寬槽圓柱凸輪數(shù)控加工方法及其關(guān)鍵技術(shù)研究

盧志杰

(廣州柴油機(jī)廠股份有限公司，廣東 廣州 510370）

寬槽圓柱凸輪數(shù)控加工方法及其關(guān)鍵技術(shù)研究

盧志杰

(廣州柴油機(jī)廠股份有限公司，廣東 廣州 510370）

寬槽圓柱凸輪的加工是一項(xiàng)較為復(fù)雜、精確度要求較高的工作內(nèi)容。在本文中，將就寬槽圓柱凸輪數(shù)控加工方法及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行一定的研究。

寬槽圓柱凸輪；數(shù)控加工方法；關(guān)鍵技術(shù)

寬槽圓柱凸輪為一種空間復(fù)雜曲面，對(duì)加工品質(zhì)具有著較高的要求，將直接對(duì)圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)的整體性能產(chǎn)生影響。對(duì)于圓柱凸輪槽來(lái)說(shuō)，是按照一定規(guī)律同圓柱面具有環(huán)繞特點(diǎn)的等寬槽。在實(shí)際對(duì)圓柱凸輪槽進(jìn)行加工處理時(shí)，需要對(duì)兩方面要求進(jìn)行滿足：第一個(gè)要求，即保證凸輪槽工作面的法截面線具有相互平行的特征。第二個(gè)要求，即圓柱凸輪槽具有著等寬的特征。這也是圓柱凸輪槽當(dāng)中保證滾子能夠在其中平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的一項(xiàng)必要條件。如果圓柱凸輪槽寬度較小，則可以直接通過(guò)對(duì)應(yīng)直徑的立銑刀對(duì)其進(jìn)行加工處理，能夠以簡(jiǎn)單的方式對(duì)符合要求的圓柱凸輪槽進(jìn)行獲得。而對(duì)于該方式來(lái)說(shuō)，其在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中也存在著一定的局限性，并以此對(duì)實(shí)際加工活動(dòng)的開(kāi)展帶來(lái)較大的困難，即如果沒(méi)有尋找到同槽寬具有相等尺寸的刀具時(shí)，即需要對(duì)其進(jìn)行改制處理，對(duì)此，即需要通過(guò)加工中心的應(yīng)用滿足加工目標(biāo)，也是本文研究當(dāng)中的一項(xiàng)重點(diǎn)。同時(shí)，在以往工作開(kāi)展當(dāng)中，在該方面研究當(dāng)中更多的是通過(guò)先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)圓柱凸輪加工品質(zhì)的提升，但在做好制造技術(shù)把握的同時(shí)，加工工藝也同樣關(guān)鍵，也將較大程度影響到制造品質(zhì)，需要在實(shí)際加工中做好研究與把握。

1 圓柱凸輪機(jī)構(gòu)概述

同平面凸輪機(jī)構(gòu)相比，圓柱凸輪機(jī)構(gòu)具有著傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、體積小、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性強(qiáng)以及結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，同時(shí)因較好剛性的存在，在現(xiàn)今自動(dòng)機(jī)械生產(chǎn)當(dāng)中得到了較多的應(yīng)用。在具體使用當(dāng)中，其在較大運(yùn)動(dòng)升程以及間隙分度運(yùn)動(dòng)方面都表現(xiàn)出了較強(qiáng)的適應(yīng)性。對(duì)于圓柱凸輪來(lái)說(shuō)，其實(shí)質(zhì)屬于空間凸輪，根據(jù)其從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)方式的不同，則可以分為直動(dòng)從動(dòng)件圓柱凸輪和擺動(dòng)從動(dòng)件圓柱凸輪這兩種類型。

2 加工工藝分析

對(duì)于寬槽圓柱凸輪廓面來(lái)說(shuō)，其為一個(gè)三維空間曲面，對(duì)此，則可以通過(guò)展成方式的應(yīng)用對(duì)其進(jìn)行加工。在該方式當(dāng)中，其原理即將需要加工的毛坯實(shí)現(xiàn)在工作當(dāng)中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的模擬，使用銑刀對(duì)圓盤(pán)上某個(gè)滾子中心軌跡的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，兩模擬協(xié)調(diào)動(dòng)作處理后，即可對(duì)圓柱凸輪進(jìn)行加工。在該種模擬動(dòng)作協(xié)調(diào)當(dāng)中，要使用普通方式進(jìn)行加工，在實(shí)現(xiàn)方面存在著較大的困難，數(shù)控機(jī)床以及三坐標(biāo)則是加工當(dāng)中的基礎(chǔ)需求。

3 加工工藝過(guò)程

3.1 數(shù)控設(shè)備

在本次加工當(dāng)中，使用DMU70V軸聯(lián)動(dòng)立式加工中心作為寬槽圓柱凸輪的加工中心。在該中心當(dāng)中，通過(guò)45°斜面的應(yīng)用對(duì)工作臺(tái)的立臥轉(zhuǎn)換進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在該設(shè)備當(dāng)中，其具有64把刀容量刀庫(kù)的配置，其輔助機(jī)能的存在，能夠保證設(shè)備在實(shí)際加工中，對(duì)直徑自動(dòng)補(bǔ)償、故障監(jiān)測(cè)、過(guò)載保護(hù)、刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償以及絲杠間隙補(bǔ)償?shù)饶繕?biāo)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在其身上具有刀具自動(dòng)測(cè)量激光測(cè)頭的設(shè)置，所配置的球形測(cè)頭更是具有著定位以及加工精度檢測(cè)功能。

