車銑加工凸輪軸工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

陳艷芬

【摘要】隨著人們對(duì)機(jī)械加工工藝研究的不斷深入，基于多軸聯(lián)動(dòng)的車銑技術(shù)以其高效切削、高精度加工等工藝優(yōu)勢，被廣泛運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)中，特別是凸輪軸加工，該技術(shù)大大縮短生產(chǎn)周期，能夠獲得最大精度和生產(chǎn)效率。本文結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究成果和多年工作與研究經(jīng)驗(yàn)，對(duì)車銑加工凸輪軸工藝進(jìn)行優(yōu)化研究與設(shè)計(jì)，為以后的相關(guān)技術(shù)工藝研究與實(shí)際運(yùn)用提供理論和實(shí)踐支持。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械加工；車銑技術(shù)；凸輪軸；工藝優(yōu)化

凸輪軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣性能。凸輪軸的制作有較高的工藝要求，細(xì)長型特征使得其剛性較差，在加工中容易發(fā)生彎曲變形，并且其本身型面較為復(fù)雜，這些屬性使其加工工藝上存在一些特點(diǎn)，比如工藝復(fù)雜、輪廓型面復(fù)雜、易產(chǎn)生波紋、硬度分布不一、加工精度要求高等。傳統(tǒng)三步式的加工工藝已經(jīng)不適應(yīng)目前復(fù)雜的要求，在此背景下，車銑加工工藝以其諸多優(yōu)越性被廣泛運(yùn)用于凸輪軸加工中，并取得良好效果。

1.車銑加工凸輪軸的工藝優(yōu)越性

車銑加工工藝下，凸輪軸加工實(shí)現(xiàn)了“一次裝夾，完全加工”模式，體現(xiàn)出較高的優(yōu)越性，能夠在一臺(tái)車銑復(fù)合加工中心完成所有工序。相對(duì)傳統(tǒng)加工工藝而言，車銑加工凸輪軸工藝的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

采用CNC車銑復(fù)合加工中心，能夠?qū)崿F(xiàn)凸輪軸的一次性加工，在加工過程中不需要重復(fù)裝夾和換機(jī)床，這樣能夠使誤差降低到最小，提高了加工效率和加工精度，實(shí)現(xiàn)零庫存生產(chǎn)。工件和道具的回轉(zhuǎn)速度共同控制了凸輪軸的切削速度，將凸輪軸在加工中的轉(zhuǎn)速降到最低，穩(wěn)定了凸輪軸的切削過程，減少誤差。車銑加工的高速切削是切屑帶走了較多的切削熱量，進(jìn)而形成絕熱剪切，使凸輪軸熱變形較小。

2.車銑加工凸輪軸工藝設(shè)計(jì)

（1）車銑加工定位基準(zhǔn)的選擇

對(duì)于凸輪軸而言，其基準(zhǔn)為軸線。車銑加工可實(shí)現(xiàn)“一次加工”，因此其裝夾與定位角度方面就存在較大優(yōu)勢。在車銑復(fù)合加工中心機(jī)床上，存在X、Y、Z與B軸，其中B軸車銑復(fù)合中心車床可控制Z-X軸與C銑削軸，這種狀況下借助B軸可實(shí)現(xiàn)支持內(nèi)的所有范圍內(nèi)的車削和銑削加工。在B軸的支配最用下，車銑機(jī)床不用重復(fù)更換和裝夾，大大降低了定位誤差。相對(duì)于其他軸件而言，凸輪軸是沿其軸線為非對(duì)稱的回轉(zhuǎn)表面，這使其兼具基圓尺寸與輪軸曲線升程和相位角的要求。

（2）車銑加工階段劃分

本文研究的凸輪軸車銑加工分為粗加工、半精加工與精加工三個(gè)階段，其中粗加工階段對(duì)機(jī)床剛性、振動(dòng)性、功率、道具性能等要求較高，主要完成粗車軸斷面、車削主軸頸、切槽和粗車凸輪等加工內(nèi)容；半精加工階段要求道具能夠達(dá)到單層切削厚度要求，減少加工余量，完成支撐軸頸的精加工；精加工階段的實(shí)際切削量較小，但對(duì)精度的要求卻很高，在合理的機(jī)床參數(shù)下完成精銑削凸輪。

3.凸輪型面的車銑加工工藝分析

（1）刀具選擇

有與車銑凸輪軸加工工步主要是凸輪軸頸和凸輪加工，因此在主軸頸的加工道具選擇方面，選擇合適的外圓刀即可，而對(duì)凸輪型面加工的道具選擇則較為嚴(yán)格和復(fù)雜，凸輪型面曲線表面形狀復(fù)雜，并且每點(diǎn)曲率半徑不同，甚至存在凹弧，則道具選擇需根據(jù)凸輪實(shí)際輪廓的曲率來決定，其公式為：

