多軸數(shù)控加工技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸加工中的應(yīng)用研究

摘 要：采用數(shù)控多軸加工技術(shù)加工曲軸，不僅能夠提高加工效率和精度，還能確保曲軸質(zhì)量和性能。這種高精度的加工能力可以確保曲軸在發(fā)動(dòng)機(jī)中的裝配精度，提升汽車的整體性能和品質(zhì)?。文章首先對(duì)多軸數(shù)控加工技術(shù)原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，其次對(duì)多軸數(shù)控加工在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸加工中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，最后對(duì)多軸數(shù)控加工技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸加工中的應(yīng)用流程進(jìn)行了探討，希望對(duì)推動(dòng)多軸數(shù)控加工技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸加工中的應(yīng)用作出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工 曲軸加工 應(yīng)用

多軸數(shù)控加工技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)同時(shí)控制多個(gè)數(shù)控軸來加工多個(gè)刀具或零件，進(jìn)而有效地提高加工效率和加工質(zhì)量[1]。多軸數(shù)控加工技術(shù)具有較高的精密性，可以在一臺(tái)機(jī)床上使用多個(gè)軸進(jìn)行數(shù)字化控制，完成對(duì)復(fù)雜工件的加工操作[2]。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，零部件加工精度的要求不斷提高，傳統(tǒng)數(shù)控加工技術(shù)已經(jīng)不能滿足需求。多軸數(shù)控加工技術(shù)通過增加機(jī)床的自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)更加復(fù)雜的加工操作[3]。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通常具有復(fù)雜的曲面和不規(guī)則形狀，多軸數(shù)控加工技術(shù)能夠處理這些復(fù)雜曲面，提高加工效率。本文將深入探討多軸數(shù)控加工技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸加工中的應(yīng)用。

1 多軸數(shù)控加工技術(shù)原理

多軸數(shù)控加工技術(shù)允許在工件的一次裝夾中完成多個(gè)工序的加工，從而避免了多次安裝帶來的定位誤差，能夠提高加工精度和生產(chǎn)效率?。多軸數(shù)控加工技術(shù)的原理在于其多個(gè)獨(dú)立軸的聯(lián)動(dòng)控制，如圖1所示，包括三個(gè)線性軸（X、Y、Z）和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸（A、B或C）。這些軸協(xié)同工作，使得機(jī)床能夠在三維空間內(nèi)對(duì)工件進(jìn)行全方位加工?。具體來說：（1）X、Y、Z軸?：分別控制工件的前后、左右、上下方向的移動(dòng)，確保工件在平面和立體空間內(nèi)的準(zhǔn)確位置。（2）A、B或C軸?：控制工件的旋轉(zhuǎn)，A軸繞X軸旋轉(zhuǎn)，C軸繞Z軸旋轉(zhuǎn)（B軸繞Y軸旋轉(zhuǎn)），實(shí)現(xiàn)不同方向上的旋轉(zhuǎn)加工。

2 在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸加工中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控技術(shù)被廣泛應(yīng)用在汽車零部件加工中，可有效優(yōu)化汽車零部件加工流程，提升零部件加工精度與生產(chǎn)效率[4]。多軸數(shù)控加工技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸加工中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要包括以下幾個(gè)方面。

2.1 提高加工精度

數(shù)控多軸加工中心，如五軸加工中心，能夠在X、Y、Z三個(gè)線性軸的基礎(chǔ)上，通過額外的旋轉(zhuǎn)軸（如A軸和C軸）實(shí)現(xiàn)工件在不同角度的加工。這種多角度加工能力大大提高了曲軸的加工精度，確保了曲軸的裝配精度和整體性能?。

2.2 提升加工效率

多軸數(shù)控加工允許在一次裝夾中完成曲軸多個(gè)面的加工，顯著提高加工效率，降低生產(chǎn)成本。對(duì)于汽車制造業(yè)來說，這意味著更短的生產(chǎn)周期和更高的產(chǎn)能，有助于提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力?。

