封閉圓柱凸輪槽車銑加工與沿曲面曲率進(jìn)刀方法研究

陳學(xué)翔

(佛山市高明區(qū)技工學(xué)校，廣東佛山528531)

封閉式圓柱凸輪零件廣泛應(yīng)用于各種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線往復(fù)式運(yùn)動當(dāng)中，是凸輪機(jī)構(gòu)重要的組成零件。以往封閉式圓柱凸輪常用普通銑床外加分度頭進(jìn)行加工，當(dāng)今隨著先進(jìn)裝備對零件制造質(zhì)量要求的提高和我國綜合國力提升，國內(nèi)制造企業(yè)涌現(xiàn)了諸如車銑復(fù)合中心等大批先進(jìn)制造裝備，如何更好地提高機(jī)械制造零件的質(zhì)量、效率和發(fā)揮先進(jìn)制造設(shè)備優(yōu)勢，是當(dāng)前我國制造業(yè)所面臨的突出問題。姜增輝等［1］對軸向車銑加工等距型面的切削過程和零件表面加工質(zhì)量進(jìn)行研究，但方法均局限于開放式回轉(zhuǎn)零件加工。陳爾濤等［2］針對正交車銑加工凸輪型面建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究，夏煥金等［3］對凸輪軸凸輪型面正交車銑加工的表面加工質(zhì)量進(jìn)行研究，但沒有對凸輪槽側(cè)面加工質(zhì)量處理方法進(jìn)行研究。而封閉式圓柱凸輪槽兩側(cè)面的加工精度和表面質(zhì)量是直接影響凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動軌跡精度的重要因素之一，作者在分析典型的封閉式圓柱凸輪零件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行專用夾具設(shè)計(jì)、多軸車銑復(fù)合數(shù)控程序編制，并提出了沿曲面曲率進(jìn)刀的方法，解決了凸輪機(jī)構(gòu)中典型的封閉式圓柱凸輪零件兩側(cè)面銑削加工時在進(jìn)退刀結(jié)合處容易產(chǎn)生接刀痕的具有普遍性的機(jī)械制造工藝難題，同時提高了零件的生產(chǎn)效率、程序可變性和加工精度。

1 凸輪結(jié)構(gòu)分析

凸輪零件圖如圖1所示，材料為合金工具鋼，首次加工數(shù)量350件。委托單位已輾轉(zhuǎn)珠三角多地的機(jī)械制造企業(yè)，仍然無法很好地解決委托單位最為關(guān)注的凸輪槽內(nèi)兩側(cè)壁的接刀痕問題。對零件圖進(jìn)行了詳細(xì)的分析后，為了保證凸輪的裝夾精度和凸輪槽相對位置精度，必須針對凸輪進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)，使之能用于中小批量凸輪的生產(chǎn)加工，減少對刀步驟，提高零件的加工精度和效率，夾具也要盡量經(jīng)濟(jì)，盡量節(jié)省成本。

圖1 圓柱凸輪零件圖

凸輪槽寬10 mm，加工槽深5 mm。由于凸輪槽軌跡線為非線性曲線，所以擬合點(diǎn)較多，如果采用手工編程對槽進(jìn)行加工，所需計(jì)算的節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，而且很難達(dá)到凸輪槽的尺寸精度和表面粗糙度要求。

2 專用夾具設(shè)計(jì)

專用夾具是根據(jù)某一零件某道工序的加工要求專門設(shè)計(jì)制造的夾具，具有結(jié)構(gòu)緊湊和剛性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［4］。根據(jù)凸輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及便于凸輪在車銑中心上安裝，夾具采用三爪卡盤與尾座頂尖一夾一頂?shù)难b夾方式。通過自定心原理使零件軸線與卡盤回轉(zhuǎn)中心重合，實(shí)現(xiàn)零件的裝夾定位［5］。夾具設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 凸輪夾具在車銑中心上的夾具設(shè)計(jì)

圖3 刀具幾何參數(shù)

夾具上鉆有一個裝夾工藝孔，零件裝夾時通過一條鐵棒手動轉(zhuǎn)動卡盤便于零件的裝夾。夾具上的定位工藝卡槽與凸輪底面上的工藝槽相互配合，主要起到一個定位的作用，提高加工過程中車銑中心C軸對被加工零件的扭轉(zhuǎn)力。采用壓緊塊和鎖緊螺母鎖緊裝置對零件進(jìn)行夾持，主要起到壓緊凸輪零件的作用，同時也便于加工后零件的裝卸，降低裝夾輔助時間提高加工效率。

總體而言，通過采用自制的夾具對凸輪零件進(jìn)行裝夾，提高凸輪零件之間的重復(fù)裝夾定位精度，減少刀具的對刀時間，給高效率、高質(zhì)量地加工出合格的零件打下基礎(chǔ)。

3 凸輪槽加工刀路編寫

加工凸輪槽時采用三菱自動車床專用型號銑刀，分別是φ8和φ10的合金涂層平底立銑刀，刀具幾何參數(shù)如圖3所示。刀具通過彈簧夾頭安裝在刀柄上，彈簧夾頭刀柄一般采用具有一定錐角的錐套作為刀柄系統(tǒng)與刀具的夾緊單元，當(dāng)旋轉(zhuǎn)螺母壓入套錐，使套錐內(nèi)徑縮小而夾緊刀具［6］。

