變速鼓的經濟加工和精密測量

劉興富，劉瑞玲

(1. 廣州威而信精密儀器有限公司西安分公司，陜西西安710075;2. 陜西五環(集團)實業有限責任公司，陜西西安710038)

0 概述

變速鼓(也叫變速器)是摩托車、汽車、飛機等發動機變速機構的關鍵零件。變速鼓是在圓柱面上制成符合要求形狀的兩條曲線槽的圓柱凸輪(柱形構件)。變速鼓的外圓柱表面上的兩條曲線槽的精度，直接影響著發動機掛擋的靈活性和掛擋位置的準確性。在變速鼓的質量評定中，如果只按圖紙要求對曲線槽直線段的特征點進行檢測，而不檢測斜線段和圓弧段，則會漏掉對斜線段和圓弧段的評定。因而，出現按同一圖紙由不同廠家加工的曲線槽幾何形狀各不相同的局面。變速鼓的兩條曲線槽的加工和測量，成了發動機變速鼓的關鍵課題。

傳統的加工方法是在立式銑床或工具銑床上人工手搖靠模加工，不僅加工效率低、勞動強度大、成本高，而且加工質量難以保證;用數控機床加工，雖然能較好地保證加工質量和較高的生產效率，但成本高。

文中通過技術經濟分析論證，對傳統加工設備技術改造，實現變速鼓的經濟數控加工;在微機型萬能工具顯微鏡(以下均簡稱“萬工顯”)上實現變速鼓曲線槽幾何形狀的精密測量。從而實現了對變速鼓的整體質量正確評定。

1 變速鼓的經濟加工［1］

加工如圖1 所示的變速鼓上兩條曲線槽，需要3 個運動:垂直主軸上下升降，工作臺左右移動，分度頭轉動。主軸升降實現進刀工步;工作臺移動和分度頭旋轉的聯動實現曲線槽切削工步。

為適應經濟加工要求，應對現有機床技術改造，通過程序指令使刀具、工作臺和分度頭，按照程序規定的加工系統進行相應的運動，從而使老設備的傳統加工轉變為經濟數控加工方法［2］。

如圖2 所示，根據變速鼓兩條曲線槽的形狀、尺寸要求，將加工全過程適當地分解成若干程序段，然后確定各段的加工數據，控制指令。按照控制系統所用的代碼編寫程序指令，通過鍵盤輸入給控制系統，控制系統再發信號給控制刀具進給的步進電機和控制工件直線運動或旋轉運動的步進電機，從而使刀具、工作臺和工件按照程序中規定的加工路線進行相應的運動，達到加工目的。

系統采用功率步進電機驅動的開環系統。因為開環控制線路簡單，步進電機的步距不受電壓波動和負載變化的影響，也不受其他環境條件的限制，只與脈沖頻率成正比，能按照控制脈沖數的要求進行啟動、停止和反轉。這種步進電機驅動的開環控制系統技術比較簡單、價格便宜且維修方便。

這里應指出，為了保證變速鼓的加工精度，在對機床進行技術改造時，除了正確編制加工程序外，還必須注意如下幾點:

(1)始點與工件起始點要保持一致;

(2)工件中心線與工作臺運動方向平行，刀具中心線必須通過工件中心線并保持與之垂直;

(3)工件安裝定位要可靠。在切削力的作用下，不能產生軸向移動和角向轉動;

(4)應容易清屑和消除機床傳動部分的間隙，以保證安裝定位精度和曲線槽的各交接點圓滑過渡;

(5)嚴格控制加工刀具的制造精度和使用中刀具的磨損。

2 變速鼓的精密測量

(1)曲線槽補充測量點的原則

發動機變速鼓曲線槽側邊曲線分別由直線段(平直部分)、斜線段和圓弧段(上凸下凹部分)組成(圖1 (b))。但設計圖紙僅給出了平直部分的坐標(轉角、尺寸)，對于上凸下凹部分僅給出了圖形的尺寸卻未給出具體的坐標值。如果按圖紙僅測量曲線槽側邊曲線平直部分的特征點(圖紙給出坐標值的點)，而不對曲線的上凸下凹部分的幾何形狀進行測量，將無法對曲線槽側邊曲線整體形狀做出正確的評定。筆者在變速鼓的質量驗收中發現:盡管都是按同一圖紙生產，但不同生產廠家制造出的曲線槽側邊曲線的形狀各不相同。為此，應在曲線槽側邊曲線的上凸下凹部分補充測量點，以全面評定變速鼓的品質。補充測量點的原則是:既要使轉角為整數的度值(方便測量)，又要使曲線的上凸下凹部分的測量布點均勻。

