，r o t a t i o n a l a n dc e n t r i f u g a li n e r t i af o r c e ，t e n s i l e ，c o m p r e s s i o n ，b e n d i n gl o a de t c ，g e n e r a t e st o r s i o na n d t r a n s v e r s ea n dv e r t i c a lv i b r a t i o nt h e r e f o r e m a c h i n i n gq u a l i t ya n dm a c h i n i n ge f f i c i e n c yo f t h ec r a n k s h a f td i r e c t l ye f f e c tt h eq u a l i t yo fl o c o m o t i v e sp r o d u c t sa n dd e v e l o p m e n to f l o c o m o t i v ei n d u s t r y t h el e v e lo fc r a n k s h a f t7 sm a c h i n i n gq u a l i t yd i r e c t l ye f f e c tp e r f o r m a n c e o fe n g i n ea n dt h el i f eo fl o c o m o t i v e t h i sp a p e rc h o o s e sc r a n k s h a f ti nl o c o m o t i v ea sr e s e a r c ho b j e c t ，m a k eas t r u c t u r a la n d f o r c ea n a l y s i sb a s eo nf u n c t i o no fc r a n k s h a f ti ne n g i n e s ，d e s i g nc r a n k s h a f tb a s e do nw h o l e d a t ac o r r e l a t i o no fp r o e ，o b t a i nt h eb a s i ci d e ao f3 - ds o l i dm o d e ld e s i g no fc r a n k s h a f ta n d g i v et h ec o n c r e t es t e p so fc r a n k s h a f t s3 ds o l i dm o d e l a n a l y z ea n dd e s c r i b et h eb a s i ci d e aa n dp r i n c i p l eo fp r o d u c tf a m i l y ，m a k eac r a n k s h a f t p r o d u c tf a m i l yd e s i g nb a s e do np a r a m e t r i c b a s e do ng r o u pt e c h n o l o g y ，f o u n dt h es i m i l a r i t y o ns t r u c t u r eo ft h i sk i n do fc o m p o n e n t sa sc r a n k s h a f t ，b a s e do np r o ep l a t f o r m ，d e s i g n c r a n k s h a f tf a m i l yb a s e do ng e n e r a lt e c h n o l o g yi ns a m ef a m i l ya n ds i m i l a rs t r u c t u r ea n d t e c h n o l o g y ，a c h i e v et h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nd e s i g no fc r a n k s h a f tf a m i l ya n dp r o e ，o b t a i n t h ec r a n k s h a f tm u l t i l a y e r e df a m i l yt a b l e t a k eac r a n k s h a f tf o re x a m p l et oa n a l y z et h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fc r a n k s h a f t ， i n t