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加工曲轴用可转位车拉刀的CAD/CAM

• 技术综合

1 引言

可转位车拉刀具有加工效率高、加工质量好、刀具寿命长、换刀和调刀方便等优点，是目前汽车曲轴粗加工首选的先进刀具。我国汽车行业所用车拉刀长期依赖进口，由于价格昂贵，大大增加了曲轴的加工成本。为了实现可转位车拉刀的国产化，近年来国内多家企业相继开发了车拉刀产品，但由于可转位车拉刀结构复杂，技术含量高，制造难度大，对加工条件及加工精度要求严格(需在高精度五坐标数控机床上加工)，且多数采用操作者手动编程加工，因此造成刀具制造周期长，加工精度不易保证，废品率较高。
我公司利用SUN图形工作站及美国SDRC公司的I-deas软件，结合从德国引进的英格索尔MAX-I型可转位刀具设计理论，采用CAD/CAM技术成功解决了可转位车拉刀的设计制造难题，较好保证了国产可转位车拉刀的产品质量和加工效率。

2 车拉刀结构设计

完整的车拉刀是由多个扇形车拉刀块在鼓轮上组装而成。下面以一个扇形车拉刀块为例，对车拉刀的CAD/CAM方法作一介绍。
针对曲轴加工切削余量大(约4～5mm)、轴径及侧壁宽度公差要求严格(粗加工+0.1mm，精加工+0.04mm)以及切削效率和表面粗糙度要求较高等特点，车拉刀的结构设计要点如下：

  1. 采用德国英格索尔MAX-I型立装铣刀结构。车拉刀的刀片呈切向排列，刀片用单个螺钉紧固，通过切削力夹紧。该刀具结构刀片转位方便、迅速，刀具配件少，可增加容屑空间和有效切削齿数。相对于平装刀片结构，立装刀片结构可增大刀片承受切削力的面积，即增大切削刃承受切削载荷的能力，从而可实现大进给、大切深的高效切削加工。
  2. 扇形车拉刀块前端采用可换式模块结构。车拉刀最前端的刀片承受的切削力和冲击载荷最大，因此该处的刀片及刀体最易发生磨钝、崩刃和破损。在车拉刀前端采用可换式模块结构，可在刀片或刀体发生破损时实现快速更换，从而缩短换刀周期，并有效保护其它刀片及刀体免受大载荷冲击。采用该结构可延长刀具使用寿命，节约生产成本，并能保证良好的加工精度。
  3. 刀片按齿升量排列。刀片按齿升量排列可实现对曲轴的分层切削，从而有效降低切削抗力，减轻曲轴加工时的弯曲现象，提高加工质量和切削效率。
  4. 圆周方向的刀片采用不等齿距排列，且将同一尺寸的一组刀片错开一个相位角，从而可减小切削振动，增加切削平稳性。
  5. 采用合理的几何角度和较高的尺寸精度要求。

3 车拉刀CAD步骤

  1. 根据用户提供的曲轴加工图，绘制出如图1所示的车拉刀分层切削线型图，并据此确定每层间距(即齿升量)和每层的径向尺寸及轴向宽度尺寸。前五组刀片用于粗加工，采用较大齿升量；后五个刀片用于保证曲轴加工精度，选用较小齿升量。

    图1 车拉刀分层切削线型图

  2. 以车拉刀分层切削线型图为基准进行线型分割，并绘制硬质合金刀片排列搭接图(见图1)。
  3. 根据刀片搭接图以及车拉刀的直径尺寸和扇面大小，确定车拉刀的有效切削齿数，并在扇形块区间内进行圆周分布，然后将车拉刀最前端的一组切削齿变为快换模块。
  4. 计算每个刀片的错位量，以形成落差值。计算公式为 x=0.5{W b+C[D2/(Wb2 +C2)-1]½} 式中：Wb——轴向截面上的刀片宽度
    C——落差值
    D——刀片所在圆的直径
    由于每组刀片的直径尺寸各不相同，因此必须单独计算每组切削齿的错位值，然后将每组刀片转到车拉刀块扇形面上要求的位置处，并进行不等齿距排列。

