漸開線“S”形凸輪加工專用銑床的研制

田子欣，霍蘇萍

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南三門峽472000)

漸開線“S”形凸輪被廣泛應(yīng)用于汽車制動(dòng)器中，其輪廓的精加工效率及精度直接決定了汽車制動(dòng)器的性能。 “S”形凸輪待加工面為漸開線曲面，目前市場(chǎng)上主要有4 種加工方法:拉削加工、仿形車削加工、仿形銑削加工和數(shù)控銑削加工。根據(jù)多家專業(yè)生產(chǎn)汽車制動(dòng)器廠家對(duì)“S”形凸輪高效、高精度、高剛度的生產(chǎn)需求，同時(shí)對(duì)這幾種加工方法進(jìn)行性能分析，最終確定了該機(jī)床研制的立足點(diǎn)就是數(shù)控銑削加工，并結(jié)合專用機(jī)床加工柔性化設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)出了針對(duì)漸開線“S”形凸輪加工的專用銑床。該機(jī)床配置經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，加工效率和柔性較高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造，而且能夠保證精度，加工質(zhì)量一致性好，加工成本低，機(jī)床操作簡(jiǎn)單。

1 建立銑削刀具中心的數(shù)學(xué)模型

在“S”形凸輪銑削加工過(guò)程中，“S”形凸輪將做勻速旋轉(zhuǎn)，銑刀會(huì)隨著凸輪旋轉(zhuǎn)角度的變化而進(jìn)行調(diào)整，并沿著凸輪輪廓做水平移動(dòng)，以加工滿足要求的凸輪輪廓曲面［1］。如圖1所示。

根據(jù)刀具中心的運(yùn)動(dòng)軌跡，就可以建立刀具中心極坐標(biāo)值的數(shù)學(xué)模型。其過(guò)程如下:

假設(shè)基圓半徑為rb，漸開線的極坐標(biāo)方程為:

圖1 加工凸輪與刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡

如圖2所示，當(dāng)Δθ 無(wú)窮小近似于零時(shí)，可將BB1作為待加工輪廓曲線的切線，此時(shí)，∠OBE =90°，則∠B1BE=λ，即:

圖2 凸輪輪廓與刀具中心運(yùn)行軌跡結(jié)構(gòu)

當(dāng)λ 值求出后，根據(jù)圖1 中△OBT 依據(jù)余弦定理可得刀具中心運(yùn)動(dòng)軌跡上對(duì)應(yīng)點(diǎn)T 的極坐標(biāo)為:

式(2)中δ 可由△OBT 求得如下:

公式(3)中λ 和δ 均在90°范圍內(nèi)取值，θ 和θT均沿旋轉(zhuǎn)的反方向度量。

根據(jù)建立的“S”形凸輪銑削加工刀具中心的數(shù)學(xué)模型，可準(zhǔn)確計(jì)算出刀具中心運(yùn)動(dòng)軌跡上選取點(diǎn)的極坐標(biāo)值，根據(jù)選取的單個(gè)點(diǎn)極坐標(biāo)值，編制符合要求的數(shù)控程序代碼，以此控制凸輪軸體的旋轉(zhuǎn)路徑和刀具的加工路徑。并根據(jù)其數(shù)學(xué)模型推算出的運(yùn)動(dòng)路徑，合理設(shè)計(jì)機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案，最終加工出符合尺寸要求和精度要求的漸開線“S”形凸輪輪廓面。

2 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)方案

該機(jī)床采用臥式結(jié)構(gòu)布局，如圖3所示。

圖3 機(jī)床整體結(jié)構(gòu)示意圖

該機(jī)床主要由機(jī)床底座，X、Y 向數(shù)控滑臺(tái)，銑削主軸箱，送料工作臺(tái)，夾具主軸箱，數(shù)控系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，潤(rùn)滑系統(tǒng)，整體防護(hù)等部分組成。機(jī)床配置兩個(gè)銑削頭，配置RS232 接口，可支持MasterCAM、UG 等CAD/CAM 類軟件轉(zhuǎn)換的程序代碼輸入機(jī)床。

該機(jī)床配置專用定位機(jī)構(gòu)，完成“S”形凸輪軸定位，如圖4所示，一次裝卡，可同時(shí)加工兩個(gè)工件，其工件定位方式為:凸輪軸外圓柱面及“S”形外輪廓面裝卡內(nèi)側(cè)上下兩點(diǎn)。操作過(guò)程為:手動(dòng)將漸開線“S”形凸輪軸裝入輔助定位裝置(核心部件為楔式三爪動(dòng)力卡盤［2］)上，通過(guò)操作定位驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4中的齒輪帶動(dòng)齒條移動(dòng)，以此帶動(dòng)角向定位機(jī)構(gòu)3、5 移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)漸開線“S”形凸輪軸角向定位，此時(shí)動(dòng)力卡盤卡緊，完成工件的裝卡，通過(guò)操縱手柄回位，角向定位機(jī)構(gòu)退回，此時(shí)方可按“循環(huán)起動(dòng)”按鈕開始加工工件。