r o d u c et h em a t e r i a lc h o i c ef o rc r a n k s h a f t ，m a n u f a c t u r i n gm e t h o do fb l a n k ，h e a tt r e a t m e n t m e t h o da n dp r e c i s i o nr e q u i r e m e n t , a n a l y z et h ed i f f i c u l tp o i n t so fc r a n k s h a f tp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y ，m a k et h ea d a p t i v et e c h n o l o g i c a lp r o c e d u r e a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fn cm a c h i n i n gf o rc r a n k s h a f tu n d e rt h e p r o n cf i v e - a x i s c o n d i t i o n s ，a i m i n ga td i f f i c u l tp o i n t s o fc r a n k s h a f tp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，m i l lm a k e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，m a c h i n ee x t e r n a ls u r f a c eo fc r a n k s h a f t 谢t i lm i l l i n gm e t h o d ，d i s c u s s k e y f a c t o r ss u c ha sr e f e r e n c em a k i n g ，t r a j e c t o r yc r e a t i n g ，p r o c e s s i n gp a r a m e t e rd e t e r m i n a t i o n , e t c ，e d i tt h ep r o g r a mc o d ea f t e rm i l l i n ga n dg e tt h ec u t t i n gp a t ha n dn cp r o c e s s i n gs i m u l a t i o n k e yw o r d s ：c r a n k s h a f t ；s o l i dm o d e l ；f a m i l yt a b l e ；n cm a c h i n i n g ；p r o n c l i 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘蔓塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太蓬塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所( ( 中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 张移研名：垦臼劫 日期- 硎年肛月7 日 日期卅年陟月7 7 日 学位论文作者毕业后去向：z 哞 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 右隈硐 电话：o ；i 5 - ；口刁矿锣 矽吻培多多 邮编：纫玎 们 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太童塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 和柳 日期：洲年，2 ，月夕日 绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 在现代化飞速发展的今天，各种现代化的设备已经融入到人们的日常生活，给人们 的日常生活带来了极大地方便，各种设备一般都是由发动机提供原动力，从而驱动人们 便捷、高效的生活。内燃机是动力机械的心脏，曲轴则是内燃机的脊梁，是发动机的最 重要、最关键零件，也是其核心运动件。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、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、韧性和耐磨性和高的加工精度。