五轴车铣加工曲轴类零件宏程序编制方法研究

引言

对于曲轴连杆颈外圆及开档面的加工，传统的加工方式是采用车床加装偏心工装车削完成[1]，但这种加工方式存在一定的弊端。采用传统方式进行多缸多相位曲轴的加工时，操作人员需对偏心工装进行数次的装夹与调整，加工效率较低。同时，偏心工装的定位销部件在长时间使用后会出现不同程度的磨损，这将导致车削加工后各个连杆颈之间的相位角出现偏差，给后续的磨削工序造成了不小的加工难题。

曲轴旋风车和五轴车铣复合中心可以解决传统加工方式存在的这些弊端[2]。本研究以加工偏心曲面类零件曲轴为例，对车铣复合中心在加工方案、编程方法等方面进行了相关的研究和探讨。

1　车铣复合中心功能

车铣复合中心机床具有X、Y、Z、B、C五个加工轴，能够实现五轴联动。它除了可完成一般的数控车削、数控铣削等单工种工序的加工外，同时还有加工斜面、铣螺旋槽、铣外圆、铣螺纹、铣各种空间曲面、钻斜孔、攻丝等各种镗、铣、钻的复合加工功能[3]。车铣复合中心功能全面、加工范围广，能够实现一次装夹就完成全部或者大部分的加工工序内容，提高了工件的生产效率和加工精度，已成为现阶段曲轴机械加工制造行业的主流加工设备。

2　加工工艺方案

2.1　曲轴连杆颈外圆的加工工艺方案

车铣复合中心在加工偏心曲拐类零件时采用三轴联动的方式，即机床的X轴、Y轴位置随着零件回转中心C轴的角度变化而进行切削位置变化。在加工过程中，刀具始终跟随曲轴连杆颈中心的旋转而进行切削，在曲轴旋转一个圆周的同时，铣刀同时跟随进行了一个周期的切削，完成一个连杆颈外圆的铣削，如图1所示。上述运动过程从机床坐标系上来看，实际就是铣刀围沿着一个以偏心距为半径的圆在做X、Y轴圆弧插补运动。宏程序编程只要能实现这种功能，也就完成了从假想的运动分析到机床实际加工完成的转化。

读者们，去想像一张地图。在这张打开的地图上，有一些枝枝蔓蔓的地形构造，但这些不属于某个人，属于那些说“这里”的风景们——就像我们所有的说话者都说“我”那样。想象一下与我们通行有关的记忆，这种记忆指向你的前方，同时又指向着你的后背，一步一步地以某种不规则的方式慢慢扩展着，令人不快的是，它是非个人的。记忆没有腿，但它会将我们拖曳至现在的深处，因为当我们向后看时，我们只能从“这里”开始，从“这里”凝望那个不存在的向我们迄迤而去的过去。因此，过去有双层皮肤，两种触觉：一个过去指向现在，一个过去指向非现在。

  

图1　曲轴连杆颈外圆加工示意图

2.2　曲轴连杆颈开档的加工方案

曲轴连杆颈开档的加工和上述外圆加工原理是一样的，可以理解为机床的X、Y轴位置围绕着回转中心C轴的角度变化而进行切削位置变化。与外圆加工不同的是：连杆颈开档面的加工可以看做是多个不同直径外圆围绕着同一个回转中心复合而成，转换到机床坐标系就是X、Y轴在做数次不同起始位置、不同回转半径的圆弧插补运动。如图2所示，图中的每一个刀具切削轨迹其实都是由机床X、Y、C轴一起联动实现的。这些运动轨迹数次叠加的过程，其实就是刀具切削去量完成开档面加工的过程。

对“既尽力而为，又量力而行”这一原则，计划起草者之一、生态环境部环境发展中心环境管理研究所所长王亚男感受颇深：“既要让群众感受到明显改观，又要考虑到目前农村的治理能力，能干到什么程度确实是我们反复考虑的问题。”

Y2

  

图2　曲轴连杆颈开档加工示意图

2.3　曲轴其它曲面部位的加工方案

曲轴比较难加工的曲面部位还有臂膀、顶圆、斜面等，这些部位的加工与上面叙述的加工原理基本类似，在此不再赘述。

排除标准如下:①糖尿病乳酸性酸中毒患者;②住院时间小于48h者;③肝肾功能不全、代谢性疾病以及恶性肿瘤者;④大剂量应用儿茶酚胺类药物的患者[4]。

3　编程思路的研究

3.1　常规的编程思路

车铣复合中心在针对曲面类、偏心类零部件加工编程时通常使用三维制图软件做出几何模型，再通过交互工艺参数输入模块、刀具轨迹生成模块、刀具轨迹编辑模块、三维加工动态仿真模块和后置处理模块来计算产生曲面轮廓上所有机床刀位点(或刀具铣削点)，从而形成最终的加工刀具路径[3]。

该方法产生的刀具路径长度是传统加工的上百倍，对于单件零件来说编程时间远大于加工时间，编程的效率已成为影响总体效率的关键因素之一，而且要求操作者在CAD与CAM两个方面都要有深厚的背景与经验才能很好地完成工作，这无疑增加了编程应用的难度。

