摘 要

工程设计中，一些有特殊用途的轴类零件为满足其所需工作性能要求，截面形状常设计为非圆形，如多棱形、凸轮轴、多边形轴、曲轴等。同时其使用寿命长，节省原材料，可实现特定的运动功能的优点使其在现代制造业中占有越来越重要的地位，本文主要内容为非圆截面轴类零件的加工试验与误差分析，并主要从以下几个方面来进行阐述：

（1）分析非圆截面轴类零件的国内外现状，以及加工非圆截面轴类零件的目的与意义，并对本文的主要内容进行概括。

（2）分析非圆截面轴类零件的外观特征，利用SWEEP曲面造型法，确定建模的的基本思路，在MATLAB中建立零件的三维模型。

（3）根据具体的零件设计刀具轨迹加工程序，基于用户宏程序进行数控编程，并利用斯沃数控仿真软件进行仿真得到刀具轨迹。

（4）将程序输入选定的数控车床进行非圆截面轴类零件的加工试验，得到实际加工零件。

（5）基于三坐标测量仪将得到的零件进行测量。将得到的检测结果与建立的模型进行分析比较，验证加工方法的可行性。

关键词 ：非圆截面；模型扫描；刀轨仿真；加工试验；误差分析

Abstract

In engineering design, some shaft parts which have special serves to meet the performance requirements, section shape are often designed for non circular, such as polygon, camshaft, polygonal shaft, crankshaft etc. And at the same time, long service life, save raw materials, can achieve specific motion features make it plays a more and more important role in the modern manufacturing industry, the main content of this paper is processing experiment and error analysis of shaft parts which with non circular cross section , and mainly from the following several aspects to carry on the elaboration：

（1）The current situation of non circular section shaft parts at home and abroad, as well as the purpose and significance of processing non circular section shaft parts, and the main contents of this paper are summarized.

（2）Analysis of the appearance of non circular section of the characteristics of the parts, the use of SWEEP surface modeling method, to determine the basic idea of modeling, and establish the three-dimensional model of the parts in the MATLAB.

（3）According to the specific parts design tool trajectory processing procedures, based on user macro program of NC programming, and use the swan soft CNC simulation software to emulate,then the tool trajectory is obtained。

（4）Input the program on to the selected CNC lathe for the processing test of non circular section of the shaft parts to get the actual parts。

（5）Based on the three coordinate measuring instrument to measure the parts. The obtained results are compared with the established models to verify the feasibility of the method.

Key Words：Non circular cross section；Model scan；design of tool path；Processing experiment；error analysis

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1研究非圆截面轴类零件的目的与意义 1

1.2非圆截面轴类零件加工的国内外现状 2

1.2.1国内现状 2

1.2.2国外现状 4

1.3.研究内容与技术方案 5

1.3.1基本内容 5

1.3.2技术方案 6

第2章 建立非圆截面轴类零件模型 7

2.1模型简介 7

2.2建模方法介绍 7

2.3零件扫描过程分析 10

2.3.1变偏心圆轴分析 10

2.3.2偏心椭圆轴模型扫描分析 14

第3章 数控编程与刀具轨迹仿真 16

3.1零件模型分析 16

3.1.1变偏心圆轴模型分析 16

3.1.2偏心椭圆轴模型分析 21

3.2用户宏程序参数化设计 23

3.2.1 数控车削指令选择 24

3.2.2 编程参数选择 24

3.2.3 程序指令选择 25

3.3 数控加工与刀轨仿真 26

3.3.1仿真软件介绍 26

3.3.2仿真过程 27

第4章 加工试验 28

4.1数控车床选择 28

4.2加工参数选择 30

4.3加工过程 31

4.4加工结果 32

第五章 误差分析 36

5.1误差来源分析 36

5.2测量设备选择 36

5.3测量结果与误差分析 38

第6章 总结与展望 43

6.1 总结 43

6.2展望 43

参考文献 45

致 谢 46

第1章 绪论

1.1研究非圆截面轴类零件的目的与意义

非圆截面轴类零件是一种由于功能和性能的要求横截面形状被设计成非圆形的具有一定的回转体特征的非回转体零件。非圆截面轴类零件由于具有省材料，使用寿命长，能产生特殊运动规律，适用某些特殊使用场合等优点，在汽车、航空、舰船、印刷、冶金等行业中应用越来越广泛^[1]，如发动机中的中凸变椭圆活塞和凸轮轴，印刷机送料机构中的盘形凸轮，以及运用在大转矩传动场合的椭圆轴、三角轴等等，在冶金行业某些领域采用的一种连铸工艺芯棒，甚至呈象牙形^[2]。

图1.1 凸轮轴 图1.2 盘形凸轮

最为典型的非圆截面轴类零件是如今在内燃机上广泛采用的中凸变椭圆活塞，这种活塞的裙部的横截面呈椭圆形或者类椭圆形，且椭圆度（椭圆长短轴之差）沿活塞轴向变化，轴（纵）横截面型线为一条中部外凸的曲线。如图1.3就是一个典型的中凸变椭圆活塞的外形视图。

这些非圆零件截面轮廓尺寸精度对其性能影响大，所以往往有较高的精度要求。由于其独特的形状和型线，采用车削加工通常比较困难，所以限制了非圆零件车削加工的普及和提高。非圆零件的加工主要采用铣削和磨削以及特种加工方法，如电火花加工，激光加工等方法，但这些方法存在着加工成本较高，加工效率不高且对于横截面与轴截面形状都很复杂的工件难以加工等问题，磨削和铣削适用于较小的加工件，对一些大的工件加工效率特别低，采用立式车床对非圆工件切削加工，切削速度可提高十几倍，可大大提高生产效率^[3]。