圖4 工件角向定位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)床工作過(guò)程:工件定位裝夾→送料工作臺(tái)快進(jìn)、緩進(jìn)、碰?！笥覕?shù)控滑臺(tái)與夾具主軸聯(lián)動(dòng)加工試件→左右數(shù)控滑臺(tái)退回→送料工作臺(tái)快退、緩?fù)?、碰?！砷_卡盤→頂料缸頂出工件，然后靠彈簧復(fù)位→卸料→進(jìn)入下一循環(huán)。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

加工“S”形凸輪專用機(jī)床最核心、最關(guān)鍵的部件設(shè)計(jì)為夾具主軸箱，它直接影響著機(jī)床的使用性能。夾具主軸箱結(jié)構(gòu)如圖5所示，該夾具主軸箱傳動(dòng)比較大，因此，采用雙蝸桿蝸輪副的傳動(dòng)結(jié)構(gòu);主軸的頭部安裝有旋轉(zhuǎn)夾緊油缸，驅(qū)動(dòng)楔式三爪液壓動(dòng)力卡盤夾緊工件;主軸中央安裝有輔助定位及頂出工件機(jī)構(gòu)，其原理是在主軸尾部裝有單作用油缸和復(fù)位彈簧，起到輔助定位和頂出工件作用;在主軸箱的前部安裝有手動(dòng)工件角向定位裝置，其作用是確定工件在主軸上的正確位置。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮了兩個(gè)主軸孔的位置精度和形狀誤差、支承剛性。

圖5 夾具主軸箱的結(jié)構(gòu)圖

4 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)床液壓系統(tǒng)主要采用符合ISO 標(biāo)準(zhǔn)的疊加閥，完成工件的夾緊、松開，頂料缸的頂料、復(fù)位，夾具移動(dòng)缸的快進(jìn)、緩進(jìn)、快退、緩?fù)恕Ｆ錂C(jī)床液壓原理圖如圖6所示。

圖6 機(jī)床液壓原理圖

根據(jù)液壓原理圖，對(duì)液壓系統(tǒng)回路分析如下:

(1)左右卡盤夾緊松開回路?？ūP的執(zhí)行元件是一個(gè)液壓缸，控制油路則由一個(gè)兩位四通電磁換向閥和一個(gè)疊加式單向閥組成。

(2)左右頂料缸回路。執(zhí)行元件為單作用液壓缸，復(fù)位靠彈簧力，控制油路由一個(gè)兩位四通電磁換向閥和一個(gè)疊加式節(jié)流閥組成。節(jié)流閥的作用是調(diào)節(jié)工件被頂出的速度。

(3)送料工作臺(tái)(夾具移動(dòng)缸)回路。執(zhí)行元件是一個(gè)液壓缸，控制油路則由一個(gè)兩位四通電磁換向閥和兩個(gè)電動(dòng)單向調(diào)速閥組成。調(diào)速閥的作用是改變工作臺(tái)的移動(dòng)速度，避免沖擊。

5 數(shù)控系統(tǒng)選擇及編程設(shè)計(jì)

按照數(shù)控系統(tǒng)的選擇原則，選定FANUC 0i-MC系統(tǒng)作為“S”凸輪專用銑床的數(shù)控系統(tǒng)［3］。該系統(tǒng)的CNC 單元為大板結(jié)構(gòu)，基本配置有主電路板(PCB)、存儲(chǔ)器板、I/O 板、 伺服軸控制板和電源模板。該機(jī)床的加工程序編制完全模擬凸輪的工作過(guò)程，根據(jù)凸輪的升程數(shù)據(jù)進(jìn)行編程［4］。其編程流程圖如圖7所示。

圖7 編程流程圖

6 結(jié)束語(yǔ)

(1)為該機(jī)床制定的雙軸加工方案，提高了凸輪輪廓曲面的加工效率;

(2)機(jī)床采用三爪液壓動(dòng)力卡盤，通過(guò)自鏜卡爪孔，保證機(jī)床的夾持精度。配置了專用夾具，操作簡(jiǎn)便，一次裝卡，同時(shí)完成兩工件的加工，加大生產(chǎn)節(jié)拍。

(3)該機(jī)床經(jīng)用戶驗(yàn)收使用，生產(chǎn)效率顯著提高，同批次工件質(zhì)量穩(wěn)定性好，精度控制在技術(shù)要求范圍內(nèi)，且產(chǎn)品成本降低。

［1］陳桂芳.非圓表面銑削加工關(guān)鍵技術(shù)的研究［J］.機(jī)床與液壓，2009，37(7):64－65.

［2］劉友才，肖繼德.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992:76－86.

［3］發(fā)那科公司研發(fā)部.發(fā)那科FANUC 0I 參數(shù)說(shuō)明［M］.北京:北京機(jī)電有限公司，2005:42－243.

［4］黃國(guó)權(quán).非圓曲線數(shù)控加工變程的設(shè)計(jì)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2005(2):29－30.