變速鼓的經(jīng)濟(jì)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(huán)(集團(tuán))實(shí)業(yè)有限責(zé)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(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)變速機(jī)構(gòu)的關(guān)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(gòu)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(fā)動(dòng)機(jī)掛擋的靈活性和掛擋位置的準(zhǔn)確性。在變速鼓的質(zhì)量評定中，如果只按圖紙要求對曲線槽直線段的特征點(diǎn)進(jìn)行檢測，而不檢測斜線段和圓弧段，則會(huì)漏掉對斜線段和圓弧段的評定。因而，出現(xiàn)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(fā)動(dòng)機(jī)變速鼓的關(guān)鍵課題。

傳統(tǒng)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(dòng)強(qiáng)度大、成本高，而且加工質(zhì)量難以保證;用數(shù)控機(jī)床加工，雖然能較好地保證加工質(zhì)量和較高的生產(chǎn)效率，但成本高。

文中通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析論證，對傳統(tǒng)加工設(shè)備技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)變速鼓的經(jīng)濟(jì)數(shù)控加工;在微機(jī)型萬能工具顯微鏡(以下均簡稱“萬工顯”)上實(shí)現(xiàn)變速鼓曲線槽幾何形狀的精密測量。從而實(shí)現(xiàn)了對變速鼓的整體質(zhì)量正確評定。

1 變速鼓的經(jīng)濟(jì)加工［1］

加工如圖1 所示的變速鼓上兩條曲線槽，需要3 個(gè)運(yùn)動(dòng):垂直主軸上下升降，工作臺(tái)左右移動(dòng)，分度頭轉(zhuǎn)動(dòng)。主軸升降實(shí)現(xiàn)進(jìn)刀工步;工作臺(tái)移動(dòng)和分度頭旋轉(zhuǎn)的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)曲線槽切削工步。

為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)加工要求，應(yīng)對現(xiàn)有機(jī)床技術(shù)改造，通過程序指令使刀具、工作臺(tái)和分度頭，按照程序規(guī)定的加工系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，從而使老設(shè)備的傳統(tǒng)加工轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)濟(jì)數(shù)控加工方法［2］。

如圖2 所示，根據(jù)變速鼓兩條曲線槽的形狀、尺寸要求，將加工全過程適當(dāng)?shù)胤纸獬扇舾沙绦蚨危缓蟠_定各段的加工數(shù)據(jù)，控制指令。按照控制系統(tǒng)所用的代碼編寫程序指令，通過鍵盤輸入給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再發(fā)信號(hào)給控制刀具進(jìn)給的步進(jìn)電機(jī)和控制工件直線運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)，從而使刀具、工作臺(tái)和工件按照程序中規(guī)定的加工路線進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到加工目的。

系統(tǒng)采用功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng)。因?yàn)殚_環(huán)控制線路簡單，步進(jìn)電機(jī)的步距不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，也不受其他環(huán)境條件的限制，只與脈沖頻率成正比，能按照控制脈沖數(shù)的要求進(jìn)行啟動(dòng)、停止和反轉(zhuǎn)。這種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)控制系統(tǒng)技術(shù)比較簡單、價(jià)格便宜且維修方便。

這里應(yīng)指出，為了保證變速鼓的加工精度，在對機(jī)床進(jìn)行技術(shù)改造時(shí)，除了正確編制加工程序外，還必須注意如下幾點(diǎn):

(1)始點(diǎn)與工件起始點(diǎn)要保持一致;

(2)工件中心線與工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)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(chǎn)生軸向移動(dòng)和角向轉(zhuǎn)動(dòng);