(2)曲線槽補充測量點的方法

以圖1 (b)的直線段特征點L (94°)、S (121°)、H(138°)和T (266°)為轉角計算原點，在曲線的上凸下凹部分，對稱圖形的正、負(±42°)兩側，按每6°補充一個測量點，計算出兩曲線槽上、下側邊曲線補充測量點的坐標(轉角、尺寸)。具體方法是:如圖3 所示，按圖紙要求計算出斜線和圓弧的切線槽上、下側邊曲線補充測量點的坐標(轉角、尺寸)，按圖紙要求計算出斜線和圓弧的切點及夾角，再根據已知轉角6°的展開長度進行計算，即以切點(交點)、圓弧半徑、斜線夾角為邊界條件，計算出變速鼓曲線槽側邊曲線補充測量點的坐標(轉角、尺寸)。

(3)曲線槽的測量與計算

變速鼓的曲線槽，應按柱坐標系進行測量。筆者選用帶光學分度頭的“萬工顯”，并按反射光系統調整儀器［3-5］。如圖4所示，變速鼓裝在儀器與分度頭頂針之間，通過專用卡箍連接，使分度頭帶動變速鼓轉動(不允許相對轉動)。測量基準應與設計(工藝)基準一致，即應按設計圖紙要求，設定變速鼓的起始轉角及分度頭的旋轉方向和曲線槽側邊曲線的起始尺寸。如圖5 (a)所示，在變速鼓的A 孔及虛線孔中插入標準銷軸(應無間隙)后，移動“萬工顯”橫向(Y 向)托架，使米字中心虛線和變速鼓的中心軸線重合，然后將橫向托架鎖定(在整個測量過程中不允許橫向移動)，接著調整焦距，使銷軸影像清晰，轉動分度頭，按常規獲得A 孔中心位置的轉角φA和虛線孔中心位置轉角(為確定16° ±30'備用)，則變速鼓的測量起始轉角為

如圖5 (b)所示，以變速鼓φ20 軸臺端面B 的設計基準為測量曲線槽尺寸基準，并將測量刀靠在端面B 上，以確定曲線槽的側邊曲線的起始尺寸。

由于各補充測量點的轉角(展開長度)為已知，則各補充測量點的尺寸，可由下式計算:

式中:C 為直線段(基線)的坐標值(尺寸);

Δφ 為測點間隔，計算時，按展開長度代入;

α 為斜線的夾角;

R 為與斜線相切的圓弧半徑。

這里應指出，計算時如是斜線段的補充測點用α，如是圓弧段的補充測點則用R;當計算上凸部分時用正(+)號，當計算下凹部分時用負(-)號。計算結果如表1 所示。

表1 摩托車變速鼓曲線槽側邊曲線坐標

在對曲線槽側邊曲線測量時，應進行二次調焦，使曲線槽側邊影像清晰，并按表1 給出的測量點，對變速鼓兩條曲線槽的幾何參數進行測量。

【1】馬德通.經濟機械加工基礎［M］. 西安:陜西科學技術出版社，1989.

【2】姬瑞海.用經濟型數控銑床加工摩托車用變速鼓［J］.摩托車技術，1997(4):26 -28.

【3】劉興富.在萬工顯上測量圓柱凸輪［J］.計量技術，2002(2):32 -33.

【4】劉興富.坐標變換在精密測量中的應用［J］.2011(6):38-41.

【5】王農火，劉興富.特形零件形位參數的測量［J］.機械工業標準化與質量，2011(5):12 -15.