学士学位论文发动机曲轴数控加工仿真研究.docx
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学士学位论文发动机曲轴数控加工仿真研究
摘要
发动机曲轴是发动机中最重要的部件之一，它承受复杂、交变的冲击载荷，是发动机设计的重点和难点。
正因为曲轴在发动机动力输出中的重要性及受力的复杂性，曲轴的加工质量的好坏直接影响整个发动机的寿命及性能的好坏。
随着科学技术的进步，数控加工技术得到了更广泛的应用。
数控车床、数控内铣床、数控车拉床等先进设备对主轴颈、连杆轴颈进行数控车削、内铣削、车-拉削加工，以有效减少曲轴加工的变形量。
曲轴精加工将广泛采用CNC控制的曲轴磨床对其轴颈进行精磨加工。
此种磨床将配备砂轮自动动平衡装置、中心架自动跟踪装置、自动测量、自动补偿装置、砂轮自动修整、恒线速度等功能要求，以保证磨削质量的稳定。
本文以Pro／E中的NC模块与VERICUT软件为基础，结合其各自特点，通过对某发动机曲轴的数控模拟加工的研究，提出一种零件建模、仿真加工的快捷方法，可大大加快建模编程速度、仿真验证加工工艺，提高生产效率。
关键词：
发动机曲轴；VERICUT；Pro/E；数控加工；仿真
ABSTRACT
Thecrankshaftisoneofthemostimportantpartsofengine,becauseitbearthecomplex,theimpactofalternatingload,thustheenginedesignisimportantanddifficult. Becauseofthecrankshaftintheenginepoweroutputintheimportanceandcomplexityoftheforce,thecrankshaftmachiningqualitydirectlyaffectstheentirelifeoftheengineandperformanceisgoodorbad.
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,NCtechnologyismorewidelyused.CNClathes,themillingmachine,CNClathespindlebroachingmachineandotheradvancedequipmenttotheneck,connectingrodjournalforCNCturning,millinginsidethecar-pull-cutprocessing,inordertoeffectivelyreducethedeformationofthecrankshaftmachining. FinishingwillbewidelyusedcrankshaftcrankshaftgrinderCNCcontrolforfinegrindingofitsjournal. Suchgrindingmachineswillbeequippedwithautomaticgrindingwheelbalancingequipment,thecenterrackautomatictrackingdevices,automaticmeasurement,automaticcompensationdevice,automaticwheeldressing,constantspeedandotherfunctionsrequiredtoensurethestabilityofthegrindingquality.
Inthispaper,Pro/EinNCmodulesandVERICUTsoftware,combinedwiththeirrespectivecharacteristics,theenginecrankshaftthroughaprocessofNCsimulationpresentsapartmodeling,simulationprocessing,quickwaytogreatlyspeedupthemodeling programmingspeed,simulationprocess,improveproductionefficiency.
Keywords:
NC;Pro/NC;VERICUT; machine; Simulation
目录
摘要I
ABSTRACTII
1.绪论1
1.1课题的提出依据和意义1
1.2课题选题的目的1
1.3曲轴的加工工艺发展2
2.软件的介绍4
2.1Pro/EGINEER及Pro/NC模块简介4
2.2VERICUT简介5
3.基于PRO/E的发动机曲轴的建模6
3.1发动机曲轴的选择6
3.2发动机曲轴PRO/E三维建模6
4.曲轴的加工工艺分析9
4.1曲轴的毛坯及其热处理9
4.2曲轴毛坯的制造方法9
4.3曲轴毛坯的热处理10
4.4曲轴的技术要求10
4．4．1尺寸精度和形状精度的要求10
4．4．2位置精度要求11
4．4．3表面粗糙度要求12
4．4．4其他方面的要求12
4.5曲轴数控加工工艺制定12
4．5．1加工工艺规程12
4．5．2机车曲轴加工工艺规程的制定13
5.基于Pro/NC及VERICUT的曲轴数控加工仿真15
5.1计算机辅助数控编程的步骤15
5.2Pro/NC模块的加工流程16
5.3曲轴的数控加工仿真过程18
5.4Vericut的刀位轨迹仿真24
6.结论与展望26
6.1结论26
6.2展望26
参考文献27
致谢29
附录英文原文及翻译30
1.绪论
1.1课题的提出依据和意义
在科技日新月异的今天，机械化与自动化进入了人们生产生活的各方各面，而各种机械设备都是以发动机提供源动力。
