數控機床用弧面分度凸輪設計與制造研究

張 明

（綿陽職業技術學院，四川 綿陽 621000）

弧面分度凸輪的基本輪廓是在空間中不可伸展的曲面，老式的制造方式已經滿足不了凸輪在精度上的要求。 通過對現有制造工藝和手法的了解， 可應用范成法的原理對弧面分度凸輪進行加工制造，并且結合滲碳方法對凸輪進行熱處理。本文對弧面分度凸輪的發展歷程、工作原理以及設計制造進行了研究，制定出一套完善的設計制造理念， 以期為弧面分度凸輪的實際應用貢獻力量。

1 弧面分度凸輪的發展歷程

弧面分度凸輪的開創是由美國人于1920年間完成的，并且進行了大量的生產加工。 在此之后，世界上許多國家（英國、匈牙利、日本等）也對弧面分度凸輪進行了研究，由于具有很高的實用性， 所以各個國家都成立了相應的研究機構和生產加工工廠。 英國的研究機構最先對弧面分度凸輪的運動、幾何學方面進行研究，運用的技術為微分幾何以及包絡的原理。 其他歐洲國家以及日本已經完成對弧面分度凸輪的設計和制造， 實現了大規模生產[1]。在加工制造的方法上，國外大部分地區都選用范成法，以數控機床為載體進行加工制造。 范成法的廣泛使用說明其基礎理論以及技術都已經非常完善，滿足各地區的設計制造要求。弧面分度凸輪的大規模生產，促進了對其實用面擴展進行研究，國外的許多研究者正加大力度對弧面分度凸輪的應用進行研究。

由于獨特的國情，我國入手研究弧面分度凸輪的時間比較晚，在開創完成的五十多年后我國才開始注意，但通過三十多年的不斷研究，我國已經基本掌握了弧面分度凸輪的設計、制造技術，并且在此基礎上進行了完善，滿足更高要求。 與其他各國相同，我國制造弧面分度凸輪的方法也選用范成法，雖然我國還對兩重包絡法以及自由曲面法進行了大量的研究， 研究結果僅滿足于簡單的弧面分度凸輪， 沒有相應的技術手段滿足復雜弧面分度凸輪的研制和運用， 所以我國仍然需要花費巨額的資金引進技術。

弧面分度凸輪的運用能夠為設備提供較高的傳動速度、精準的分度、較強的動力學性能以及良好的可靠性，所以該技術適合于多種自動化機械，例如餐飲、化工、煙草等需要做間歇性工作的生產機械。 總的來說，弧面分度凸輪的研究成果可以推動我國生產機械自動化技術的發展。

2 弧面分度凸輪的工作原理

如圖1 所示為弧面分度凸輪的結構圖。 從圖中可知，弧面分度整體機構由弧面分度凸輪、 分度盤以及安裝在分度盤上的滾子組成。 弧面分度凸輪的頂部平面（Z0）與分度盤軸線（y2）垂直， 該設計的用意是構建一個垂直交錯軸之間高速間歇運動的機制。

當弧面分度凸輪以恒定角速度周期性運轉時，分度盤上的滾子經凸輪弧面的帶動，使從動的分度盤進行轉位，方向由凸輪弧面決定。 當凸輪轉動到平滑弧面時（停歇段），分度盤上的滾子會卡在凸輪的兩側，從而使凸輪轉位，這時分度盤保持不動。 通過這樣的工作原理，來實現上文所述的間歇性工作[2]。

圖1 弧面分度凸輪平面結構圖

3 弧面分度凸輪在設計上的主要參數

在弧面分度的凸輪結構中， 假設轉盤的分度期是在0°～120°的旋轉角度之間，轉盤的運動改進了正旋的加速度曲線，分度角是45°，均勻地分布了八個工位。轉盤的間歇期在120°～360°之間，這期間轉盤會停止旋轉。 凸輪的轉速n=250r/min，保持勻速旋轉， 中心距離c=180mm。 根據這些條件確定了幾何設計參數，如表1 所示。

表1 幾何設計參數

根據這些幾何尺寸，在NX7.0 Modeling 的模塊中，利用表達式的模塊，并且根據三維造型的具體方法，最終做成了分度凸輪，如圖2 所示。

圖2 弧面分度凸輪模型圖

4 弧面分度凸輪在數控機床中的設計與制造

4.1 CAM 技術的運用

弧面分度凸輪的實際空間構造極其復雜，而且對參數有著極高的要求，尤其是弧面分度凸輪的工作弧面。所以在選擇編譯數控制造程序的方法上，就有了更加苛刻的要求。 現如今的數控編譯程序方法中，只有CAM 軟件滿足條件，并且還要通過計算機數控編程技術進行完善，以確保加工程序的準確生成[3]。 CAM軟件可以根據弧面分度凸輪的三維模型直接生成加工程序，對于較為復雜的曲面，可以運用多軸數控編程技術，以編譯精確性要求較高的程序， 配合弧面分度凸輪加工程序的完成。 而且CAM 軟件技術可以與CAD 技術完美融合，二者互不干預，現實數據滿足任何一種模塊，無需做出調整，從而大幅度減少了由于數據頻繁轉換造成的誤差。

4.2 制造工藝的規劃

圖3 弧面分度凸輪在機床上的固定方式

圖4 部件及毛坯示意圖

弧面分度凸輪的制造是以五軸聯動數控機床為載體完成的，弧面分度凸輪在機床上的固定方式如圖3 所示，固定的器件通常選擇心軸以及螺母。 圖4 所示為部件及毛坯示意圖（著色為部件，線框表示毛坯），由圖中的部件結構得知，弧面分度凸輪主要由工作弧面、間歇弧面構成，所以在加工過程中，這兩部分的精度控制是整個加工環節的核心，必須選擇CAM 軟件輔助工件的加工。 結合對各方面因素的分析對制造工藝進行規劃是生產的前提。 首先，應該對工件進行初級粗加工。 具體的操作是使用D20R0.8 的端銑刀對多余部分進行切除，完成一次開粗，在此基礎上使用D10 的立銑刀對工件的余量部分進行切除， 達到二次開粗的目的。 然后對工件進行半細加工，由于凸輪的底面以及兩個弧面都是直紋面，所以應該選取可變輪廓銑的方式，為加工刀路[3]的生成提供便利。

5 總結

弧面分度凸輪是一種形態相當復雜并且加工精度要求很高的零部件，可利用CAM 這一軟件生成這種復雜零件的三維模型，并且可以根據這種模型編寫多軸數控的相關程序，這既能提高生產產品的質量，又能節省開發需要的周期。 這種方法適合那些需要建立準確三維模型并且形態非常復雜， 需要用多軸機床加工的產品零部件， 以成產那些不能用具體數學模型表達出來的產品，但是畢竟這類產品很少，所以這種方法并未得到廣泛應用。

[1]金作成，陳龍寶.圓柱分度凸輪機構的設計及凸輪的數控加工[J].機械傳動，2011（4）:50-52.

[2]楊延峰.用于數控機床的弧面分度凸輪的設計與制造[D].北京:北京工業大學，2010（16）:5-7.

[3]余振華，許朝山，陳麗華.基于UG 軟件的弧面分度凸輪的3D 建模與傳動固有頻率分析[J].機械傳動，2011，35（9）:18-20.

[4]機械設計手冊聯合編寫組.機械設計手冊（中冊）[M].北京:化學工業出版社，2010（39）:112-130.