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机 车产品的质量和机车工业的发展。曲轴加工质量的好坏，直接影响发动机的性能，乃至 机车的寿命i l 刮。 曲轴粗加工和半精加工，采用数控车一车拉和数控高速铣削等具有高精度、高切削 速度和高效率的加工工艺。精加工采用c n c 曲轴磨削工艺取代传统的曲轴磨床1 5 j 。这 些先进的数控加工工艺为曲轴加工质量的提高提供了可能，总的来说数控加工机床在曲 轴加工中已经起主导作用。 基于p r o e 、u g 等具有实体建模、程序自动编制及在加工中心制造等功能的软件， 可以进行数控加工仿真，并能够生成数控加工代码，这就为实现加工过程的自动化提供 了方便。p r o e 具有三维的零件设计、制造、分析等功能，提供了车削、铣削、钻削等 多种功能，它的c a m 驱动模型有曲面驱动、实体驱动、和特征驱动，提供了强大的刀 位验证、编辑修改功能。在编程修改方法上，具备复制、移动、缩放比例、旋转等功能 6 1 。可以基于这个平台进行实体建模到加7 - 模拟一系列的过程，为指导加工生产提供依 据。 1 2 曲轴的加工工艺发展过程 从曲轴结构上看，曲轴又细又长，其长径比一般都大于1 0 ，是典型的柔性细长轴类 零件，工艺性极差，机械加工需要专门的夹具，加工过程复杂。因主轴颈和连杆颈不在 同一条轴线上，曲轴的加工工艺难点主要是主轴颈和连杆颈的加工。其传统加工工艺一 般分为：粗加工、半精加工、精加工、磨削等四大工序，而其中尤以曲轴主轴颈和连杆 轴颈的粗加工和半精加工工艺发展较大，由于其以切除最大余量为目的，对曲轴的生产 效率影响较大。各个时期都有代表性的加工工艺出现，推动曲轴加工工艺向高精度、高 大连交通人学t 学硕十学位论文 效率、柔性化、自动化方向发展。但是，我国的曲轴加工工艺发展较为缓慢，相对而言， 我国的曲轴工艺研究进展缓慢，特别是在大功率柴油机曲轴的加工工艺方面，由于其本 身生产批量较小，基本属于小批量生产，因此，目前国内的大功率柴油机曲轴生产线多 数由普通机床和专用机床组成，生产效率和自动化程度相对较低。粗加工设备一般采用 多刀车床车削曲轴主轴颈及连杆颈，工序质量稳定性差，容易产生较大的加工应力，难 以达到合理的加工余量。精加工普遍采用普通曲轴磨床进行粗磨、半精磨、精磨、抛光， 加工质量很不稳定，尺寸一致性差p ”。 曲轴传统加工工艺流程：毛坯( 锻件) 正火h b l7 0 2 17 校准粗加工( 粗车或粗铣) 调 质热处理h r c 2 8 3 4 半精加工( 半精车或半精铣) 高温去应力精加工( 精车、精铣、精磨、 孔系及键槽加工) 一氮化热处理h r c _ 5 0 一抛光清洗终检i l 7 1 。 传统的发动机曲轴粗加工采用的加工方式是多刀车床车削曲轴主轴颈和连杆轴颈。 采用这种方式加工精度较低、柔性很差、工序质量稳定性低，且容易产生较大的内部应 力，难以达到合理的加工余量。曲轴精加工采用的是普通磨削工艺，一般采用m q 8 2 6 0 曲轴磨床粗磨半精磨精磨抛光。通常靠手工操作，加工质量不稳定，废品率较高1 4 一o l 。 采用先进曲轴粗加工比较流行的工艺是：主轴颈采用车拉工艺和高速外铣，连杆颈 采用高速外铣，而且趋于高速随动外铣，全部采用干式切削。 1 2 1 国外曲轴加工工艺的发展 美国、德国、日本等工业发达国家都致力于开发绿色环保、高性能发动机，发动机 正向着增压、增压中冷、大功率、高可靠性、低排放方向发展。曲轴作为发动机的心脏， 对于曲轴加工来说，对比于传统工艺优化的方向是向高效化、精密化、清洁化和强韧化 发展，目前新工艺应用计算机技术和模拟技术来确定工艺规程、优化工艺方案、预测加 工过程中可能产生的缺陷及防止措施，控制和保证加工件的质量，使工艺设计由经验判 断走向定量分析，加工工艺由技艺发展成为工程科学。 二十世纪七十年代到八十年代左右，曲轴粗加工采用c n c 车削、c n c 外铣加工， 加工状况有所改善。精加工仍以普通磨床磨削工艺为主。 二十世纪八十年中期又出现了c n c 内铣工艺，c n c 内铣加工性能指标要高于c n c 外铣加工，尤其是对于锻钢曲轴，内铣更有利于断屑。精加工工艺多采用半自动曲轴磨 床，头架和尾座同步传动，加工精度有一定的提高。 二十世纪八十年代后期，德国b o e h r i n g e r 公司和h e l l e r 公司开发出了完善的 曲轴车一车拉机床，该加工工艺是将曲轴车削工艺与曲轴车拉工艺完美结合，生产效率 高，加工精度好，柔性强，自动化程度高，换刀时间短，加工后曲轴可直接进行精磨， 2 绪论 省去粗磨工序。曲轴精加工已少量采用数控磨床磨削工艺，尺寸的一致性得到改善。因 此，曲轴车车拉加工工艺是目前国际上曲轴粗加工中流行的加工工艺之一。 二十世纪九十年代中期国外又开发出c n c 高速外铣机床，它对平衡块侧面需要加 工的曲轴，比c n c 车削、c n c 内铣、车一车拉的生产效率还要高。