2.3 降低廢品率

由于多軸數(shù)控加工的高精度和穩(wěn)定性，曲軸在加工過程中的廢品率得以降低。這可以減少材料浪費(fèi)和重復(fù)加工成本，進(jìn)一步提升生產(chǎn)效益?。

2.4 應(yīng)對(duì)復(fù)雜形狀加工需求

曲軸作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，其形狀復(fù)雜、曲率多變。數(shù)控多軸加工中心憑借其出色的加工能力，能夠輕松應(yīng)對(duì)這些復(fù)雜形狀的加工挑戰(zhàn)，滿足汽車制造業(yè)對(duì)高精度、高強(qiáng)度曲軸的需求?。

3 多軸數(shù)控加工關(guān)鍵技術(shù)分析

隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度提升和對(duì)高效、精準(zhǔn)加工的不斷追求，多軸數(shù)控加工技術(shù)已日益成為現(xiàn)代機(jī)械制造領(lǐng)域不可或缺的一部分[5]。多軸數(shù)控加工關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面。

計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（Computer Numerical Control，CNC）系統(tǒng)是一種由程序控制的自動(dòng)化機(jī)床，屬于專用的實(shí)時(shí)多任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?。它通過數(shù)字、文字和符號(hào)組成的數(shù)字指令來控制機(jī)床動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)精確的加工操作。CNC系統(tǒng)?是多軸數(shù)控技術(shù)的核心，負(fù)責(zé)接收和解析編程指令，控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軌跡和加工過程。CNC系統(tǒng)能夠確保各個(gè)軸的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)同步和協(xié)調(diào)，以完成復(fù)雜曲面和不規(guī)則形狀的加工。

3.1 數(shù)控編程和仿真技術(shù)

3.1.1 數(shù)控編程技術(shù)

?數(shù)控編程?是指將零件的加工工藝過程、工藝參數(shù)、機(jī)床運(yùn)動(dòng)以及刀具位移量等信息用數(shù)控語言記錄在程序單上，并通過校核的全過程。數(shù)控編程主要方法包括（1）手工編程?：編程的各個(gè)階段均由人工完成，適用于形狀簡(jiǎn)單、程序不長(zhǎng)的零件。（2）自動(dòng)編程?：利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行編程，適用于復(fù)雜零件和長(zhǎng)程序，能夠提高編程效率和準(zhǔn)確性。（3）CAD/CAM軟件：CAD軟件用于工件設(shè)計(jì)與繪圖，而CAM軟件則用于生成數(shù)控編程代碼。

3.1.2 數(shù)控編程仿真技術(shù)

數(shù)控編程仿真是一種高效的數(shù)控編程驗(yàn)證及優(yōu)化方法，它通過使用軟件工具來模擬數(shù)控機(jī)床的工作過程。仿真技術(shù)可以在沒有真實(shí)加工的情況下檢查和調(diào)整編程代碼，從而減少或消除實(shí)際加工中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤和問題。常用的?數(shù)控編程仿真軟件包括VERICUT、凱勒數(shù)控仿真模擬軟件等，由于篇幅有限，下面僅對(duì)VERICUT軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單說明。

?VERICUT軟件能夠仿真各種CNC系統(tǒng)，支持刀位文件和CAD/CAM后置處理的NC程序仿真。VERICUT的特點(diǎn)是能夠進(jìn)行NC程序優(yōu)化，縮短加工時(shí)間，延長(zhǎng)刀具壽命，改進(jìn)表面質(zhì)量，防止機(jī)床碰撞和超行程錯(cuò)誤。?VERICUT軟件的仿真流程主要包括建立機(jī)床模型、定義運(yùn)動(dòng)關(guān)系、調(diào)用控制器進(jìn)行模擬等步驟?，如表1所示。

3.2 切削工藝

切削工藝涉及刀具選擇、切削參數(shù)設(shè)定以及切削過程控制。切削工藝對(duì)加工效率和加工質(zhì)量有著顯著影響。其中，切削三要素——?切削速度、進(jìn)給量和切削深度?是關(guān)鍵因素。

