凸輪加工方法的優(yōu)化

周明純

摘 要：利用萬能工具銑床加工扇形零件時操作繁瑣，操作人員勞動強度大，產(chǎn)品成品率低，表面質(zhì)量差，換用立式加工中心進行數(shù)控加工，經(jīng)實體建模建立曲面模型，利用模型自動編程后，配合專用工裝夾具，獲得了較好的加工效果，滿足使用需求。對比原有加工方式，可大幅節(jié)約加工時間、降低生產(chǎn)成本、提升加工效率，有較好的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：昆式曲面;工裝設(shè)計;數(shù)控編程

數(shù)控加工經(jīng)過多年發(fā)展已應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的方方面面，通過數(shù)控加工可以實現(xiàn)復(fù)雜型面的加工。數(shù)控加工有較多優(yōu)勢：工序相對集中，減少中間環(huán)節(jié)，提升經(jīng)濟效益;可以實現(xiàn)較好的自動化，降低對操作工人的要求，降低工人的勞動強度，由于減少了人工參與，可以提高產(chǎn)品的一致性，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高;可以實現(xiàn)柔性加工，適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)中短平快的生產(chǎn)需求，適應(yīng)市場經(jīng)濟下的產(chǎn)品頻繁改型，效率高;同時因為有大量數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)生產(chǎn)管理現(xiàn)代化、規(guī)范化。

我單位現(xiàn)有一種凸輪，零件結(jié)構(gòu)如圖1所示。內(nèi)徑為Φ12K7通孔，中間是Φ24圓柱，外圈為R32的扇形面，該扇形面由寬10平面與提升高度為2.5的斜面組成。

傳統(tǒng)的加工方式是采用通用的萬能工具銑床，配合機床附件進行。在加工該零件時，首先需要先拆除立銑床上的工作臺進給手輪，換裝掛架、掛輪，其次將掛輪與工作臺上的分度頭連接，然后裝上三抓卡盤，將扇形半成品壓緊在芯棒上安裝于三抓卡盤上，這時才完成加工前的裝夾工作。切削加工時，全部需要操作人員手動進給，勞動強度較大。

使用通用機床進行加工，機床附件裝配過程較為復(fù)雜，耗時長，從組裝至加工即前期準備時間至少需要0.5個工作日，勞動強度大，延誤加工進度。當加工任務(wù)為多品種、小批量型任務(wù)時，多變的加工內(nèi)容需要使用不同的機床附件，拆、裝附件較為繁瑣，準備時間長，生產(chǎn)柔性差。在加工過程中，工件與芯棒夾緊力接觸面小，加工時零件一旦發(fā)生竄動，會造成刀具蹦壞損毀和零件報廢，造成很大浪費，甚至威脅人身安全。這種加工方式方法繁瑣，對操作人員技術(shù)水平要求高，勞動強度大，整體加工效率低、易損耗，零件表面光潔度較差，因此需要改變加工方式以適用于現(xiàn)代化高效率生產(chǎn)。

1 加工分析

參考實際加工效果，對該零件進行加工性分析，該零件使用Φ70的毛坯棒料，先加工成臺階軸，同時內(nèi)孔鉆成，主要的加工難點就是提升高度為2.5的斜面，因此將斜面的加工作為數(shù)控加工的主要內(nèi)容。

由于第一步車已將毛坯加工成臺階軸型，且外形尺寸公差按GB/T1804-m執(zhí)行，外形加工精度要求低，因此可以使用內(nèi)孔定位，加工90°扇形及斜面，設(shè)計如圖2所示定位工裝。先將三抓卡盤固定在機床工作臺上，用三抓卡盤夾緊Φ48圓柱面，加工時零件中心孔穿過Φ12圓柱，底面與平面接觸，即可實現(xiàn)零件定位。軸的上部是M12的標準螺紋，利用GB/T 6170 M12的不銹鋼螺母及彈墊平墊將毛坯擰緊在工裝上，即可實現(xiàn)零件的夾緊。

2 建模編程加工

實現(xiàn)數(shù)控加工，編程是關(guān)鍵。由于該斜面不是均勻上升的，因此難以直接計算得出加工參數(shù)，無法進行手工編程，需要繪制工程模型進行自動編程。