另外，c n c 车一车 拉工艺加工连杆轴颈要二道工序，c n c 高速外铣只要一道工序就能完成，具有以下优 点：切削速度高( 可高达3 5 0 m m i n ) 、切削时间较短、工序循环时间较短、切削力较小、 工件温升较低、刀具寿命高、换刀次数少、加工精度更高、柔性更好。所以c n c 高速 外铣将是曲轴主轴颈和连杆轴颈粗加工的发展方向。精加工使用数控磨床，采用静压主 轴、静压导轨、静压进给丝杠( 砂轮头架) 和线性光栅闭环控制等控制装置，使各尺寸公 差及形位公差得到可靠的保证，精加工还广泛使用数控砂带抛光机进行超精加工，经超 精加工后的曲轴轴颈表面粗糙度至少提高一级精度。 二十世纪九十年代开发的c b n 高速磨削。英国l a n d i s 公司生产的曲轴磨床，磨 削速度高达1 2 0 m s ，用扒皮法一次装夹从毛坯到精磨完毕，耗时仅几分钟的时间。这将 会出现以磨代替其它粗加工工艺的新局面。 进入二十一世纪以后，复合加工工艺已进入曲轴制造业中，复合机床应具有工序集 成功能，多种加工集成功能。如奥地利w f l 公司生产的卧式车铣复合加工中心具有一 定的代表性。w f l 公司提出了“一次装夹，完全加工的概念。如m 4 0 g 。该车铣中心 集成了双主轴车削中心、五轴加工中心、深孔镗、铣、钻和三坐标功能于一身，在一台 具有双主轴的车铣复合加工中心上可以对曲轴进行完全加工，加工后的曲轴可直接转入 精加工工序。曲轴精加工方面，也出现了工序集成的c b n 数控磨床，即一次装夹磨削 全部曲轴主轴颈和连杆轴颈( 摆动跟踪磨削) p “。 曲轴精加工的随动磨削技术( 如连杆轴颈的偏心磨削就是通过砂轮的随动来实现 的，即当连杆轴颈由于旋转从中心面远离砂轮时，砂轮会作“跟随曲轴运动 ) 也已开 始应用，n a x o s - u n i o n 公司凭借p m 3 x x 系列的磨床成为世界范围内卡车发动机加工 领域的排头兵；利用新研发的p m 4 x x 系列磨床，率先进入船用和取暖发电设备用大型 柴油发动机的加工领域；研发的“随动磨削”技术在世界同行中遥遥领先。它可以对长 达6 m 的曲轴采用摆动凸轮磨床加工，达到最高级的成型质量和表面质量卜1 。 1 2 2 国内曲轴加工工艺的发展 哈尔滨东安集团曲轴生产线采用了全自动柔性流水生产线，粗加工生产线由德国的 专机自动线( l i n d e n m a i e r ) 、数控车车拉、数控高速随动外铣( b o e h r i n g e r ) 、圆角 滚压机( h e g e n s c h e i d t m f d ) 和止推面车滚专机、淬火机( e m a ) 等组成；精加工生产 大连交通大学t 学硕+ 学位论文 线由日本的数控高速c b n 磨床( t o y o d a ) 、动平衡机、抛光机( i m p c o - n a c h i ) 、检测 机、清洗机等组成。连杆轴颈加工则采用了数控高速随动加工技术，全线采用高速c b n 砂轮磨削技术，磨削线速度达到1 2 0 m s 。 文登天润曲轴通过引进德、美、意等发达国家的先进设备，组建了具有当今国际先 进水平的大型曲轴生产基地，由c b n 磨床、h a a s 立式和卧式加工中心、意大利s a i m p 磨床、德国h e l l e r 曲轴内铣床和s a f i n a 抛光机等设备组成的机加工生产线已经开 始大批量生产”“。 江苏南亚自动车有限公司菲亚特轿车曲轴生产线通过引进德国b o e h r i n g e r 公司 两台设备，其中一台为数孔曲轴车一车拉机床，另外一台为c n c 高速曲轴外铣，该设 备应用工件回转和铣刀进给伺服连动控制技术，可以一次装夹不改变曲轴回转中心，并 随动跟踪铣削曲轴的连杆轴颈。可以加工长度在4 5 0 7 0 0 m m 、回转直径在3 8 0 m m 以内 的各种曲轴，连杆轴颈直径误差为士0 0 2 m m 。由上可以看出，曲轴粗加工比较流行的工 艺是：主轴颈采用车拉工艺和高速外铣，连杆颈采用高速外铣，而且倾向于高速随动外 铣，全部采用干式切削。 由于国外此类设备价格昂贵，产品加工成本很高，国内一些机床生产厂家( 如青海 第二机床制造有限责任公司、沈阳机床厂等) 相继开发出了数控曲轴车床、数控高速曲 轴铣床、数控曲轴车拉机床等专用机床。曲轴精加工采用国内数控磨床磨削情况已相当 普遍，产品加工精度已有相当程度的提高。为满足曲轴日益提高的加工要求，对曲轴磨 床提出了很高的要求。现代曲轴磨床除了要有很高的静态、动态刚度和很高的加工精度 外，还要求有很高的磨削效率和更多的柔性。近年来，更要求曲轴磨床具有稳定的加工 精度。 国内首台数控重型曲轴旋风切削加工车床日前在第十届中国国际机床展览会上展 出，这标志着中国已具备自主生产数控重型曲轴旋风切削加工车床的能力。