高精度凸輪制造技術(shù)

■貴州紅林機(jī)械有限公司 （貴陽 550009） 白成龍 劉榮萍

高精度凸輪制造技術(shù)

■貴州紅林機(jī)械有限公司 （貴陽 550009） 白成龍 劉榮萍

摘要：針對發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行探討與論述。對此類復(fù)雜型面零件的加工有一定的借鑒作用。

1. 凸輪加工難點(diǎn)分析

凸輪作為發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)器的核心部件，其加工質(zhì)量的好壞直接影響整個(gè)產(chǎn)品的性能。凸輪加工的難點(diǎn)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(shù)設(shè)置顯得尤為重要。③由于凸輪型面部位需要進(jìn)行熱處理，而其余表面不進(jìn)行熱處理，工藝方法復(fù)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(nèi)，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(nèi)Ⅱ段測量基線參數(shù)與Ⅰ段測量基線參數(shù)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(shù)。

圖1

2. 加工方案及工藝路線

傳統(tǒng)工藝路線及改進(jìn)后的工藝路線如圖2所示。

（1）傳統(tǒng)加工方案：由于考慮到熱處理會導(dǎo)致零件變形，螺紋2×M4-5H和凸輪型面應(yīng)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(jìn)行銑削凸輪型面，又無滿足加工要求的磨頭進(jìn)行磨削凸輪型面。先后嘗試了數(shù)控線切割機(jī)和數(shù)控外圓磨床（S21）加工凸輪型面。線切割機(jī)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(shù)要求易超差。在數(shù)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(xiàn)有砂輪加工后零件表面質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)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(jìn)行加工。

按傳統(tǒng)工藝路線進(jìn)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(zhǔn)發(fā)生變化、手工拋光加工精度難控制等因素的影響，導(dǎo)致凸輪型面尺寸超差。

（2）改進(jìn)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(shí)有效避免絲錐折斷。經(jīng)過與多家刀具廠商銷售、技術(shù)人員進(jìn)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(shí)，為了保證凸輪型面加工與測量基準(zhǔn)相統(tǒng)一，滲氮保護(hù)（鍍銅）過程中使用G01-1過氯乙烯防潮清漆對零件進(jìn)行局部保護(hù)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(shù)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(jìn)行，本文以Mastercam軟件為例進(jìn)行介紹。

（1）應(yīng)用Mastercam軟件根據(jù)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(jù)凸輪零件圖型面檢測數(shù)據(jù)表，利用繪制極坐標(biāo)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(diǎn)應(yīng)用手動(dòng)輸入的方式連接起來，經(jīng)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(shè)置刀具路徑。選擇外形銑削，采用串聯(lián)方式依次點(diǎn)擊圖4中三段刀具路徑曲線后結(jié)束選擇、執(zhí)行，彈出如圖5所示刀具參數(shù)和外形銑削參數(shù)對話框。

（4）設(shè)置刀具參數(shù)。在圖5

中“刀具直徑”設(shè)置為5.0。

（5）外形銑削參數(shù)設(shè)置。在圖6中“補(bǔ)正位置電腦”選擇關(guān)，“曲線打成線段誤差值”設(shè)置為0.000 1，勾選“程式過濾”選項(xiàng)。點(diǎn)擊“程式過濾”，彈出如圖7所示對話框，并將“誤差值”設(shè)置為0.000 1。通過以上設(shè)置，改善了加工表面的質(zhì)量，減小了編程誤差。

圖6　外形銑削參數(shù)對話框

（6）后處理。步驟為：刀具路徑→操作管理→刀路模擬（確認(rèn)無誤后）→后處理。注意根據(jù)機(jī)床系統(tǒng)的不同，點(diǎn)擊更改后處理程式，選擇對應(yīng)的后處理文件。本文以海德漢系統(tǒng)機(jī)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(diào)用此子程序。銑型面主程序?yàn)椋?/p>

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(yīng)用立式加工中心進(jìn)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(yīng)＜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(jī)床主軸轉(zhuǎn)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(jī)床主軸轉(zhuǎn)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(yīng)一致，以此減小定位誤差。②在整個(gè)精加工過程中不能采用液體進(jìn)行冷卻刀具，需采用風(fēng)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(jìn)行磨削加工。若凸輪型面精度和表面粗糙度要求更高，可進(jìn)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(shù)，有待驗(yàn)證。若可行，可將其應(yīng)用于高精度三維凸輪的加工。

圖7　程式過濾設(shè)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(biāo)測量機(jī)（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(shù)據(jù)的極坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)分別在電子表Excel中轉(zhuǎn)換成帶矢量的空間直角坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)（x，y，z，u，v，w），具體轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)另保存為文本文件（.txt），打開測量軟件，將文本文件導(dǎo)入后便生成凸輪型面測量曲線。

（3）選擇的測量基準(zhǔn)與加工基準(zhǔn)一致，避免基準(zhǔn)不統(tǒng)一造成測量結(jié)果不能真實(shí)反映凸輪型面的實(shí)際情況。

（4）自動(dòng)掃描測量凸輪型面。

6. 結(jié)語

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

收稿日期：（20140819）