正交車銑加工凸輪型面的試驗(yàn)研究*

陳爾濤 朱立達(dá) 史家順 谷 豐

(①沈陽理工大學(xué)，遼寧 沈陽 110159;②東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧沈陽 110004)

凸輪軸是發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的重要部分，其表面質(zhì)量直接決定內(nèi)燃機(jī)的排放質(zhì)量。傳統(tǒng)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(tǒng)的加工方式已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代高精度凸輪型面的需求。隨著車銑復(fù)合技術(shù)的發(fā)展，采用車銑技術(shù)實(shí)現(xiàn)凸輪軸“一次裝夾，完全加工”已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢(shì)。車銑加工是通過銑刀的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)體工件切削的一種先進(jìn)技術(shù)，按照刀具旋轉(zhuǎn)軸線與工件旋轉(zhuǎn)軸線相對(duì)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(shù)特別適合于弱剛度回轉(zhuǎn)體工件的高速切削和復(fù)雜型面的復(fù)合切削［1－3］，是機(jī)械加工領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

鑒于凸輪軸加工工藝的特殊性和復(fù)雜性，采用正交車銑加工凸輪軸有利于提高凸輪軸表面質(zhì)量，提高加工效率，降低生產(chǎn)成本。這對(duì)于改善凸輪軸的加工精度和發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能有很大的實(shí)際意義［3－4］。

1 正交車銑加工凸輪型面的運(yùn)動(dòng)建模

正交車銑加工凸輪型面時(shí)需要刀具與工件聯(lián)動(dòng)，但凸輪的型面比較復(fù)雜且切削時(shí)繞軸心線旋轉(zhuǎn)，因而刀具的切削運(yùn)動(dòng)軌跡為復(fù)雜的空間曲線，因此為準(zhǔn)確對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡編程需對(duì)凸輪的空間曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。在切削加工時(shí)，由于刀具軌跡與切削參數(shù)有密切而復(fù)雜的關(guān)系，因此，建立正交車銑凸輪軸的運(yùn)動(dòng)模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，是得到理想的凸輪加工表面的重要前提。

首先對(duì)凸輪的外形進(jìn)行數(shù)學(xué)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(duì)稱線成角度φ的一系列矢量節(jié)點(diǎn) φ0，φ1，…，φi，…，φn所對(duì)應(yīng)的凸輪輪廓曲線為s0，s1，…，si，…，sn的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)來表示。

利用一個(gè)函數(shù)逼近凸輪形曲線，以π為周期的函數(shù)s(φ)，只要有適當(dāng)?shù)墓饣?，就可以在?，2π］上展開的傅里葉級(jí)數(shù)。

其中xi和yi的通過積分確定如下

式中:節(jié)點(diǎn) 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(duì)凸輪任意位置時(shí)的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。在凸輪任意位置時(shí)，為保證車銑凸輪的表面加工質(zhì)量，需要刀具沿凸輪形曲線的切線方向運(yùn)動(dòng)且刀軸與y軸平行，該運(yùn)動(dòng)方向與凸輪對(duì)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(diǎn)的節(jié)點(diǎn)矢量方向與y軸的夾角。

由式(4)和式(5)可推導(dǎo)如下

式中:α即為工件的對(duì)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(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，采用x，y，z，c四軸聯(lián)動(dòng)方式編制的。

2 正交車銑加工凸輪的試驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)所用機(jī)床為日本Mazak公司的Integrex 200Y車銑中心。它采用日本FANUC數(shù)控控制系統(tǒng)，主軸功率18.5/15 kW，旋轉(zhuǎn)刀具主軸功率7.5 kW、轉(zhuǎn)速6 000 r/min。刀具選用帶有圓角YG8硬質(zhì)合金刀片立裝可轉(zhuǎn)位銑刀，其中銑刀刀柄型號(hào)為TAP300R－2020－160，材料為高速鋼，刀具直徑20 mm，齒數(shù)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(duì)象，通過銑刀和工件同時(shí)旋轉(zhuǎn)合成運(yùn)動(dòng)，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(duì)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(zhuǎn)，刀具進(jìn)給，進(jìn)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(jìn)給量為600 mm/min，進(jìn)行交叉實(shí)驗(yàn)。

正交車銑凸輪時(shí)，安排刀具從凸輪最高點(diǎn)處進(jìn)刀切入可保證刀具受力逐漸增加直至穩(wěn)定，這樣有利于刀具的充分使用，當(dāng)整個(gè)凸輪加工完畢后，不要在切點(diǎn)處直接退刀，而讓刀具多運(yùn)動(dòng)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(cè)

利用表面粗糙度檢測(cè)儀對(duì)凸輪軸加工型面的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量位置如圖4所示，其結(jié)果如表1。

通過表面粗糙度測(cè)試結(jié)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(guān)，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(jié)語

采用正交車銑加工凸輪型面時(shí)，其切削表面是由刀刃運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的空間包絡(luò)線形成的，通過有效的數(shù)控程序控制加工時(shí)刀具軌跡，可獲得良好的凸輪型面質(zhì)量。另外，采用該方法易于實(shí)現(xiàn)凸輪型面的高速、高效切削加工，可提高生產(chǎn)效率，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本。

［1］姜增輝，潘恒陽.軸向車銑等距型面的運(yùn)動(dòng)建模［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44(10):149 －153.

［2］姜增輝，賈春德.正交車銑工件表面形成機(jī)理研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，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(jī)車車輛工藝，2010(5):11－13.

［4］CHOUDHURY S K，MANGRULKAR K S.Investigation of orthogonal turn－milling for the machining of rotationally symmetrical workpieces［J］.Materials Processing Technology，2000，99(7):120 －128.