它的成功研 制使中国成为世界上继德国和日本之后第三个可以自主生产大型曲轴加工设备的国家， 结束了我国此前无法加工大型船用曲轴、只能依赖进口的历史一“。 目前国内也推出了复合机床，在c i m t 2 0 0 5 上，沈阳数控机床有限责任公司展出的 c k z 8 0 5 车铣加工中心就是一台复合机床。该机床代表了我国同类机床的最高水平。该 机床五轴中x 、y 、z 、b 轴采用直线光栅尺或圆度光栅尺检测，可实现闭环控制。该加 工中心备有4 8 9 6 工位刀库可实现自动换刀，一次装卡可进行车、铣、钻、镗、攻丝等 的加工。 由上可以看出，曲轴的加工工艺正向着高速、高效、复合化方向发展。目前较为流 行的粗加工工艺是主轴颈采用车一车拉工艺和高速外铣，连杆颈采用高速随动外铣，全 4 绪论 部采用干式切削；精加工采用数控磨床加工，具有自动进给、自动修正砂轮、尺寸和圆 度自动补偿、自动分度和两端电子同步驱动等功能。主轴颈和连杆颈可一次装夹全部磨 削完毕；超精加工采用数控砂带抛光机，带尺寸控制装置。随着现代驱动和控制技术、 测量控制、c b n ( 立方氮化硼) 砂轮和先进的机床部件的应用，为曲轴磨床的高精度、 高效磨削加工创造了条件。连杆颈随动磨削工艺，正是体现了这些新技术综合应用的具 体成果。发动机曲轴制造技术进展最为迅速的是机械加工装备，比较典型的加工工艺是 铣削和磨削。正是基于以上情况，进入2 1 世纪以来，我国高速、高精、高效的复合加 工技术及装备在曲轴制造业中得到了迅速的应用，生产效率得到了很大提高p “1 。 1 3 本课题研究的内容、目的、意义 传统的数控加工过程一般都是采用手工编程，通过在数控机床上对n c 代码进行空 运行或样件试切的方式检验数控代码的正确性与合理性。但对于形状复杂的或轮廓简单 但程序量很大的零件计算数值相当繁琐，工作量很大，容易出错，且很难校对；而且会 占用大量的机床实际加工时间，降低机床的效率。随着c a d c 创一体化技术的发展， 计算机辅助制造技术( c a m ) 越来越成为加工需求的热点，数控编程是目前最能发挥效益 的环节之一，在实现设计加工自动化，提高加工精度和质量，缩短产品研制周期，提高 制造柔性等方面发挥着极其重要的作用。利用具有n c 程式自动编制功能软件，如 p r o e n g i n e e r 、u g 、m a s t e r c a m 等。采用这些软件的先进的仿真技术可以利用计算机图 像模拟加工过程，并观察刀具运动及对加工部位工件材料的切除过程。这样可以从本质 上提高检验的效率，节省劳动力，节约生产资源。 本课题使用p r o e n g i n e e r 软件以机车曲轴为例建立曲轴的三维实体模型，在此 基础上，利用相似性原理，对曲轴族类零件进行分类管理，利用成组技术相关原理和对 曲轴加工工艺过程分析，进行p r o n c 环境下的加工过程的仿真，经过后置处理生成数 控代码。 随着上述曲轴的基于数控系统的加工工艺和加工设备的发展，数控加工就是将零件 特征信息和加工工艺过程用数控代码表示出来，输入机床的数控系统进行自动加工。而 p r o e 、u g 等具有加工仿真功能为进行数控加工仿真提供了可能。无论从理论还是实践 上看，数控加工仿真的意义主要表现在以下几个方面： 1 这些软件都能灵活进行机床和工件坐标系的设置，在不同工序可以设置不同的工 件坐标系，便于工件的找正装夹，保证加工精度。进行夹具及辅具的设置自动编程进行 干涉和碰撞检验，提高程式的可靠性。采用余量模型的加工方式，加工时将毛坯和零件 装配在一起，在刀具轨迹生成时，进行刀路优化，减少空切，以提高切削效率。 大连交通人学1 ：学硕十学位论文 2 对数控加工的运动状态进行模拟与仿真，通过建立与实际加工条件相当的虚拟加 工环境，通过输入加工运动参数、几何参数等，就可以模拟实际的加工状况，及早地发 现加工过程中某些不必要的错误( 如：模型的正确性和设计的合理性) 。 3 实现加工过程的自动化，p r o e 基于特征的造型，所设计的特征信息保存在与 c a d 、c a m 模块都相关的单一数据库中，所以基于特征的n c 加工，使得编程人员不 再对那些低层次的几何信息( 如点、线、面、实体) 进行操作，而转为直接对符合工程 技术人员习惯的特征进行n c 加工。基于特征的p r o e 软件，c a m 模块能自动识别c a d 模块的特征信息，从而实现了c a d 、c a m 系统的集成，实现了n c 编程过程自动化。 4 借助于数控加工仿真，在某些方面往往能够获得实际的加工中所无法得到的效果， 从而获得对于加工过程的更加清楚的认识。比如：在建立了有效的加工仿真虚拟环境后， 就可以对某一时间段内的加工状态进行慢速观察、回放等处理，从而可以清楚地预见实 际的加工过程；可以利用有限元分析软件等对加工过程中刀具和工件的受力状态及机床 的动力学特性进行分析，从而对加工效果做出恰当的估计等。 