其中，Rr為刀具圓角半徑。根據(jù)車銑加工階段的不同，粗加工階段選擇兩刃銑刀，半精加工與精加工選擇四刃銑刀，刀片類型均用刀片鑲嵌式圓角立銑刀，參數(shù)為：

1）粗加工階段，刀刃齒數(shù)2，直徑16，刀尖半徑0.5；

2）精加工階段，刀刃齒數(shù)4，直徑20，刀尖半徑0.3；

（2）刀具切入切出點(diǎn)選擇

凸輪軸凸輪回轉(zhuǎn)半徑不同，使刀具與工件的接觸面積不同，也使得刀具切入、切出點(diǎn)不同所造成的表面加工質(zhì)量不同，凸輪升程最大點(diǎn)處入刀極可能造成扎刀。本文車銑加工凸輪軸采用圓柱形毛坯，從經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，刀具切入點(diǎn)的不同使得加工余量不同，當(dāng)?shù)毒咔腥朦c(diǎn)位于基圓部位時(shí)，余量在10～15mm之間，當(dāng)?shù)毒咔腥朦c(diǎn)在凸輪升程最高處時(shí)，余量在0.5～1mm之間。由此可見，刀具切入點(diǎn)選擇在凸輪最高點(diǎn)出，能夠使刀具受力逐漸增加至穩(wěn)定，提高車銑加工效率。同時(shí)，刀具的切入點(diǎn)與切出點(diǎn)需要保留重合量，保證C軸進(jìn)給大于360°，且凸輪升程表上下兩點(diǎn)角度間隔不大于3°。

（3）切削用量選擇

車銑加工凸輪切削用量通常包括進(jìn)給速度、切削速度和切削深度。進(jìn)給速度的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要根據(jù)工件精度、表面粗糙度、材料性質(zhì)以及刀具等要求共同確定，并且進(jìn)給速度在拐角處適當(dāng)放緩，其原則主要包括：基于質(zhì)量保證的高進(jìn)給速度，通常為10～15mm/min；適當(dāng)減緩進(jìn)給速度以確保加工精度與表面粗糙度，通常為5～10mm/min；當(dāng)?shù)毒呋卦c(diǎn)或空行程時(shí)，選擇最大進(jìn)給速度即可。根據(jù)加工工件精度與粗糙度要求以及刀具特性的不同，切削速度亦不同，通常精度要求較低時(shí)，切削速度快，精度與粗糙度要求高時(shí)，切削速度相對(duì)較慢。切削深度的選擇與機(jī)床、工件、刀具的剛度緊密相關(guān)，剛度允許情況下，盡量使切削深度等于工件加工余量，這樣能夠減少走刀次數(shù)，提高生產(chǎn)率。切削用量的選擇是多樣靈活的，需要根據(jù)工件加工的實(shí)際情況和要求來確定適當(dāng)?shù)那邢饔昧俊?/p>

4.基于Matlab車銑加工凸輪軸切削用量優(yōu)化

（1）確定優(yōu)化設(shè)計(jì)變量

在實(shí)際的車銑加工中，在確定好凸輪軸的參數(shù)后，機(jī)床、刀具的參數(shù)也相應(yīng)的確定，此時(shí)影響凸輪軸精度和生產(chǎn)效率的的主要工藝參數(shù)因素有工件每圈銑刀軸向進(jìn)給量fa，切削速度Vc，切削深度ap，刀具每齒進(jìn)給量fz，工件轉(zhuǎn)速nw等，其中切削速度最主要的影響因素之一，也是本文主要優(yōu)化因素。車銑加工的每轉(zhuǎn)進(jìn)給量計(jì)算公式為：，刀具每齒進(jìn)給量為。由此可知，車銑加工凸輪軸的優(yōu)化參數(shù)變量主要是切削速度與工件每圈銑刀軸向進(jìn)給量。

（2）建立目標(biāo)函數(shù)

車銑加工凸輪軸工藝優(yōu)化的最終目標(biāo)是最低成本與最高生產(chǎn)率，即最優(yōu)生產(chǎn)效率。生產(chǎn)率需綜合實(shí)際切削時(shí)間tm、換刀時(shí)間tc、非加工時(shí)間ta三者，因此生產(chǎn)率目標(biāo)函數(shù)應(yīng)為；生產(chǎn)成本的主要因素有工時(shí)費(fèi)與加工設(shè)備損耗費(fèi)，目標(biāo)函數(shù)公式為。因此雙目標(biāo)函數(shù)為。

（3）約束條件

在實(shí)際的車銑加工凸輪軸生產(chǎn)中，切削用量的約束條件主要有切削力、切削功率、刀具耐用度、工件表面粗糙度以及最大、最小切削用量的約束。

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