3.2 工裝設(shè)計(jì)

在寬槽圓柱凸輪實(shí)際加工當(dāng)中，需要兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)或者三坐標(biāo)以上的機(jī)床，根據(jù)機(jī)床坐標(biāo)系，本次使用了X、Y、C作為本次加工當(dāng)中的三坐標(biāo)，即在使X、Y作為圓弧的情況下，保證工作臺(tái)能夠圍繞C軸旋轉(zhuǎn)，以此保證所加工出的寬槽圓柱凸輪槽能夠滿足加工需求。對(duì)于圓柱凸輪槽來(lái)說(shuō)，其是同圓柱面對(duì)應(yīng)環(huán)繞的等寬槽，在實(shí)際加工當(dāng)中，其沿圓周表面具有著大于360°的銑削范圍，適合應(yīng)用在數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)立式數(shù)控銑床的加工當(dāng)中。在實(shí)際加工當(dāng)中，通過(guò)懸臂加工方式的應(yīng)用，在工作臺(tái)上實(shí)現(xiàn)圓柱凸輪的安裝，使工作臺(tái)能夠根據(jù)B軸旋轉(zhuǎn)的90°開(kāi)展施工。同時(shí)，將在同圓柱凸輪結(jié)構(gòu)情況做好聯(lián)系的基礎(chǔ)上，通過(guò)帶鍵心軸對(duì)凸輪加工過(guò)程中的周向以及徑向作為定位基準(zhǔn)，在將心軸臺(tái)肩作為定位基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，使用其前端螺紋，通過(guò)螺母的使用實(shí)現(xiàn)對(duì)圓柱凸輪的壓緊處理。

3.3 參數(shù)選擇

在圓柱凸輪加工這項(xiàng)工作當(dāng)中，工藝路線的制定情況十分關(guān)鍵，將直接關(guān)系到最終加工精度。在本研究中，將以槽寬34mm、槽深26mm的圓柱凸輪為例進(jìn)行研究，在實(shí)際毛坯加工當(dāng)中，其需要經(jīng)過(guò)開(kāi)槽、粗加工、半精加工以及精加工這幾道工序。

具體加工參數(shù)方面，要做好切削用量參數(shù)的合理選擇，盡可能因受力惡劣因素存在對(duì)加工精度產(chǎn)生的影響進(jìn)行降低。對(duì)于圓柱凸輪槽來(lái)說(shuō)，在不同截面上其都具有著等深的底部，對(duì)此，我們使用直柄立銑刀進(jìn)行加工處理，整個(gè)過(guò)程當(dāng)中所使用的工藝以及相關(guān)參數(shù)為：第一，等徑加工過(guò)程。所謂等徑加工，即滾子與刀具的幾何參數(shù)相一致，在該內(nèi)容加工中，使用20mm直徑的刀具進(jìn)行處理，需要注意的是，當(dāng)使用該刀具進(jìn)行加工時(shí)，如果按照一次進(jìn)刀開(kāi)槽的方式處理，則很可能因此損壞刀具。對(duì)此，在第一次開(kāi)槽環(huán)節(jié)，則可以將切削深度控制為6mm，之后按照每次5mm的增量處理，先后4次完成加工處理。在加工過(guò)程當(dāng)中，需要做好加工速度的控制，避免因速度過(guò)快使刀具發(fā)生振動(dòng)情況，進(jìn)而在完成加工后在廓面上留有波紋。加工實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)給速度確定為30mm/min，主軸轉(zhuǎn)速800rpm。第二，非等徑加工。同等徑加工方式相比，非等徑加工的特征即滾子同刀具具有著不同的特征幾何參數(shù)。在本次加工當(dāng)中，因凸輪槽較寬，對(duì)此，除了在粗加工環(huán)節(jié)，其余工序都需要以該方式處理，在加工實(shí)驗(yàn)中，其主軸轉(zhuǎn)速同給進(jìn)速度同等徑加工方式保持一致。第三，粗加工。在該環(huán)節(jié)中，使用Φ18高速鋼直柄立銑刀，留2mm加工余量，按照5次進(jìn)刀方式處理。第四，半精加工。在該環(huán)節(jié)中，使用Φ16高速鋼直柄立銑刀，留1mm加工余量，按照5次進(jìn)刀方式處理。第五，使用Φ14硬質(zhì)合金直柄立銑刀，按照一次性進(jìn)刀切槽方式處理。

3.4 走刀方式

在加工當(dāng)中，使用環(huán)線方式走刀。在該方式當(dāng)中，即使用刀具根據(jù)一定曲線軌跡，對(duì)圓柱凸輪廓面進(jìn)行加工，在整個(gè)過(guò)程當(dāng)中，刀具將隨著圓柱凸輪以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方式處理。