5 对加工过程进行运动仿真和误差辅助分析与数控补偿，可以提高分析的可靠性和 所生成数控数据的准确性，实现数控编程自动化，从而降低对编程人员素质的要求，在 生产实践上也有一定的实际意义。 本章小结 本章通过对曲轴国内外研究现状的分析，以曲轴现代加工技术和先进的三维实体造 型和加工仿真软件为基础。找到了曲轴数控加工仿真的切入点，即利用p r o e 的先进的 实体造型和多坐标联动数控加工功能，结合先进的加工技术，并使这些加工技术在 p r o l q c 这个平台上实现。为加工过程提供良好的支持。 6 第二章基于p r o e n g i n e e r 的二维实体造型 第二章基于p r o e n g i n e e r 的曲轴三维实体造型 为适应数字化条件下仿真加工的需求，需要对某些零件进行参数化建模，针对曲轴 进行族管理和数控加工的需要，建立具有代表性的曲轴零件实体是进行族表管理和数控 加工仿真的基础。 p r o e 软件是美国p t c 开发研究的c a d c a e c a m 软件。自1 9 9 8 年问世以来，已 经成为全世界最普及的c a d c a m 系统。该软件先进的设计理念体现了机械设计自动化 系列软件的最新发展方向，成为提供工业解决方案的有力工具。p r o e 作为三维造型设 计系统，是一套从设计到生产的自动化软件，其功能强大，用途广泛。它以尺寸驱动， 特征建模，全参数设计，单一全关联的数据库，虚拟显示及多数据借口等优点改变了传 统的设计观念，使设计工作直观化，精确化，高效化和系统化，成为目前机械c a d 领 域的新标准。与传统的c a d 系统仅提供绘图工具不同，p r o e 系统提供了一套完整的机 械产品解决方案，包括工业设计，机械设计，模具设计，钣金设计，加工制造，机构分 析，有限元分析和产品数据库管理。甚至包括了产品生命周期，是多项技术的集成产品。 p r o e 的主要特征有：3 d 实体造型，单一的数据库，基于特征的参数化实体建模， 行为建模技术，机构设计技术，强大的装配功能，n c 加工，二次开发技术。 2 1 曲轴结构及力学性能分析 曲轴是发动机的心脏，从其结构上看，曲轴又细又长，其长径比一般都大，是典型 的柔性细长轴件。曲轴是发动机中最重要的、承载最重的、价格最昂贵的零件之一。 2 1 1 曲轴的结构分析 对曲轴结构提出的基本要求是： 1 在较小质量的情况下，有着足够的强度、刚度和耐磨性：在各种不同使用条件下 工作的可靠性； 2 连杆轴颈和主轴颈很高的加工精度； 3 轴颈表面有足够的硬度和表面粗糙度； 4 达到动平衡，从而消除振动；对于高速发动机，应消除主轴承的中的离一t l , 力【1 5 】。 曲轴按支撑方式不同曲轴分为全支撑曲轴和非全支撑曲轴。根据轴颈和曲柄的尺寸 以及曲拐数，曲轴分为整体式的和组合式的， 整体式的曲轴结构简单、重量轻、工作可靠，应用于所有型式的内燃机中，在中高 速柴油机上比较常见。在设备允许的情况下，应尽量使用整体曲轴。 7 大连交通人学t 学硕十学位论文 由于受到制造设备能力的限制或有特殊要求时多采用组合式曲轴，这类曲轴又可以 分为： 1 圆盘式曲轴，曲柄单独制成。因结构复杂，加工精度高，已很少采用。 2 套合式曲轴，连杆颈、主轴颈、曲柄臂均分开制造，多安装在大型( 低转速) 发动机中，主要应用于曲柄半径大于4 0 0 - - - 5 0 0 的大型低速柴油机中，有些发动机中还 采用半组合式曲拐，其连杆颈与曲柄做成一个整体。在这类曲拐中，轴颈通常是在保 证连接强度足够过盈的情况下，通过轻度加热( 至2 0 0 3 0 0 ) 压入曲柄的。 3 分段式曲轴，分段制造，再用凸缘连接。 曲轴两端部分别是动力输出端和尾部自由端。在发动机工作过程中，功率从一般都 从曲轴的两端输出。曲轴的动力输出端与发电机、联轴器、飞轮、螺旋桨、弹性元件等 相连接，都加工有键槽或凸缘。与动力输出端相对的另一端称为尾部自由端，用来安装 齿轮，带动油泵和水泵以及高压燃油泵和燃油输送泵工作，有些曲轴在尾部自由端装有 驱动配气凸轮机构的传动齿轮。在汽车、拖拉机的发动机中，这一端布置带有风扇的皮 带轮、启动爪、由于手摇启动发动机的装置，以及某些情况下的扭振减震器。 通常，所有主轴颈都加工成同一个直径。连杆轴颈的直径可以与主轴颈一致，也可 以略小一些。为了降低质量，减少惯性力和惯性矩，主轴颈和连杆轴颈通常都做成中空 的。连杆轴颈的直径增大会造成连杆头尺寸及曲轴箱尺寸的增加，同时还会增大旋转质 量和惯性力，但会降低轴系的自振频率。 曲轴曲柄的形状有很多类型，包括：棱形( 包括矩形) 、六面形或八面形、卵圆形 ( 椭圆形) 、圆形。椭圆形和圆形曲柄主要用于高强化发动机的曲轴中。矩形曲柄制造 最简单。卵形曲柄制造最复杂，但应力分布最合理。为了更好的利用材料，可将曲柄上 离轴线最远的不受力的部分切掉，从而减少了旋转部分不平横质量，同也降低了曲轴的 质量。