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

(5)嚴(yán)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(bǔ)充測量點(diǎn)的原則

發(fā)動(dòng)機(jī)變速鼓曲線槽側(cè)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(shè)計(jì)圖紙僅給出了平直部分的坐標(biāo)(轉(zhuǎn)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(biāo)值。如果按圖紙僅測量曲線槽側(cè)邊曲線平直部分的特征點(diǎn)(圖紙給出坐標(biāo)值的點(diǎn))，而不對曲線的上凸下凹部分的幾何形狀進(jìn)行測量，將無法對曲線槽側(cè)邊曲線整體形狀做出正確的評定。筆者在變速鼓的質(zhì)量驗(yàn)收中發(fā)現(xiàn):盡管都是按同一圖紙生產(chǎn)，但不同生產(chǎn)廠家制造出的曲線槽側(cè)邊曲線的形狀各不相同。為此，應(yīng)在曲線槽側(cè)邊曲線的上凸下凹部分補(bǔ)充測量點(diǎn)，以全面評定變速鼓的品質(zhì)。補(bǔ)充測量點(diǎn)的原則是:既要使轉(zhuǎn)角為整數(shù)的度值(方便測量)，又要使曲線的上凸下凹部分的測量布點(diǎn)均勻。

(2)曲線槽補(bǔ)充測量點(diǎn)的方法

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

(3)曲線槽的測量與計(jì)算

變速鼓的曲線槽，應(yīng)按柱坐標(biāo)系進(jìn)行測量。筆者選用帶光學(xué)分度頭的“萬工顯”，并按反射光系統(tǒng)調(diào)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(dòng)變速鼓轉(zhuǎn)動(dòng)(不允許相對轉(zhuǎn)動(dòng))。測量基準(zhǔn)應(yīng)與設(shè)計(jì)(工藝)基準(zhǔn)一致，即應(yīng)按設(shè)計(jì)圖紙要求，設(shè)定變速鼓的起始轉(zhuǎn)角及分度頭的旋轉(zhuǎn)方向和曲線槽側(cè)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(biāo)準(zhǔn)銷軸(應(yīng)無間隙)后，移動(dòng)“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(gè)測量過程中不允許橫向移動(dòng))，接著調(diào)整焦距，使銷軸影像清晰，轉(zhuǎn)動(dòng)分度頭，按常規(guī)獲得A 孔中心位置的轉(zhuǎn)角φA和虛線孔中心位置轉(zhuǎn)角(為確定16° ±30'備用)，則變速鼓的測量起始轉(zhuǎn)角為

如圖5 (b)所示，以變速鼓φ20 軸臺(tái)端面B 的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)為測量曲線槽尺寸基準(zhǔn)，并將測量刀靠在端面B 上，以確定曲線槽的側(cè)邊曲線的起始尺寸。

由于各補(bǔ)充測量點(diǎn)的轉(zhuǎn)角(展開長度)為已知，則各補(bǔ)充測量點(diǎn)的尺寸，可由下式計(jì)算:

式中:C 為直線段(基線)的坐標(biāo)值(尺寸);

Δφ 為測點(diǎn)間隔，計(jì)算時(shí)，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(yīng)指出，計(jì)算時(shí)如是斜線段的補(bǔ)充測點(diǎn)用α，如是圓弧段的補(bǔ)充測點(diǎn)則用R;當(dāng)計(jì)算上凸部分時(shí)用正(+)號(hào)，當(dāng)計(jì)算下凹部分時(shí)用負(fù)(-)號(hào)。計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 摩托車變速鼓曲線槽側(cè)邊曲線坐標(biāo)

在對曲線槽側(cè)邊曲線測量時(shí)，應(yīng)進(jìn)行二次調(diào)焦，使曲線槽側(cè)邊影像清晰，并按表1 給出的測量點(diǎn)，對變速鼓兩條曲線槽的幾何參數(shù)進(jìn)行測量。

【1】馬德通.經(jīng)濟(jì)機(jī)械加工基礎(chǔ)［M］. 西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1989.

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

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

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

【5】王農(nóng)火，劉興富.特形零件形位參數(shù)的測量［J］.機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2011(5):12 -15.