3.2　高效宏程序的编程思路

在机械加工行业中，软件生成程序的方法主要应用于复杂曲面的加工，但是对于曲轴偏心类零部件加工，除了以上问题外，还存在调试难度大、程序不可移植性等诸多问题。

由曲轴图纸可知：曲轴上难加工的曲面在二维空间内投影或是一个整圆，或是由几段不同半径圆弧加直线连接形成的封闭曲线。对于这样的二维图形,可以通过数学建模和CNC代码编程来实现所需的宏程序编制。在编程时涉及到的曲轴形状尺寸和定位尺寸，可通过在宏程序中定义变量的方式对它们进行定义与赋值，这样在曲轴的尺寸发生变化后，只需对已定义的变量进行重新赋值，就可完成不同型号曲轴的加工，如此一来程序的通用性就提高了。曲面切削时刀具切入点位置的计算，则是整个宏程序编制的难点与重点。

INTER_X=COS(START_Q)*CENTER_X+SIN(START_Q)*CENTER_Y+CIRCLER

……

  

图3　矢量的旋转

假设矢量与X轴的夹角是δ，矢量绕Z轴旋转α角后又得到新的矢量其中：

X2

 

需注意的是图2中的刀具轨迹并不是一个整圆，只是特定大小的圆心角对应的一段圆弧。还需对每次插补运动的起始角度和终止角度进行约束计算，从而达到减少空刀切削时间提高加工效率的目的。从图2可以看到，应该选用臂膀的外形来作为计算基准，在每次进刀位置和出刀位置处加上适量的安全距离或安全角度后，就能满足连杆颈开档面的加工需要。

 

Z2=Z1。

列矩阵[4]：

 

(1)

矢量表示为：其中：

  

图4　刀具矢量的旋转

图4为刀具矢量的旋转示意图，如图所示，假设加工曲线上任意一点M刀具矢量为在机床坐标系中通过旋转C轴可以实现刀具始终水平方向，设定绕Z轴旋转α角可以满足为水平，其中α角等于刀具矢量方向角度δ。

根据公式

其中：

选择2010年2月至2014年2月在我院住院行康复治疗的截瘫患者186例，男105例，女81例，年龄23～68岁，平均44岁，病程1个月～32年。在康复治疗过程中患者因下肢肿胀或无明显症状行常规彩色多普勒超声检查，诊断下肢静脉血栓82例。

其中，k为恒值，经过化简得出切入点X、Y轴的坐标如下：

假设M点的参数坐标方程为：

神策门是南京明城墙十三座内城门之一，又称和平门，位于玄武区中央门以东、南京火车站以西，是明城墙保存最为完整的一座，也是所有城门中唯一保留有民国以前镝楼的城门。在战争时期，是当时军事战略要地。

 

其中,k为恒定值，对于圆特征曲线方程：

(X-a)2+(Y-b)2=r2,

其中，C转角α=φ，这样切入点参数方程为：

 

其中，a为圆心X向坐标，b为圆心Y向坐标，r为圆半径。圆上任一点M点的参数坐标方程为：

（3）港口数据集散中心。主要构建面向应用级别的数据中心与数据服务总线，各业务系统可通过数据总线将需要交换的数据统一汇总到集散中心，也同时可以从集散中心获取自身需要的数据。

X=cos(φ)×a+sin(φ)×b+r,

(2)

Y=-sin(φ)×a+cos(φ)×b。

(3)

至此完成了数学建模，在宏程序编制中刀具切入点位置的确定按照公式(2)和公式(3)就能计算出来。

3.2.2　CNC代码编程

一是顶层设计，寻求整合的体制支持。在体制机制的层面，着力解决以下问题：让制度有保障。目前体制和机制下，文化礼堂、成校归口不同部门，平时虽有联系，有互动，但停留在“接触性”而非“整合性”的层面，组织化程度不高。虽然，成校校长、教师和村居文化礼堂的管理部门彼此之间也在进行互动和联系，但这种接触性的努力，更多的还是依靠个人人脉、人情。这种非制度性的模式，往往是不可靠和不可持续的，要发挥政府“自上而下”的顶层设计与制度保障，以实现资源的整合与统筹管理。

CNC代码编程就是编写一些机床系统能识别的语言，将上面论述的想法转化成机床和刀具的运动指令。以下为切入点处的宏程序编制方法。

Western blot结果显示(图1A)：APPsw质粒组在转染24 h，48 h和72 h后的APP695蛋白表达均明显高于NC组(P<0.05)，且有明显的时间依赖性(P<0.05)。ELISA结果显示(图1B)：APPsw质粒组在转染24 h，48 h和72 h后细胞外液Aβ1-42的水平均明显高于NC组(P<0.05)，呈明显时间依赖性(P<0.05)。