特别是在近几年，汽车行业的发展给人们的出行带来了极大的便利，而这其中，发动机起着举足轻重的作用。
曲轴是发动机的核心部件之一。
作为发动机的源动力输出部件，它承受着复杂的交变载荷，如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。
不断承受着扭转和横向、纵向振动，承受拉、压、弯曲应力。
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。
其加工精度将直接影响曲轴乃至发动机的寿命。
目前国内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。
粗加工设备多采用多刀车床车削曲轴主轴颈及拐颈，工序的质量稳定性差，容易产生较大的内应力，难以达到合理的加工余量。
一般精加工采用MQ8260等曲轴磨床粗磨-半精磨-精磨-抛光，通常靠手工操作，加工质量不稳定。
数控加工设备的引入使得曲轴加工精度及效率大幅度提升，而传统的制造加工过程，一般都是通过在数控机床上对NC代码进行空运行或是采用较软、较便宜的材料进行样件试切操作，以检验数控代码的正确性与合理性。
这将会占用大量的机床实际加工时间，降低机床的效率。
采用先进的仿真技术可以利用计算机图像模拟加工过程，并观察刀具运动及刀具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。
1.2课题选题的目的
本文预计达到以下目的：
1．对发动机曲轴进行结构及加工工艺分析，并建立PRO/E三维模型。
2．使用Pro/ENC模块和VERICUT软件完成整个加工过程及加工过程的仿真，生成数控程序代码，分析仿真结果。
3．认识使用软件建模及仿真加工，对产品制造产生的优势。
1.3曲轴的加工工艺发展
20世纪70年代以前，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。
在粗加工后一般需要进行去应力回火处理，释放应力。
因此粗加工需要给后续精加工工序留较大的加工余量，以去除弯曲变形量。
曲轴精加工采用的是普通磨削工艺，一般采用MQ8260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。
20世纪70年代到80年代左右，曲轴粗加工采用CNC车削、CNC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。
20世纪80年中期又出现了CNC内铣工艺，CNC内铣加工性能指标要高于CNC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。
1985年到1990年左右开发出了曲轴车拉、车－车拉工艺，该工艺具有精度高、效率高等优点，特别适合于平衡块侧面不需要加工且轴颈有沉割槽（包括轴向沉割槽）的曲轴，加工后曲轴可直接进行精磨，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。
20世纪90年代中期又开发出CNC高速外铣，它对平衡块侧面需要加工的曲轴，比CNC车削、CNC内铣、车－车拉的生产效率还要高。
另外，CNC车－车拉工艺加工连杆轴颈要二道工序，CNC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350m/min）、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CNC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。
20世纪90年代开发的CBN高速磨削。
英国LANDIS公司生产的曲轴磨床，磨削速度高达120m/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21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。
奥地利WFL公司生产的卧式车铣复合加工中心能在曲轴硬化前“一次装夹，全部加工”，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CBN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）。
由以上演变可以看出，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－车拉工艺和高速外铣，连杆颈采用高速随动外铣，全部采用干式切削；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。
2.软件的介绍
2.1Pro/EGINEER及Pro/NC模块简介
Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC）旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。
Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。
是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。
Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。
另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。
Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。
