高精度凸輪制造技術

■貴州紅林機械有限公司 （貴陽 550009） 白成龍 劉榮萍

高精度凸輪制造技術

■貴州紅林機械有限公司 （貴陽 550009） 白成龍 劉榮萍

摘要：針對發動機中使用的重要零部件高精度凸輪難加工的問題，對凸輪加工工藝方案制定、凸輪型面加工幾何模型的建立及編程、加工、測量等進行探討與論述。對此類復雜型面零件的加工有一定的借鑒作用。

1. 凸輪加工難點分析

凸輪作為發動機調節器的核心部件，其加工質量的好壞直接影響整個產品的性能。凸輪加工的難點主要是：①零件精度要求高。熱處理后零件易變形，凸輪型面、螺紋精度難以保證。②熱處理后凸輪型面硬度高，對加工工藝方法和刀具的選擇以及加工參數設置顯得尤為重要。③由于凸輪型面部位需要進行熱處理，而其余表面不進行熱處理，工藝方法復雜。

以圖1所示零件為例，要求凸輪表面B滲氮，硬度≥700 H V；在β=0°～4°及 α=0°～126°范圍內，保證極徑R的加工精度為±0.02mm，并且要求凸輪在α=4°～96°范圍內Ⅱ段測量基線參數與Ⅰ段測量基線參數差值為-0.005 ～+0.003m m，表面粗糙度值Ra=0.8mm。下面探討此零件的制造加工技術。

圖1

2. 加工方案及工藝路線

傳統工藝路線及改進后的工藝路線如圖2所示。

（1）傳統加工方案：由于考慮到熱處理會導致零件變形，螺紋2×M4-5H和凸輪型面應放置在熱處理后加工，但是零件熱處理滲氮后硬度≥700HV，工廠既無合適的刀具進行銑削凸輪型面，又無滿足加工要求的磨頭進行磨削凸輪型面。先后嘗試了數控線切割機和數控外圓磨床（S21）加工凸輪型面。線切割機加工凸輪型面后，加工表面有受熔化層，手工去除后零件型面尺寸和技術要求易超差。在數控外圓磨床（S21）的非圓磨削功能，由于沒有小粒度的金剛石砂輪（磨頭）及砂輪修整器，現有砂輪加工后零件表面質量達不到設計要求（加工表面有明顯的溝痕）。故過去工廠的凸輪型面加工只能安排在熱處理前進行加工。

按傳統工藝路線進行凸輪的加工存在以下問題：①加工螺紋2×M4-5H使用的絲錐容易折斷。②凸輪型面受熱處理后變形、鍍銅后，定位面銅層不均勻，除銅后基準發生變化、手工拋光加工精度難控制等因素的影響，導致凸輪型面尺寸超差。

（2）改進后的凸輪加工方案：為了避免熱處理后絲錐加工小螺紋容易折斷的問題，零件中螺紋2×M4-5H熱處理前采用頭攻絲錐加工，熱處理后通過頭

攻、二攻絲錐分工步攻螺紋，保證螺紋尺寸，同時有效避免絲錐折斷。經過與多家刀具廠商銷售、技術人員進行交流，最終找到了合適的銑刀（山高刀具公司的160050-MEGA-64），可加工熱處理后的凸輪型面，解決了熱處理變形和手工拋光精度難保證的問題。同時，為了保證凸輪型面加工與測量基準相統一，滲氮保護（鍍銅）過程中使用G01-1過氯乙烯防潮清漆對零件進行局部保護的方式，即凸輪型面不鍍銅，其余表面鍍銅。熱處理滲氮后凸輪型面有滲氮層，其余表面無滲氮層。