为了最大限度地缩短发动机的长度，可采用主轴兼作曲柄用的曲轴。为了降低应 力集中，由曲柄向轴颈应以半径较大的圆角过渡。但轴颈工作长度的减小阻碍着过渡圆 角半径的加大。 曲轴的结构布置首先要确定曲拐的布置方式，曲拐的相互位置与发动机的行程数、 气缸数、气缸排列以及气缸工作次序有关。曲拐的布置应遵循的原则： 曲拐的布置应得到：最大的运转均匀度，即扭矩随时间而变化的均匀度；最好的发 动机平衡性；曲轴各部分的负荷均匀( 顺序工作的气缸不应毗连，它们应尽可能布置在 中间主轴承的两侧) ；由扭转振动和弯曲振动产生的应力最小；当有燃气涡轮时，排气 能量利用的最好。单元曲拐的尺寸基本上取决于缸心距，而后者又取决于气缸直径，机 体及缸套的壁厚，冷却液所占空间以及二冲程发动机中的扫气通道和废气通道。 8 第二章基- j - p r o e n g i n e e r 的二维实体造型 为了减少摩擦，给主轴颈、连杆颈、连杆大端、曲轴飞轮组的支撑轴承良好的润滑， 曲轴连杆颈和主轴颈曲柄臂上都钻有油道孔，润滑油在压力下供向主轴颈和连杆轴颈， 曲轴充作润滑系统的一段油路。以便在发动机运转过程中将润滑油通过油道甩到各个需 要润滑的部位。有时，为了减少曲轴箱中润滑油的损耗，曲轴也有做成带甩油盘结构的， 有时也使用挡油螺纹。落在甩油盘上的润滑油在离心力的作用下甩到曲轴箱壁上或专门 的挡板上。 2 1 2 曲轴的受力分析 在发动机工作过程中，曲轴承受着由气体压力产生的作用力、往复运动质量的惯性 力以及旋转运动质量的惯性力所产生的周期性负荷。作用在曲轴上的这些力，使其轴颈 和轴承产生摩擦和磨损；造成轴颈在曲柄臂的过渡部位以及油道出口处的疲劳破坏；而 且，还会引起扭转振动、弯曲振动、横向振动和轴向振动。 柴油机受力情况很复杂，通过柴油机的使用经验和大量的试验研究表明，曲轴实际 上是静不定的多之承空间连续梁，总体上作用于曲轴上的力和力矩有l l6 j ： 气缸中燃气压力的分力； 活塞连杆组的惯性力的分力； 扭转振动、横向和纵向振动的载荷； 曲轴箱变形、主轴承的弹性下沉、各轴承孔的不同心度以及主轴承在使用中磨损等 因素造成的附加载荷。 曲轴主要的受力部位是主轴颈和连杆颈，主轴颈要与轴承配合作为支撑，承受主轴 承座的支反力作用，连杆颈主要与连杆大头相连，完成推动活塞运动的作用，承受气缸 中的气体压力与活塞惯性力。曲轴主要的两个部位承受了曲轴大部分的力，是曲轴中最 重要的两个部位。技术要求高，加工精度高，所以应当分析一下这两个部位的受力情况。 1 连杆颈受力情况【1 7 - 1 8 1 。 根据连杆受力情况可以分析得知：作用在连杆颈上的力有切向力丁、法向力k 和 换算到曲柄中心的连杆大头质量，所产生的离心力匕。如图2 1 所示。 9 大连交通大学工学硕士学位论文 鼍皇i 皇詈皇昌詈詈鼍_ _ 置皇篁詈昌| 鲁墨_ 詈皇皇葛暑宣墨_ _ 一i - - - _ _ - 葛毫皇皇皇量_ 摹蕾墨盲量詈量_ l _ 葛詈暑置詈量宣兽鼍詈置_ 暑 广- ，p r 一二心 、 一一， 图2 。1 连杆颈受力图 f i g 2 1f o r c ed i a g r a mo f r o d j o u r n a l 2 主轴颈受力情况 在分析的时候认为曲柄是两点支撑的简支梁，两个支撑点是两个主轴颈的中点。相 应的作用在主轴颈上的支撑反力有丁、足及，主轴颈载荷就是这些支反力的矢量和。 如图2 2 所示。 k ， p r 图2 2 主轴颈受力图 f i g 2 2f o r c ed i a g r a mo fm a i nj o u r n a l 2 2 基于p r o e n g i n e e r 的曲轴三维实体造型 2 2 1 基本原理和思想 p r o e 是一种参数化的基于特征的三维造型软件，p r o e 零件建模从逐个创建单独的 几何特征开始。在设计过程中参照其它特征时，这些特征将和所参照的特征相互关联， 特征之间的相关性使得模型成为参数化模型。因此，如果修改某特征，而此修改又直接 1 0 第二章基于p r o e n g i n e e r 的二维实体造型 影响其它相关( 从属) 特征，则p r o e 会动态修改那些相关特征。此参数化功能可保持 零件的完整性，并可保持设计意图。曲轴的设计正是基于这一思想，基于一个特征创建 另一个特征是各个特征的参数相互关联，而且解决了因曲轴主轴颈和连杆颈不在同一轴 线上而引起的造型上的困难。 利用p r o e 所提供的各种基于特征的参数化建模方式( 如拉伸、旋转、曲面混合等) 可以根据曲轴的各部分组成特性创建适合于p r o n c 环境下的曲轴三维实体模型。通过 结构分析可以看出曲轴是一种复杂的轴类零件，主轴线和连杆轴线不在同一个轴上；每 一个曲拐也不在同一轴线上，而是相互偏转一定的角度，这样就不能直接通过拉伸或旋 转得到实体，但是从曲轴组成部分的特性来看，每一个曲拐都具有相同的特征，这样就 可以对相同的特征进行平移、旋转等的操作。 