它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。
Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。
其主要特点如下：
1.参数化设计
相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。
2.基于特征建模
Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。
这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。
3.单一数据库（全相关）
Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。
所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。
换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。
例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。
这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。
这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。
Pro/ENGINEER是一个全方位的三维产品开发综合软件，作为集成化的CAD/CAM/CAE系统，在产品加工制造的环节上，同样提供了强大的加工制造模块—Pro/NC模块。
Pro/NC模块能生成驱动数控机床加工Pro/ENGINEER零件所必需的数据和信息，能够生成数控加工的全过程。
Pro/ENGINEER系统的全相关统一数据库能将设计模型的变化体现到加工信息中，利用它所提供的工具能够使用户按照合理的工序将设计模型处理成ASCⅡ码刀位数据文件，这些文件经过后处理变成数控加工数据。
Pro/NC模块生成的数控加工文件包括：
刀位数据文件、刀具清单、操作报告、中间模型、机床控制文件等。
用户可以对所生成的刀具轨迹进行检查，如不符合要求，可以对NC数控工序进行修改；如果刀具轨迹符合要求，则可以进行后置处理，以便生成数控加工代码，为数控机床提供加工数据。
Pro/NC模块的应用范围很广，包括数控车床、数控铣床、数控线切割、加工中心等自动编程方法。
2.2VERICUT简介
VERICUT软件是由美国CGTECH公司开发的专用数控加工仿真软件，运行于Windows或UNIX平台下，能够真实地模拟在加工过程中刀具的切削、加工零件、夹具、工作台及机床各轴的运动情况，VERICUT软件不仅能够对NC程序进行仿真、验证、分析及优化，而且能够对机床进行仿真。
通过VERICUT软件模拟机床加工的过程，能真实反映加工过程中遇到的各种问题，包括加工编程的刀具运动轨迹、工件过切情况和刀、夹具运动干涉等的错误，甚至可以直接代替实际加工过程中试切的工作，并且提供了对刀位轨迹和加工工艺优化处理的功能，可以大大提高零件的加工效率和机床的利用率。
VERICUT软件采用了先进的三维显示及虚拟现实技术，对数控加工过程的模拟达到了极其逼真的程度，并且机床的运行过程和虚拟的工厂环境也能被模拟出来，以检测加工过程中可能存在的问题，为用户挽回不必要的损失。
VERICUT软件作为机床控制模拟系统的佼佼者，为CAD/CAM产品市场和用户提供了最佳的数控机床加工仿真工具。
VERICUT软件目前已被世界许多国家的著名学校、研究机械和制造企业使用，并且众多的CAD/CAM软件，如CATIA、UG、EdgeCAM、Pro/ENGINEER、MasterCAM等，都集成或外挂了VERICUT模块。
3.基于PRO/E的发动机曲轴的建模
3.1发动机曲轴的选择
此处省略 NNNNNNNNNNNN字。
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该论文已经通过答辩
下面以某发动机曲轴为研究对象，该曲轴为四缸发动机曲轴，根据发动机气缸的数目，曲轴一般分为单缸，双缸，四缸和六缸曲轴，四缸发动机曲轴有五个主颈和四个连颈，四个连颈互成180度分布，该曲轴总长560mm,其中主颈长30mm,连颈长30mm，曲轴图如图1：
图1发动机曲轴图
3.2发动机曲轴PRO/E三维建模
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：
首先输出带有倒角及键槽的以拉伸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,动力输出端见图2。
图2动力输出端图形
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。
见图3。
图3曲轴第一曲拐图
然后复制、平移、旋转操作，完成第二曲拐,如图4。
图4完成第二曲拐后的PRO/E建模图
在第三个主轴颈中心建立一个参考平面，然后镜像前两个曲拐得到最终的曲轴PRO/E建模图（图5）。
图5曲轴的PRO/E建模图
拐臂上去除部分材料的原因：
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Pro／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。
油孔的作用：
为连杆和曲轴颈提供润滑。
4.曲轴的加工工艺分析
4.1曲轴的毛坯及其热处理
曲轴材料的选者原则是在保证曲轴安全、可靠、稳定的基础下，在保证具有足够的强度的前提下，尽可能采用一般材料。