圖2

圖3　銑型面工序毛坯圖

圖4　刀具路徑圖

圖5　刀具參數對話框

3. 凸輪型面加工幾何模型的建立及編程

凸輪加工幾何模型的建立及編程可借助多種軟件（CAXA、UG、Mastercam等）進行，本文以Mastercam軟件為例進行介紹。

（1）應用Mastercam軟件根據工藝路線及加工定位情況繪制銑型面工序毛坯圖（見圖3）。

（2）根據凸輪零件圖型面檢測數據表，利用繪制極坐標線功能繪制輔助線段，再利用繪制曲線功能將輔助線段的外端點應用手動輸入的方式連接起來，經過修整和延伸后得到如圖4所示的刀具路徑圖（延伸后保證刀具在銑削后，凸輪型面不留殘留）。

（3）設置刀具路徑。選擇外形銑削，采用串聯方式依次點擊圖4中三段刀具路徑曲線后結束選擇、執行，彈出如圖5所示刀具參數和外形銑削參數對話框。

（4）設置刀具參數。在圖5

中“刀具直徑”設置為5.0。

（5）外形銑削參數設置。在圖6中“補正位置電腦”選擇關，“曲線打成線段誤差值”設置為0.000 1，勾選“程式過濾”選項。點擊“程式過濾”，彈出如圖7所示對話框，并將“誤差值”設置為0.000 1。通過以上設置，改善了加工表面的質量，減小了編程誤差。

圖6　外形銑削參數對話框

（6）后處理。步驟為：刀具路徑→操作管理→刀路模擬（確認無誤后）→后處理。注意根據機床系統的不同，點擊更改后處理程式，選擇對應的后處理文件。本文以海德漢系統機床為例，通過后置處理得到銑削凸輪型面的子程序SPF.H，然后編制主程序MPF2.H調用此子程序。銑型面主程序為：

4. 凸輪型面的加工

凸輪型面的加工有兩種方法。第一種方法是應用立式加工中心進行銑削加工。零件加工中采用常見的兩孔一面定位，且主定位銷與主定位孔（φ7mm孔）之間的間隙應＜0.01mm。熱處理前凸輪型面銑削留余量0.07mm，切削深度為0.1mm，走刀速度為200mm/min，機床主軸轉速為2 000r/min。精加工過程中均分兩層留0.005mm余量加工后，整刀不留余量切削兩遍，走刀速度為180mm/min，機床主軸轉速為1 800r/min。要注意的是：①熱處理前、后定位和定向面及壓緊方式應一致，以此減小定位誤差。②在整個精加工過程中不能采用液體進行冷卻刀具，需采用風冷卻。鑒于工廠在制凸輪的加工精度和表面粗糙度要求，此加工方法完全能夠滿足要求，故工廠目前凸輪的加工都采用此方法。第二種方法是進行磨削加工。若凸輪型面精度和表面粗糙度要求更高，可進行磨削加工。需要配置有非圓磨削功能的高精度磨床、專用金剛石砂輪（磨頭）及砂輪修正器等。受工廠加工條件限制，此方法作為延伸的加工技術，有待驗證。若可行，可將其應用于高精度三維凸輪的加工。

圖7　程式過濾設置

5. 凸輪型面的測量

凸輪型面的測量借助具有掃描功能的三坐標測量機（如蔡司公司的CONTURA G2 7106 RDS），配置有專用軟件calypso。具體步驟如下：

（1）首先將Ⅰ、Ⅱ段凸輪型面數據的極坐標點數據分別在電子表Excel中轉換成帶矢量的空間直角坐標點數據（x，y，z，u，v，w），具體轉換公式如下：

x=cos（radians（極角））×極徑

y= sin（radians（極角））×極徑

z=Ⅰ段為-6.025、Ⅱ段為-2.025

u=cos（radians（極角））

v= sin（radians（極角））

w=0

（2）分別將兩段數據另保存為文本文件（.txt），打開測量軟件，將文本文件導入后便生成凸輪型面測量曲線。

（3）選擇的測量基準與加工基準一致，避免基準不統一造成測量結果不能真實反映凸輪型面的實際情況。

（4）自動掃描測量凸輪型面。

6. 結語

本文所述高精度凸輪零件加工方法可以推廣應用到多數復雜型面零件（如定子、凸輪等）的加工。工廠已經采用該工藝方法加工了多項零件，極大提高了產品的加工合格率。

收稿日期：（20140819）