3.3 智能控制技術(shù)

智能控制技術(shù)利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)對(duì)加工過程進(jìn)行智能優(yōu)化和自適應(yīng)調(diào)整，進(jìn)一步提高加工效率、降低加工成本并提升零件加工質(zhì)量?。

4 在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸加工中的應(yīng)用流程

4.1 設(shè)備調(diào)試和程序編寫

在開始實(shí)際加工之前，需要對(duì)多軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行調(diào)試，確保設(shè)備和加工程序的正常運(yùn)行。確定工件坐標(biāo)系原點(diǎn)，并通過CAD/CAM軟件編寫數(shù)控程序，再輸入到機(jī)床控制器中?。通過CAD/CAM軟件編寫數(shù)控程序的方法和步驟主要包括以下幾個(gè)方面，如表2所示。

在整個(gè)過程中，CAD/CAM軟件能夠顯著提高編程效率，減少人工錯(cuò)誤，并簡(jiǎn)化汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的數(shù)控編程。然而，編程人員仍然需要對(duì)曲軸圖樣進(jìn)行仔細(xì)分析，以及進(jìn)行必要的數(shù)學(xué)處理。數(shù)控程序在多軸數(shù)控加工系統(tǒng)中的位置和作用如圖2所示。

4.2 裝夾工件

將曲軸工件放在夾具上并固定好。根據(jù)零件設(shè)計(jì)要求測(cè)出工件坐標(biāo)系的相對(duì)位置，再將該位置坐標(biāo)值輸入到機(jī)床控制器中，確定工件的絕對(duì)坐標(biāo)系點(diǎn)。填寫好加工參數(shù)，為后續(xù)加工做好準(zhǔn)備?。

4.3 粗加工

利用多軸數(shù)控機(jī)床按程序?qū)ηS進(jìn)行粗加工，去除大量余量，使曲軸整體形狀成型。粗加工過程中，主要關(guān)注加工效率和工件整體形狀，為后續(xù)加工打下良好基礎(chǔ)?。

4.4 半精加工

在粗加工的基礎(chǔ)上，進(jìn)行半精加工，進(jìn)一步提高曲軸加工精度。半精加工通常使用較小直徑的球頭銑刀，去掉多余部分，為最終精加工提供更完美的表面?。?

4.5 精加工

精加工是多軸數(shù)控加工技術(shù)中最為關(guān)鍵的一步，需要將曲軸精度提高到最高水平。使用細(xì)小槽銑刀進(jìn)行切削，切削深度很小，以確保曲軸表面質(zhì)量和尺寸精度。在精加工過程中，對(duì)曲軸進(jìn)行多方面檢測(cè)，如尺寸、偏差和表面質(zhì)量等，確保曲軸滿足設(shè)計(jì)要求?。

5 結(jié)語

多軸數(shù)控加工技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸加工中的應(yīng)用具有顯著優(yōu)勢(shì)，它能夠提高加工精度和效率，降低生產(chǎn)成本和廢品率，確保曲軸的高精度和高質(zhì)量，從而滿足汽車發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)曲軸的高要求。多軸數(shù)控加工關(guān)鍵技術(shù)包括CNC系統(tǒng)、數(shù)控編程和仿真技術(shù)、?切削工藝、?智能控制技術(shù)等。多軸數(shù)控加工技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸加工中的應(yīng)用流程包括設(shè)備調(diào)試和程序編寫、裝夾工件、粗加工、半精加工、精加工。相信，未來，隨著多軸數(shù)控加工技術(shù)的不斷發(fā)展，必將推動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸加工的高精度、高效率、高質(zhì)量。

基金項(xiàng)目：2024年蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院課題《新雙高背景下項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的數(shù)控多軸加工技術(shù)教學(xué)模式探索》（項(xiàng)目編號(hào)：2024XY-25）。

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