随着时代的进步及需求，汽车已经与我们的生活息 息相关。汽车性能的好坏直接由汽车发动机决定，而曲 轴精度又直接影响着发动机的好坏。

在当今市场产品严重同质化的情况下，为提高产品 竞争力，近年来发动机曲轴加工采用了不少特种工艺， 以增强企业的竞争优势。 数控技术的成熟以及CAD/CAM技术的广泛应用， 给机械制造行业带来了更多的选择。如果能将CAD/ CAM技术广泛应用在汽车零部件自动化设计与制造方 面，将对整个汽车制造行业是一种颠覆。

1 CAD/CAM技术介绍

CAD是指利用计算机进行辅助设计，它的全称是计 算机辅助设计。1972年10月“CAD原理工作会议”在荷 兰正式展开辩论，会议上给出了CAD技术的定义[1]。设 计人员们经常把计算机作为辅助设计工具，进行设计、 绘制、分析、编写NC程序等工作[2]。

CAM是指通过计算机进行辅助制造，其全称是计 算机辅助制造。CAM技术是运用计算机的高效性，对 数控机床进行管理、控制和运行的全过程[3]。

 CAD/CAM技术则是一种新型而先进的且多功能集 成在一起的计算机应用技术。该技术用于设计员在计 算机的辅助下完成产品的一些列设计、制造及加工等 工作，是人与计算机的一种共同作用的巧妙结合[4]。但 CAD/CAM技术不能完全代替人们的工作行为，它只是 为人类的工作提供一种辅助性质的手段，我们能通过这 种技术手段更好的完成工作中的任务。

2 基于CAD/CAM技术的数控加工工业

数控技术是指计算机通过数字指令控制机床运动的 一种数字控制技术，而数控加工是用数字信息控制零件 和刀具位移的机械加工方法。它具有高于7级的加工精 度、能生成NC程序、生产力强、经济性好。特别是对 于汽车、航天等几何形状复杂、精度高的零件加工,更 体现出数控加工的强大之处[5]。而数控编程一般是由手 动编程与自动编程组成。自动编程是指从曲轴的三维模 型图的数控加工仿真导出数控加工程序。其主要任务是 记录刀具在加工过程中的轨迹，从而自动生成数控程序 文件。自动编程技术可帮助我们解决几何形状复杂和难 加工零件的数控加工编程问题[6]。

与手动编程相比,自动 编程的大部分工作都由计算机辅助完成,减少了人工输 入，提高了编程的效率，解决了许多手工编程无法完成 的问题[7]。本设计就是采用自动编程方式来完成。

3 曲轴加工工艺分析

需要加工的曲轴型号为桑塔纳2000，其外形轮廓极 其复杂，这就需要在加工前对曲轴零件进行分析，并制 定相应的加工工艺计划。在工艺卡片中，需确定加工设 备、刀具以及切削参数。

3.1 曲轴主要加工表面及技术要求

如图1所示，黄色部分为为主要加工表面，桑塔纳2000的曲轴主要加工表面及技术要求如下： 

图1 主要加工表面 

曲轴的动力端、轴颈和输出端都要与外界相连接， 从而达到力的传递。因此，与连杆、轴承连接的外圆表 面处有很高的尺寸和形位公差要求。一般按6级精度制 造，其表面粗糙度不高于0.8μm，圆度≤0.005mm。

3.2 曲轴数控加工工艺过程

1）毛坯铸造成型

2）粗铣轴颈左端外圆表面 精铣轴颈左端外圆表面

3）粗铣轴颈外圆表面 精铣轴颈外圆表面

4）粗铣轴颈右端外圆表面 精铣轴颈右端外圆表面

5）中频淬火

6）钻螺纹孔

7）攻丝

3.3 实测曲轴尺寸

桑塔纳2000型的汽车曲轴尺寸如图2所示。

图2 曲轴零件图

3.4 曲轴加工工艺卡片（简卡）

曲轴外形轮廓复杂，需要加工的地方很多，这就需 要制定相应的加工工艺卡片，如表1所示。

表1 曲轴加工工艺卡片

4 汽车曲轴的三维建模

利用集成有CAD/CAM功能的UG NX软件建模，其一般流程如下：

1）进入模型绘制环境；

2）进行二维草图绘制；

3）以二维草图为基础，创建相关立体特征，得到如图3所示的曲轴三维图。

图3 曲轴三维模型

5 数控加工仿真

5.1 数控加工仿真流程

集成有CAD/CAM功能的UG NX软件能够模拟数 控加工的全过程，其一般的操作顺序如图4所示，其中 “NC操作”指的是创建程序名、几何体、刀具等。由 于轴颈加工程序较多，现仅截取一段孔的数控加工仿真 图，如图5所示，后附相应NC程序。

图4 UG NX数控加工流程

图5 曲轴轴端孔的数控加工仿真图

其孔加工程序如下：

%

N0010 G40 G17 G90 G21

N0020 G91 G28 Z0.0

N0030 T02 M06

N0040 G00 G90 X-0.7382 Z-1.2786 S100 M03

N0050 G43 Y-21.8504 H02

N0060 G18 G81 X-0.7382 Y-20.3687 Z-1.2786 R-21.5551 F9.8

N0070 G80 N0080 M02

%

5.2 基于CAD/CAM的汽车曲轴的数控加工仿真展示

在加工仿真前需要选择合适的机床，本文选用的法 兰克（fanuc）系统的4轴立式铣床，其加工仿真环境截 图如图6所示，在CAM环境下加工轴颈时生成的刀具路 径如图7所示。

图6 曲轴的数控加工仿真环境截图

图7 CAM环境下加工轴颈的刀具路径

6 结语

汽车曲轴的生产在汽车制造业中占据重要地位，而 曲轴又是一种外形轮廓复杂的锻造件，后期成形、粗加 工和精加工工序多，难度大。再者，加上汽车发动机气 缸冲程的作用力，使得曲轴受到交变式的弯扭载荷，为了保证曲轴的使用寿命，人们在曲轴的加工精度上做了 很多努力。但加工精度又要由每道工序来保证，而从本次研究涉及的曲轴加工工艺流程卡中看到，曲轴生产过 程中工序繁多，更重要的是用于曲轴数控加工的程序编 制比较困难，因此本文通过将粗加工和精加工纳入数控 加工中，来减少工序，同时利用CAM技术将上述工序 的数控加工编程工作用仿真操作完成，以降低人为编程 的难度和出错率。具体完成的研究内容如下：

1）实测桑塔纳2000车型的汽车曲轴各部分尺寸；

2）用UG软件逼真地绘制曲轴三维模型图；

3）导入CAM环境中，建立机床坐标系和工件坐标 系，设置相关参数；

4）匹配合适的加工工序与方法，生成有效的刀具 路径；

5）仿真演示曲轴的加工过程，录制视频；

6）后处理导出仿真过程中的数控程序；

7）在已有的仿真程序上根据实际加工环境修正程序；

8）保存视频文件和程序文件，以备实际生产中参考。

本文首发于《制造业自动化》2020年第2期，作者系长江师范学院机器人工程学院 张岁，孙敬敬，蒋丛军

本文来源于网络，本着学习交流的目的进行转载，已标注原始作者和出处，如存在异议，请联系editor@xingongye.cn。如您对内容有疑问，请告之，以便我们及时处理。