基于p r o e 特征之间的相关性和曲轴结构上的特点采用顺序造型的方式，从动力输 出端或尾部自由端开始，用拉伸、旋转等简单的造型工具完成曲轴的基础特征，即第一 曲拐的基础特征，基于这个特征做出第一曲拐，此后的所有的曲拐特征都以第一曲拐为 模板进行平移和旋转。最后，以最后一个曲拐特征为基础，完成尾部自由端( 或动力输 出端) 。 在造型过程中，为适应族表和数控加工的要求，在进行曲轴实体建模时应达到如下 要求： 1 建模须针对整个产品族而不是针对某个产品本身。 2 单个产品的某些尺寸必须根据其产品族的配置参数的需要来进行定义。 3 模型的建立必须同时考虑产品族的功能层面和技术层面的要求。 4 三维造型所产生的曲面必须为p m n c 环境下的数控加工系统识别，以合理确 定走刀路径，所以应曲面尽量用简单的命令完成造型。 5 模型中各个特征所包含的数据应尽量简单，适合数据库的管理。 2 2 2 三维造型设计 曲轴三维实体造型的关键问题及解决方法： 在实体造型的时候从曲轴的动力输出端开始：首先输出带有锥度的以旋转特征为基 本特征的动力输出端轴，并进行倒角、退刀槽等操作。如图2 3 所示。 大连交通大学【，学硕十学位论文 幽2 3 曲轴动力输出端 f i g23 p o w e r o u t p me n d o f c r a n k s h a f t 以动力输出端为基础，拉伸出第一曲拐的曲拐臂，然后拉伸出曲拐臂，在曲拐臂上 拉伸出第一拐的连杆颈，在连杆颈上再拉伸出另一侧的曲拐臂，然后拉伸出第一曲拐的 主轴颈，这样第一个曲拐就完成了基本特征的造型。如图2 4 所示。 幽2 4 曲轴第一曲拐 f i g 24 t h e f i r s tc r a n k o f c r a n k s h a i l 由于曲轴的每一个曲拐都是由相同的特征，即两个曲拐臂、它们之白j 的连杆颈和 段主轴颈。将第一个曲拐所包含的这些特征合并成一个“组”。以后的操作就可以利用 p r o e 实体造型环境下“编辑”菜单中的“特征操作”选项对“组”进行复制操作。通 至= 耋兰j ：型! 翌譬：塑三兰兰苎兰苫 过“特征操作”菜单管理器中的“复制”选项就可以进行第一个曲拐的平移操作，通过 计算知道一个眭拐的长度是4 0 0 r a m ，根据发动机布置及配气的需要，每一个曲拐之间 都有一定的角度。其他曲拐的生成均【三【第一曲拐为参照，根掘以上提到的两个数据，进 行平移复制和旋转复制。特别要注意到的是第二| 0 第八曲拐的生成时的平移操作必须都 咀第一曲拐为参照，旋转操作必须以主轴颈的轴线为参照。这样生成的相互关联的尺寸 较少有利于族表的生成。如第二曲拐的生成，将第一曲拐合并为“组”，打开“编 辑”菜单中的“特征操作”选项，选择“复制”命令，根据提示选择要操作的对象即上 述第一曲拐的“组”，选择“平移”命令，输入距离“4 0 0 ”，点击“确定”完成平移 操作；这样就生成了一个新曲拐，再根据角度要求，按上述步骤对刚生成的曲拐以主轴 颈轴线为旋转轴进行旋转操作，输入角度1 8 0 ，生成第二曲拐。将平移得到的曲拐组删 除就得到了第二曲拐。如图2 5 所示。 凹2 5 短过平移和旋转街芏u 的第一曲拐 f i g2 5 t h es e c o n dc r a n k o f c n u f l c s h a f = tb y t r a t l s l a t i o n a n dr o t a t i o n 以第一曲拐和主轴颈轴线为参照，依次按先平移再旋转的方式这样做下去，就可以 依次得到3 g 曲拐。最后以旋转为基本特征得到曲轴的尾部自由端( 动力输出端) 。最 后得到的曲轴实体模型。如图2 6 所示。 当垩兰望查兰。! ：主要主丝堡圣 匝圊 图2 6 曲轴实体图1 f i g 2 63 - d m o d e l1o f c r a n k s h a f 【 根据惯性力平衡的要求，曲轴的曲拐为了更好的利用材料，可将曲柄上离轴线最远 的不受力的部分切掉，从而减少了旋转部分不平横质量，同也降低了曲轴的质量。曲拐 臂要切掉一部分离轴线远的材料，在p r o e 环境下，是利用旋转命令切除材料的。根据 曲轴尺寸的要求，在旋转命令的草绘环境下，草绘一个倒三角形，定义离主轴轴线的距 离和旋转直径及旋转中心，旋转去除材料就可以得到更合理的曲轴结构。当然，由于各 连杆颈不在同一平面上，这一步要分别操作。如图2 7 所示。 q “妊喇 酗27 曲轴实体幽2 f i g273 - d m o d d2 0 f c r a n k s h a f t 然后进行倒圆角、利用旋转命令生成沉割槽、卸载槽等的操作。 o 第二章基于p s o e n g n e e r 的三维实体造型 曲轴内部油道在结构上先铸造，再加工，而且是混合曲面。在n o