3.5 機(jī)床反向間隙補(bǔ)償

對(duì)于凸輪加工這項(xiàng)工作來(lái)說(shuō)，其在精度方面具有著較高的要求。在該種情況下，如果不能夠?qū)C(jī)床的反向間隙進(jìn)行消除，則很難對(duì)加工質(zhì)量做出保證。對(duì)于機(jī)床本身，很難將間隙補(bǔ)償裝置調(diào)整到間隙為0的狀態(tài)，對(duì)此，即需要通過(guò)編程方式實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)：在正式加工之前，要使刀具從原點(diǎn)出發(fā)，向縱向進(jìn)給的反方向進(jìn)行一定的位移，之后將刀具向著進(jìn)給方式進(jìn)行一定的移動(dòng)，通過(guò)該種方式對(duì)機(jī)床的反向間隙形成第一次擠壓處理。之后，使刀具在下刀之前對(duì)進(jìn)給方向?qū)崿F(xiàn)對(duì)下刀點(diǎn)的位移。通過(guò)該種兩次擠壓方式的應(yīng)用，即能夠?qū)崿F(xiàn)間隙的消除處理。在后續(xù)程序開(kāi)始到加工完成之前，銑刀在y方向上都將具有一致的運(yùn)動(dòng)方向，且不具有反向運(yùn)動(dòng)，以此對(duì)機(jī)床反向間隙存在能夠引起的加工誤差情況進(jìn)行消除。該方式同樣適用在工作臺(tái)反向間隙補(bǔ)償方面。

在實(shí)際加工當(dāng)中，需要做好表方向以及工作臺(tái)換向情況的避免，即使用刀具間隙補(bǔ)償以及半徑補(bǔ)償方式的應(yīng)用，對(duì)加工過(guò)程中可能出現(xiàn)的誤差進(jìn)行最大程度減少。

3.6 廓形檢測(cè)

當(dāng)圓柱凸輪體精加工處理之前，需要根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙所規(guī)定的表面質(zhì)量以及公差情況做好檢驗(yàn)。開(kāi)展該項(xiàng)工作的目的，即是以離線方式對(duì)刀位的軌跡進(jìn)行修正，集成可能對(duì)圓柱凸輪加工品質(zhì)影響的因素，在將其反映到廓面最后一道加工工序之后，對(duì)圓柱凸輪的高精度加工目標(biāo)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在本研究中，使用加工中心球形測(cè)頭對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，以此獲得圓柱凸輪體輪廓精度。對(duì)于該球形探頭來(lái)說(shuō)，其具有著使用精度高以及使用靈活的特征，不僅能夠測(cè)量圓柱凸輪的廓面，且能夠應(yīng)用在工件裝夾定位、曲線以及刀孔徑等方面。在完成測(cè)量工作之后，再根據(jù)所獲得的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行閉環(huán)補(bǔ)償加工，直至凸輪相關(guān)參數(shù)品質(zhì)能夠滿足要求為止。

4 結(jié)語(yǔ)

在上文中，我們對(duì)寬槽圓柱凸輪數(shù)控加工方法及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了一定的研究。在實(shí)際加工當(dāng)中，要想獲得高品質(zhì)的圓柱凸輪，僅僅具有正確的數(shù)控加工程序還不夠，也需要對(duì)加工工藝、實(shí)際精度產(chǎn)生的影響進(jìn)行充分的考慮。根據(jù)上述研究可以了解到，上述的數(shù)控加工工藝方案在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中具有著較強(qiáng)的可行性，在完成加工之后，所獲得的圓柱凸輪能夠?qū)刃枨筮M(jìn)行滿足，以此實(shí)現(xiàn)圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)性能的有效提升。

[1]趙世彤．情景教學(xué)模式在數(shù)控加工機(jī)械基礎(chǔ)中的作用[J]．科技展望，2017(21)．

[2]李占輝．機(jī)械模具數(shù)控加工制造技術(shù)及應(yīng)用探討[J]．中國(guó)設(shè)備工程，2017(14)．

[3]潘煌璋,吳嘉炎．關(guān)于數(shù)控加工的復(fù)雜曲面誤差研究[J]．科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2017(13)．

[4]駱彩云．基于數(shù)控加工的工藝設(shè)計(jì)原則及方法研究[J]．南方農(nóng)機(jī)，2017(14)．

[5]姚芳芳,劉明璽．基于參數(shù)化編程的雙曲線回轉(zhuǎn)表面數(shù)控加工研究[J]．機(jī)械制造與自動(dòng)化，2017(04)．

[6]吳鎮(zhèn)生,王京,羅昌杰,黃江平．間歇分度凸輪機(jī)構(gòu)的選型設(shè)計(jì)[J]．機(jī)械制造與自動(dòng)化，2016(01)．

[7]楊婷婷,董明望,吳林．圓柱凸輪側(cè)向傳動(dòng)耦合機(jī)理與運(yùn)動(dòng)學(xué)特性分析[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016(02)．

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