封閉圓柱凸輪槽車銑加工與沿曲面曲率進刀方法研究

陳學翔

(佛山市高明區技工學校，廣東佛山528531)

封閉式圓柱凸輪零件廣泛應用于各種旋轉運動轉化為直線往復式運動當中，是凸輪機構重要的組成零件。以往封閉式圓柱凸輪常用普通銑床外加分度頭進行加工，當今隨著先進裝備對零件制造質量要求的提高和我國綜合國力提升，國內制造企業涌現了諸如車銑復合中心等大批先進制造裝備，如何更好地提高機械制造零件的質量、效率和發揮先進制造設備優勢，是當前我國制造業所面臨的突出問題。姜增輝等［1］對軸向車銑加工等距型面的切削過程和零件表面加工質量進行研究，但方法均局限于開放式回轉零件加工。陳爾濤等［2］針對正交車銑加工凸輪型面建立數學模型進行研究，夏煥金等［3］對凸輪軸凸輪型面正交車銑加工的表面加工質量進行研究，但沒有對凸輪槽側面加工質量處理方法進行研究。而封閉式圓柱凸輪槽兩側面的加工精度和表面質量是直接影響凸輪機構運動軌跡精度的重要因素之一，作者在分析典型的封閉式圓柱凸輪零件結構的基礎上，進行專用夾具設計、多軸車銑復合數控程序編制，并提出了沿曲面曲率進刀的方法，解決了凸輪機構中典型的封閉式圓柱凸輪零件兩側面銑削加工時在進退刀結合處容易產生接刀痕的具有普遍性的機械制造工藝難題，同時提高了零件的生產效率、程序可變性和加工精度。

1 凸輪結構分析

凸輪零件圖如圖1所示，材料為合金工具鋼，首次加工數量350件。委托單位已輾轉珠三角多地的機械制造企業，仍然無法很好地解決委托單位最為關注的凸輪槽內兩側壁的接刀痕問題。對零件圖進行了詳細的分析后，為了保證凸輪的裝夾精度和凸輪槽相對位置精度，必須針對凸輪進行夾具設計，使之能用于中小批量凸輪的生產加工，減少對刀步驟，提高零件的加工精度和效率，夾具也要盡量經濟，盡量節省成本。

圖1 圓柱凸輪零件圖

凸輪槽寬10 mm，加工槽深5 mm。由于凸輪槽軌跡線為非線性曲線，所以擬合點較多，如果采用手工編程對槽進行加工，所需計算的節點數量大，而且很難達到凸輪槽的尺寸精度和表面粗糙度要求。

2 專用夾具設計

專用夾具是根據某一零件某道工序的加工要求專門設計制造的夾具，具有結構緊湊和剛性強等優點［4］。根據凸輪結構特點以及便于凸輪在車銑中心上安裝，夾具采用三爪卡盤與尾座頂尖一夾一頂的裝夾方式。通過自定心原理使零件軸線與卡盤回轉中心重合，實現零件的裝夾定位［5］。夾具設計如圖2所示。

圖2 凸輪夾具在車銑中心上的夾具設計

圖3 刀具幾何參數

夾具上鉆有一個裝夾工藝孔，零件裝夾時通過一條鐵棒手動轉動卡盤便于零件的裝夾。夾具上的定位工藝卡槽與凸輪底面上的工藝槽相互配合，主要起到一個定位的作用，提高加工過程中車銑中心C軸對被加工零件的扭轉力。采用壓緊塊和鎖緊螺母鎖緊裝置對零件進行夾持，主要起到壓緊凸輪零件的作用，同時也便于加工后零件的裝卸，降低裝夾輔助時間提高加工效率。

總體而言，通過采用自制的夾具對凸輪零件進行裝夾，提高凸輪零件之間的重復裝夾定位精度，減少刀具的對刀時間，給高效率、高質量地加工出合格的零件打下基礎。

3 凸輪槽加工刀路編寫

加工凸輪槽時采用三菱自動車床專用型號銑刀，分別是φ8和φ10的合金涂層平底立銑刀，刀具幾何參數如圖3所示。刀具通過彈簧夾頭安裝在刀柄上，彈簧夾頭刀柄一般采用具有一定錐角的錐套作為刀柄系統與刀具的夾緊單元，當旋轉螺母壓入套錐，使套錐內徑縮小而夾緊刀具［6］。