DEF REAL CENTER_X,CENTER_Y,START_Q, CIRCLER, SAFE_Y

式中：DEF REAL：为编程指令，定义实数型的变量[5]；CENTER_X定义为轮廓的圆心X坐标；CENTER_Y定义为轮廓的圆心Y坐标；START_Q定义为轮廓的起始角；CIRCLER定义为轮廓的半径；定义为SAFE_Y水平切入时Y方向的安全距离。

自定义的变量经过赋值或数据传递后，再根据公式(2)和公式(3)，编程语句可写为：

3.2.1　数学建模

今年前3季度我国的中高密度纤维板进口完成14万t，比上年同期增长7.65%。主要进口来源国有：新西兰、德国、比利时等。进口金额达到1.07亿美元，比上年同期增长8.86%。

INTER_Y=-SIN(START_Q)*CENTER_X+COS(START_Q)*CENTER_Y-SAFE_Y

矢量的旋转示意如图3所示。

G1 Y=INTER_Y F3000

C1=DC(START_Q) F350

X=INTER_X F4000

Y=INTER_Y+SAFE_Y F=_FEED

在经费方面，由于社工组织提供的服务基本上是以无偿或低偿为主，为了保障组织的日常运行，社工组织在硬件设施的购买、社工薪酬、办公经费等几乎都依靠政府的财政支持。广州市政府在颁布《关于加快街道家庭综合服务中心建设的实施办法》明确提出“政府购买社会服务资金要纳入常态化财政预算。街道家庭综合服务中心购买社会服务及评估经费按照市、区(县级市)财政分担比例共同资助。广州市财政将按每个家庭综合服务中心每年200万元的项目购买经费预算来预留市的分担比例预算④。”由此看来，街道作为政府购买服务的监管方，为社工开展服务提供了场地方面的资源支持，而秉承不以营利为目的的社工组织也对政府的场地存在依赖。

……

山精又叫食人魈，体型似猿，白脸红嘴，性格残暴。它们生活在云浮山北部的鬼愁涧一带，偶尔会来到人的村子，找寻它们的猎物。它们吃一切可以吃的东西，包括自己的同类，其中最喜欢吃的，便是人，尤其是小孩。

西门子840D数控系统每次读到上面这些语句后，系统就会自动计算出刀具切入点的位置，并控制机床的X、Y、C轴移动到各自的起始位置，准备开始切削工件。后续在宏程序中使用G2/G3指令，就能完成曲轴各曲面的铣削加工[6]。

4　曲轴切削加工后的质量对比

某公司应用该宏程序完成了四种不同型号曲轴的曲面加工(曲面包括：主轴颈外圆、连杆颈外圆、臂膀外圆、连杆颈开档面等)。经现场检测，曲轴曲面的各项加工精度完全达到图纸技术要求，特别是使用车铣中心加工的曲轴相位角精度，较常规加工方法有了很大的质量改进，可以确认该宏程序可满足曲轴加工工艺的要求。

采用常规加工方法和应用宏程序加工方法后的曲轴相位角精度对比如表1所示。

 

表1　曲轴相位角对比情况

  

加工方式相位角常规加工方法(车床加装偏心工装)20′～40′本文加工方法(车铣加宏程序)7′～15′

5　结论

本编程方法做出的宏程序可作为一个子程序单独使用，相对于CAM具有一定的通用性。由CAM后处理软件编制出的程序，只适用于偏心距和曲面半径等参数不变的偏心类圆弧加工，而本编程方法编制出的宏程序在加工不同曲面时，只需在主程序中对偏心曲面的偏心距、曲面半径、起始角度、结束角度、角度增量等参数进行赋值，就可完成不同偏心距、不同半径曲面的加工，这样的宏程序具有更灵活、更便捷、通用性强的优点。对于程序校验而言，校验本方法的程序同校验CAM生成程序相比节省了大量的校验时间，减轻了工作强度，提高了校验的准确性。

参考文献：

[1]熊文伟.浅析数控曲轴连杆轴颈车床夹具设计的有效改进[J].价值工程,2011,30(7)(中旬刊):19-20

母亲回家后天放晴了，屋里不再那么冷飕飕的，下午的阳光照进来，暖洋洋的，老福意识到真不能一个人住在这幽暗的老房子里。他又闻到了鸡汤的香味，这回的汤是自己家的。母亲边用炭火煲着汤，边忙出忙进利用这久违的阳光晒被褥，使老福感到了久违的温暖。

[2]刘虎.基于车铣复合加工中心的曲轴加工工艺技术及理论研究[D].沈阳:东北大学,2012.6.

[3]夏炜,顾向阳.五轴车铣复合加工中心加工偏心曲拐类零件的编程[J].机械制造,2012,50(11):46-47.

[4]朱砾.线性代数[M].北京:科学出版社,2010.8.

[5]于杰.数控加工工艺与编程[M].北京:国防工业出版社,2009.

[6]郑堤.数控机床与编程[M].北京:机械工业出版社,2010.

近日，中共中央、国务院印发《乡村振兴战略规划（2018-2022年）》，并发出通知，要求各地区各部门结合实际认真贯彻落实。