正交車銑加工凸輪型面的試驗研究*

陳爾濤 朱立達 史家順 谷 豐

(①沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159;②東北大學機械工程與自動化學院，遼寧沈陽 110004)

凸輪軸是發動機配氣機構的重要部分，其表面質量直接決定內燃機的排放質量。傳統凸輪軸的凸輪型面粗加工是仿形車削，此工藝需要專用的靠模，加工效率十分低下。這種傳統的加工方式已經不適應現代高精度凸輪型面的需求。隨著車銑復合技術的發展，采用車銑技術實現凸輪軸“一次裝夾，完全加工”已經成為一種發展趨勢。車銑加工是通過銑刀的旋轉來實現回轉體工件切削的一種先進技術，按照刀具旋轉軸線與工件旋轉軸線相對位置不同，車銑可分為正交車銑和軸向車銑兩種主要的加工方式。車銑加工技術特別適合于弱剛度回轉體工件的高速切削和復雜型面的復合切削［1－3］，是機械加工領域的重要發展方向。

鑒于凸輪軸加工工藝的特殊性和復雜性，采用正交車銑加工凸輪軸有利于提高凸輪軸表面質量，提高加工效率，降低生產成本。這對于改善凸輪軸的加工精度和發動機的動力性能有很大的實際意義［3－4］。

1 正交車銑加工凸輪型面的運動建模

正交車銑加工凸輪型面時需要刀具與工件聯動，但凸輪的型面比較復雜且切削時繞軸心線旋轉，因而刀具的切削運動軌跡為復雜的空間曲線，因此為準確對刀具運動軌跡編程需對凸輪的空間曲線進行數學建模。在切削加工時，由于刀具軌跡與切削參數有密切而復雜的關系，因此，建立正交車銑凸輪軸的運動模型，在此基礎上對切削參數進行優化，是得到理想的凸輪加工表面的重要前提。

首先對凸輪的外形進行數學建模。如圖1所示為正凸輪型面示意圖，其中R0為凸輪基圓半徑，ri為凸輪上升部分半徑。

凸輪輪廓是由與凸輪對稱線成角度φ的一系列矢量節點 φ0，φ1，…，φi，…，φn所對應的凸輪輪廓曲線為s0，s1，…，si，…，sn的數據節點來表示。

利用一個函數逼近凸輪形曲線，以π為周期的函數s(φ)，只要有適當的光滑性，就可以在［0，2π］上展開的傅里葉級數。

其中xi和yi的通過積分確定如下

式中:節點 φ0，φ1，…，φi，…，φn為等間隔的(一般工程上給出的曲線升程表為等間隔的，如間隔為0.5°或更小)。

其次對凸輪任意位置時的刀具運動軌跡進行數學建模。在凸輪任意位置時，為保證車銑凸輪的表面加工質量，需要刀具沿凸輪形曲線的切線方向運動且刀軸與y軸平行，該運動方向與凸輪對稱線的夾角為α。如圖2所示為正交車銑凸輪型面示意圖，其中θ為切削點的節點矢量方向與y軸的夾角。

由式(4)和式(5)可推導如下

式中:α即為工件的對稱線與y軸的夾角;ρ=R0+ri，θ=α+φ。

正交車銑加工凸輪型面的車銑編程是以該數學模型為基礎，采用x，y，z，c四軸聯動方式編制的。

2 正交車銑加工凸輪的試驗研究

實驗所用機床為日本Mazak公司的Integrex 200Y車銑中心。它采用日本FANUC數控控制系統，主軸功率18.5/15 kW，旋轉刀具主軸功率7.5 kW、轉速6 000 r/min。刀具選用帶有圓角YG8硬質合金刀片立裝可轉位銑刀，其中銑刀刀柄型號為TAP300R－2020－160，材料為高速鋼，刀具直徑20 mm，齒數為2，冷卻方式為乳化液冷卻。

2.1 加工過程

粗加工是以毛坯鋁棒料作為被加工對象，通過銑刀和工件同時旋轉合成運動，以一定切深切除毛坯上多余的材料，最終得到凸輪的輪廓(帶有余量)。精銑過程是以粗加工后得到的凸輪輪廓作為被加工對象，刀具走刀路徑是以凸輪輪廓曲線的等距同心軌跡，同樣工件旋轉，刀具進給，進行加工，精加工采用切削速度為376 m/min、切削深度為0.2 mm、進給量為600 mm/min，進行交叉實驗。

正交車銑凸輪時，安排刀具從凸輪最高點處進刀切入可保證刀具受力逐漸增加直至穩定，這樣有利于刀具的充分使用，當整個凸輪加工完畢后，不要在切點處直接退刀，而讓刀具多運動一段距離，從而得到比較完美的加工表面。最終得到滿足要求的凸輪輪廓(圖3)。

2.2 表面粗糙度的檢測

利用表面粗糙度檢測儀對凸輪軸加工型面的表面粗糙度進行測量，測量位置如圖4所示，其結果如表1。

通過表面粗糙度測試結果可知，采用正交車銑加工凸輪可以得到較小的表面粗糙度，能夠滿足使用需求。另外，各位置表面粗糙度有所不同，其中曲率半徑較大的位置2、4的值較小，曲率半徑較小的位置3、1的值較大，由此可見正交車銑加工出的型面表面粗糙度與型面的曲率有關，曲率半徑越大加工出的型面表面粗糙度值越低。

表1 已加工凸輪型面的表面粗糙度

3 結語

采用正交車銑加工凸輪型面時，其切削表面是由刀刃運動所產生的空間包絡線形成的，通過有效的數控程序控制加工時刀具軌跡，可獲得良好的凸輪型面質量。另外，采用該方法易于實現凸輪型面的高速、高效切削加工，可提高生產效率，進而降低生產成本。

［1］姜增輝，潘恒陽.軸向車銑等距型面的運動建模［J］.機械工程學報，2008，44(10):149 －153.

［2］姜增輝，賈春德.正交車銑工件表面形成機理研究［J］.機械工程學報，2004，40(9):121 －124.

［3］夏煥金，陸忠民.凸輪軸凸輪型面車銑加工工藝的研究［J］.機車車輛工藝，2010(5):11－13.

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