三菱刀具表推薦的切削參數如圖4所示，φ8平底刀采用ap=0.6 mm，主軸轉速S=2 500 r/min，進給量F=450 mm/min。精加工φ10平底刀采用主軸轉速S=2 100 r/min，進給量F=300 mm/min。

圖4 切削參數

可采用UG NX4.0軟件的CAM加工模塊的可變軸加工策略對凸輪槽進行程序的編制［7］。首先使用φ8平底刀在槽的中間下刀并對凸輪槽進行粗加工，再對槽兩邊進行擴展使槽內的毛坯余量均勻。通過多次的加工試驗和相關的檢測數據，最終確定側面單邊留0.1 mm余量，底面留0.05 mm余量，粗加工、半精加工刀路如圖5所示。

圖5 粗加工、半精加工刀路

精加工時，直接使用φ10的平底刀對凸輪槽進行一次性加工，以保證槽的寬度到達圖紙的尺寸要求。精加工刀路如圖6所示。

圖6 精加工刀路

4 凸輪槽兩側面接刀痕問題的解決

常規加工使用圓弧進退刀的方式來加工凸輪槽的兩個側面，由于凸輪槽的寬度較小，受刀具直徑影響制約了刀具進刀的圓弧半徑，過小的圓弧致使兩側面在進退刀的過程當中產生接刀痕，因此必須采用一種新型的加工凸輪槽的進刀方式成為了解決封閉式圓柱凸輪槽接刀痕的關鍵。

根據實際加工結果分析，零件上有接刀痕的原因是由于刀具進刀時吃刀量突變，刀具切削力產生較大變化導致的。如何減少刀具進刀時的切削力突變是完成高質量零件的一大關鍵點，因此經過多次實驗和加工，擬采用沿曲面曲率進刀的方式來解決上述問題。首先通過給出的凸輪軌跡線在凸輪槽的中間創建出與凸輪兩側面曲率一致的曲面，而且將曲面擴大于凸輪的外表面。然后在凸輪軌跡線上繪制出進退刀直線，并將直線投影到已創建的曲面當中，使進退刀走的軌跡曲線與凸輪槽側面的曲率完全一致，這樣就可以減少切削加工時的切削力突變。通過繪制進退刀引線創建出車銑中心動力刀頭適用的多軸加工刀路，如圖7、8所示。

圖7 常規圓弧式進刀

圖8 沿曲面曲率進刀

程序的后處理根據車銑復合機床結構特點以及各軸的行程參數，采用UG NX4.0/Post Builder開發。經過多次修改完善后開發的后處理具備車削、銑削、鉆孔、攻螺紋等功能。精加工的NC代碼和封閉式圓柱凸輪槽實際加工后的結果如圖9和圖10所示。

圖9 精加工NC代碼

圖10 凸輪槽加工后結果

5 結束語

在加工零部件日益復雜化的今天，多軸車銑復合切削加工機床正以更快的速度得以普及。文中通過凸輪零件的加工，對車銑中心具體的實際應用有更進一步的認識，為后續加工更為復雜的零件打下基礎。對凸輪進行快速專用夾具設計，使凸輪槽能快速在機床上實現裝夾定位，提高了加工效率和經濟效益。通過試驗首次提出沿曲面曲率進刀的方式，解決了封閉式圓柱凸輪槽在加工過程中由于使用常規的圓弧進退刀方式在槽內兩側面產生接刀痕的問題，解決了銑削加工過程中封閉式凸輪槽兩側面加工出現接刀痕的技術問題，大大提高了零件的加工質量和效率，降低了次品率。

【1】姜增輝，潘恒陽，李偉兵.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】陳爾濤，朱立達.正交車銑加工凸輪型面的試驗研究［J］.制造技術與機床，2012(4):33 －35.

【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.

【4】王道林.面向套類零件的成組夾具設計［J］.機床與液壓，2012，40(4):30 －32.

【5】陳學翔.數控銑(中級)加工與實訓［M］.北京:機械工業出版社，2011:38－39.

【6】SCHULZ Herbert，ABELE Eberhard，何寧.高速加工理論與應用［M］.北京:科學出版社，2010:183－187.

【7】陳學翔.UG NX6.0數控加工經典案例解釋［M］.北京:清華大學出版社，2009:219－240.