  5. 将同一直径的两个同组刀片旋转错开一个相位角。
  6. 将每个刀片绕其端面侧刃旋转，产生一个侧刃后角a。
  7. 根据刀片位置确定容屑空间。由于车拉刀块上齿数较多，容屑空间相对较小，因此设计容屑槽时应尽可能增大容屑空间，并使其向排屑顺畅的方向开放一个角度。
  8. 确定安装结构、尺寸及车拉刀的尺寸精度。根据上述CAD步骤设计出的车拉刀结构如图2所示。

图2 车拉刀的设计结构

图3 可转位车拉刀的程序编制流程图

4 车拉刀CAM步骤

  1. 根据确定的结构方案及设计草图，用I-deas实体软件进行实体造型。根据实体造型可直观地预览加工出的成品车拉刀的三维结构形状，并可通过软件的测量功能检测出车拉刀的各项尺寸、角度及相关装配、加工的干涉情况，以便及时验证、修改和调整前期设计方案，同时生成二维平面设计图纸。
  2. 二次造型，生成加工模型单元。将每个刀片及其排屑槽、空刀、螺钉等组成一个独立单元。考虑到实际加工中需要足够的进刀、退刀空间以及进刀起始点、顺逆铣等因素，适当选取独立单元中的相关曲面及其它参照曲面作为刀具加工的轨迹、边界及方向的基准。然后通过object-append命令生成各个独立的加工模型单元。
  3. 进入NC-SETUP模块，产生工作文件jobfile。用surface-set命令选取并确定二次几何造型中独立单元的各加工曲面及参考平面，并生成一个GNC格式的作业文件xxx.JB。
  4. 确定加工工艺。由于该车拉刀直径较大(Ø851mm)，超过了现有机床的加工范围，因此必须设计一个非标工装将其装夹在工作台上，加工车拉刀的双侧刀齿必须进行二次装夹和定位。车拉刀单侧加工的工艺路线确定为：铣空刀→粗铣刀片槽→加工排屑槽→半精铣刀片槽→加工螺钉中心孔→钻螺钉孔→攻丝→精铣刀片槽。根据工艺设计要求选择加工机床、编制工艺规程(选择刀具切削用量、加工余量、加工路线等)，并将选用的刀具及切削用量按GNC格式写入作业文件xxx.JB中。
  5. 编制加工程序Sequence。进入GNC模块，将作业文件xxx.JB调入。根据已确定的加工工艺路线及GNC编程命令进行编程。编程时，需要考虑走刀方向、逆顺铣、攻丝进退刀的正反转等因素。常用的编程命令有Partsurf/、Guv/、Multaxis/、Taxis/、Goto/等。
  6. 生成刀位文件xxx.CL。Sequence加工程序编制完成后，可模拟演示整个加工过程。在确定加工路线、走刀轨迹、走刀方向等准确无误后，用Finish命令结束job作业，同时生成一个刀位文件xxx.CL。
  7. 进行后处理。选择所用机床的专用后处理程序对刀位文件xxx.CL进行后处理，同时生成能被机床识别的G代码型式的加工程序xxx.TP。然后根据数控加工中的实践经验对加工程序xxx.TP进行再次编辑和整理，以缩短空行程时间和距离、调整走刀速度等。
  8. 试加工。将编辑好的加工程序输入机床进行首件试加工，检查加工结果与设计要求是否吻合。如果加工误差由实际加工中机床的精度、二次装夹定位等因素产生且易于调整，可由数控机床操作者直接进行调整。否则需返回到GNC的Sequence中进行调整及修正，并进行二次试加工，直至加工结果正确为止。
可转位车拉刀的程序编制流程如图3所示。

5 结语

CAD/CAM技术的应用显著提高了可转位车拉刀的设计制造精度和生产效率，缩短了刀具生产周期，降低了废品率。经北京吉普车厂等国内多家用户的生产应用，证明我公司生产的可转位车拉刀各项性能优良，可替代国外同类产品。

作者：西部车床，如若转载，请注明出处：https://www.lathe.cc/2022/06/6243.html

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