第一次試制，將底面厚2.5處棱邊（線段Lab）直接繞圓心旋轉(zhuǎn)90°并抬升2.5mm，可以掃描得到均勻上升的斜面。但該種方法存在問題：棱邊抬升后無法保證斜面與厚5平面交接的棱邊（線段Lcd）與扇形的90°邊平行，即無法保證左視圖中尺寸10，導(dǎo)致三維模型、加工實物與圖紙尺寸不符，因此該種方法不符合加工要求，因此還要選擇其他建模方式。

第二次試制，利用實體補差的方式形成曲面。先建立厚2.5底面及90°扇形面下邊棱Lab、上部厚5寬10尺寸處棱邊Lcd，利用空間曲線，連接該兩條線段的外端點b、d形成R32圓弧，用直線連接內(nèi)端點形成線段Lac，形成4根線段合圍，利用實體補差，將該四條線段圍成的區(qū)域填補成曲面，即獲得了一個曲面，在用中間Φ24圓柱面相剪，則形成了完整的斜面abcd，即可完成整個零件的建模，通過自動編程，選用Φ6平刀加工出實物。通過觀察發(fā)現(xiàn)，斜面的c點處有一處凹窩，導(dǎo)致斜面與線段Lcd交接不圓滑，與預(yù)想結(jié)果有差異，經(jīng)分析是建模時線段Lac與Lcd在c點處曲面急劇收縮，導(dǎo)致面過渡不均勻，影響實際使用，因此效果不理想，仍要選擇其他建模方式。

昆氏曲面是用四條邊界曲面定義，由許多綴面組合形成的一張曲面，由于Lab、Lcd與曲線ac、曲線bd兩對線段近似平行，符合昆氏曲面建立要求，因此第三次試制利用建立昆氏曲面以實現(xiàn)建模。首先串聯(lián)四條線段，形成一個昆氏曲面，然后將該曲面沿扇形的半徑方向向內(nèi)外各延伸3mm，形成一個新的曲面，將弧ac、弧bd投影至該曲面，形成兩條三維曲線：曲線ac、曲線bd，再利用該三維曲線及兩線段Lab、Lcd生成新的昆氏曲面，該曲面即加工所需要曲面abcd，通過自動編程，選用Φ4平刀，按照由內(nèi)向外，由下向上的順序進行加工。經(jīng)檢查實物，零件表面光潔度好，基本符合斜面加工要求，可轉(zhuǎn)入下道工序。

經(jīng)實際測算，利用該種方法加工，可節(jié)約63%加工時間。

3 優(yōu)化方向

根據(jù)昆氏曲面建立的空間曲面加工時在a點會有局部過切，原因是加工a點處圓弧時，進刀時會對a點右側(cè)斜面刀具半徑范圍內(nèi)切削，所以該加工方式并非十全十美，經(jīng)評價不影響使用，因此可以在應(yīng)用于生產(chǎn)，后期將考慮進一步優(yōu)化進刀方式及刀具直徑，減少過過切。

此外，上述的加工方式適用于單件扇形零件的加工，若需要進一步提高工作效率，在一次裝夾中加工多件零件，可以對定位工裝進行改進。將圓形的工裝底座改為方形，將Φ12圓柱陣列成2×3陣列，這樣可以一次裝夾6件毛坯（更多數(shù)量也可以通過增加陣列數(shù)量實現(xiàn)）。此外，由于方形底座在工作臺上易于定位夾緊，可以使用虎鉗或壓板快速裝夾，不必使用三轉(zhuǎn)卡盤，實現(xiàn)了通用夾具的高效利用，避免拆裝機床夾具，提高了生產(chǎn)線的加工柔性，同時根據(jù)夾具體尺寸的精確定位，易于實現(xiàn)工件坐標系與機床坐標系的快速定位，可以實現(xiàn)加工時快速對刀，進一步提升加工效率。

4 總結(jié)

通過多次試制加工及比較，利用昆氏曲面完成扇形零件的建模的方式較為優(yōu)良，可以較為快速的實現(xiàn)建模，利用自動編程的方式實現(xiàn)加工程序的生成，可以極大的降低編程難度，同時配合專用工裝的使用，可以降低零件裝夾的難度，減少加工準備時間。建立模型后自動編程配合專用工裝，可以極大的提高該種扇形零件的加工效率，提升產(chǎn)品質(zhì)量水平，明顯的降低了操作者的勞動強度與和一線操作者的技術(shù)水平要求，大大提升了生產(chǎn)效率，具有較好的經(jīng)濟效益。

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