除考虑机械性能、疲劳强度外，还要考虑耐磨性、抗冲击韧性，以及制造加工的工艺性、设备能力和热处理性能等等。
曲轴主要采用材料有优质碳素钢、合金钢、球墨铸铁等。
现代大量生产的小型柴油机，其曲轴材料一般采用球墨铸铁和优质碳素钢，例如QT700．2球墨铸铁和35，40，45钢等。
大型低速柴油机曲轴，多采用半组合式制造，这时主轴颈常用35，40钢；连杆及曲柄臂则采用ZG35，ZG45，ZGMnV铸钢。
中、高速柴油机整体式曲轴，采用35，40，45，40Cr，35CrMoA钢为多，也可以采用球墨铸铁QT700-2。
对于高速强载大功率柴油机曲轴则多采用合金钢，如35CrMoA，18CrNiWA等。
4.2曲轴毛坯的制造方法
曲轴毛坯的制造方法有锻造和铸造两种，常取决于所选用的材料、生产批量和工厂的具体情况。
当选用钢材时，常用锻造方法制造毛坯：
小型曲轴、生产批量大时采用模锻；中型大型整体曲轴采用自由锻或者镦锻；大型半组合曲轴，其来连杆用铸钢件。
当选用球墨铸铁时，则用铸造方法获得曲轴毛坯。
曲轴毛坯的两种制造方法各有其优点和缺点：
利用锻造方法制造出的曲轴毛坯可以获得较合理的结构形状，如椭圆形曲柄臂、桶形空心轴颈和卸荷槽等从而使应力均匀分布。
锻钢曲轴虽然可以得到有利的纤维组织，并且能按要求获得较佳的截面模量和紧密细晶金粒组织，质量稳定，但是它的成本较高；利用铸造方法制造出的曲轴毛坯的切削加工性能好，并有较好的减震性和耐磨性，且生产成本低。
球铁的铸造性能好，适用与采用精密铸造，使机械加工余量减少，可简化机械加工工艺过程，提高生产力并降低成本，铸造曲轴平均比锻钢曲轴节省50％的成本。
近十年来广泛采用特殊制造法制造曲轴毛坯，较成功的是镦锻弯曲法，既RR锻造法和TR锻造法。
此法最大优点是能使锻件纤维沿曲轴的形状连续分布，扭曲少，材料利用率高，机械加工工时省，成本低。
4.3曲轴毛坯的热处理
锻钢曲轴毛坯一般在锻成后预先作正火或者退火处理，以消除锻造应力，改善坯件材料组织的均匀性，并有利于机械加工及为最终热处理做好准备。
对于性能要求不高的碳素钢曲轴既可通过锻件的正火或者退火作为最终热处理，在机械加工中不再进行热处理。
大型或者中型碳素钢曲轴，在加工过程中进行的中间热处理（650"C回火），知识作为大量金属切削后消除应力之用，不改变金相组织，正火后曲轴的硬度一般为170～241HB。
对于性能要求高的碳钢或者合金钢曲轴，除了毛坯作预先正火处理或者退火处理外，在机械加工过程中，常常还要进行调质处理作为最终的热处理。
调质可以提高曲轴的疲劳强度、韧性和耐磨性，但往往引起淬火不均匀而造成曲轴的变形。
热处理变形可以通过校直的方法来消除。
调质后的硬度，碳钢为207～269HB，合金钢的硬度为240～352HB。
对球墨铸铁曲轴一般采用正火处理，正火后硬度为240～320HB。
精加工前应进行退火处理，硬度为220～290HB。
对铸钢曲柄应进行两次正火和回火处理，或者高温扩散退火、正火及回火处理，粗加工后应进行退火处理。
对工件表面要求硬化处理的合金钢曲轴，轴颈表面可采用表面淬火或者氮化处理，硬度达50HRC以上，淬硬深度>2～3mm，氮化层深度>0．3mm。
必须注意，各轴颈圆角处不应淬硬。
对工件表面要求淬硬的轴颈，推荐用高频表面淬火，淬硬深度为2.5～4mm
4.4曲轴的技术要求
4．4．1尺寸精度和形状精度的要求
由于曲轴是旋转体零件，各主轴颈和连杆颈与轴瓦要在高单位面积压力和高速滑动摩擦条件下工作，为了减少磨损，对各轴颈的尺寸和形状精度均有较高的要求。
通常：
主轴颈和连杆颈的直径尺寸：
低速度柴油机按IT7级公差加工；中速柴油机按IT6
级公差加工；高速柴油机按IT6或者更高一级的公差加工。
各轴径长度尺寸和曲柄臂厚度：
均按IT9级公差加工。
曲柄半径的偏差：
每lOOmm长不超过士O．15mm。
凸缘外圆直径：
（与飞轮或联轴节连接）按IT7级公差加工。
其余自由尺寸均按ITl4级公差加工。
轴径的形状公差（圆度和圆柱度）要求，根据不同情况而定。
通常，低速柴油机的形状公差约为尺寸精度IT9级公差的四分之一；中、高速柴油机则为IT7级公差的四分之一。
其具体数值不得超过表1的规定。
曲轴的轴径过渡圆弧须用样板检验，样板与过渡圆弧之间的间隙不得超过0．2mm。
表1曲轴各轴颈圆度和圆柱度公差（单位：
mm）
～75
75～100
100～150
150～250
250～350
350～500
500～600
主轴颈
0.005
0.0075
0.01
0.013
0.015
0.02
0.025
曲柄销
0.005
0.01
0.0125
0.015
0.02
0.025
0.03
4．4．2位置精度要求
为使活塞连杆运动部件运行正常，减少曲轴的附加应力。
避免轴颈与轴瓦产生不均
匀磨损，柴油机正时准确、运动平衡和工作可靠，对曲轴位置公差提出下列几方面的要求。
主轴颈对曲轴轴线的径向圆跳动量，一般高速柴油机为O．01～0．04mm；中、大型
柴油机为0．04～0．08mm。
主轴颈对曲轴线的径向圆跳动公差，在每个主轴颈两端（即首、尾两端），每转动45度用千分表测量一次。
其值不得超过表2的决定。
表2主轴径向圆跳动公差值（单位：
mm）
曲柄
数目
轴颈支承数目
主轴径向圆跳动公差值
～75
75～100
100～150
150～250
250～350
350～500
500～600
3
l
0．015
0．02
0．025
0．03
O．03
0．04
4
2～3
0．02
0．025
0．030
0．04
0．05
0．07
5～8
3～4
0．025
0．03
0．035
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