三菱刀具表推薦的切削參數(shù)如圖4所示，φ8平底刀采用ap=0.6 mm，主軸轉(zhuǎn)速S=2 500 r/min，進(jìn)給量F=450 mm/min。精加工φ10平底刀采用主軸轉(zhuǎn)速S=2 100 r/min，進(jìn)給量F=300 mm/min。

圖4 切削參數(shù)

可采用UG NX4.0軟件的CAM加工模塊的可變軸加工策略對凸輪槽進(jìn)行程序的編制［7］。首先使用φ8平底刀在槽的中間下刀并對凸輪槽進(jìn)行粗加工，再對槽兩邊進(jìn)行擴(kuò)展使槽內(nèi)的毛坯余量均勻。通過多次的加工試驗(yàn)和相關(guān)的檢測數(shù)據(jù)，最終確定側(cè)面單邊留0.1 mm余量，底面留0.05 mm余量，粗加工、半精加工刀路如圖5所示。

圖5 粗加工、半精加工刀路

精加工時，直接使用φ10的平底刀對凸輪槽進(jìn)行一次性加工，以保證槽的寬度到達(dá)圖紙的尺寸要求。精加工刀路如圖6所示。

圖6 精加工刀路

4 凸輪槽兩側(cè)面接刀痕問題的解決

常規(guī)加工使用圓弧進(jìn)退刀的方式來加工凸輪槽的兩個側(cè)面，由于凸輪槽的寬度較小，受刀具直徑影響制約了刀具進(jìn)刀的圓弧半徑，過小的圓弧致使兩側(cè)面在進(jìn)退刀的過程當(dāng)中產(chǎn)生接刀痕，因此必須采用一種新型的加工凸輪槽的進(jìn)刀方式成為了解決封閉式圓柱凸輪槽接刀痕的關(guān)鍵。

根據(jù)實(shí)際加工結(jié)果分析，零件上有接刀痕的原因是由于刀具進(jìn)刀時吃刀量突變，刀具切削力產(chǎn)生較大變化導(dǎo)致的。如何減少刀具進(jìn)刀時的切削力突變是完成高質(zhì)量零件的一大關(guān)鍵點(diǎn)，因此經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)和加工，擬采用沿曲面曲率進(jìn)刀的方式來解決上述問題。首先通過給出的凸輪軌跡線在凸輪槽的中間創(chuàng)建出與凸輪兩側(cè)面曲率一致的曲面，而且將曲面擴(kuò)大于凸輪的外表面。然后在凸輪軌跡線上繪制出進(jìn)退刀直線，并將直線投影到已創(chuàng)建的曲面當(dāng)中，使進(jìn)退刀走的軌跡曲線與凸輪槽側(cè)面的曲率完全一致，這樣就可以減少切削加工時的切削力突變。通過繪制進(jìn)退刀引線創(chuàng)建出車銑中心動力刀頭適用的多軸加工刀路，如圖7、8所示。

圖7 常規(guī)圓弧式進(jìn)刀

圖8 沿曲面曲率進(jìn)刀

程序的后處理根據(jù)車銑復(fù)合機(jī)床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及各軸的行程參數(shù)，采用UG NX4.0/Post Builder開發(fā)。經(jīng)過多次修改完善后開發(fā)的后處理具備車削、銑削、鉆孔、攻螺紋等功能。精加工的NC代碼和封閉式圓柱凸輪槽實(shí)際加工后的結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 精加工NC代碼

圖10 凸輪槽加工后結(jié)果

5 結(jié)束語

在加工零部件日益復(fù)雜化的今天，多軸車銑復(fù)合切削加工機(jī)床正以更快的速度得以普及。文中通過凸輪零件的加工，對車銑中心具體的實(shí)際應(yīng)用有更進(jìn)一步的認(rèn)識，為后續(xù)加工更為復(fù)雜的零件打下基礎(chǔ)。對凸輪進(jìn)行快速專用夾具設(shè)計(jì)，使凸輪槽能快速在機(jī)床上實(shí)現(xiàn)裝夾定位，提高了加工效率和經(jīng)濟(jì)效益。通過試驗(yàn)首次提出沿曲面曲率進(jìn)刀的方式，解決了封閉式圓柱凸輪槽在加工過程中由于使用常規(guī)的圓弧進(jìn)退刀方式在槽內(nèi)兩側(cè)面產(chǎn)生接刀痕的問題，解決了銑削加工過程中封閉式凸輪槽兩側(cè)面加工出現(xiàn)接刀痕的技術(shù)問題，大大提高了零件的加工質(zhì)量和效率，降低了次品率。

【1】姜增輝，潘恒陽，李偉兵.軸向車銑等距型面的運(yùn)動建模［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2008，44(10):149 －153.

【2】陳爾濤，朱立達(dá).正交車銑加工凸輪型面的試驗(yàn)研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2012(4):33 －35.

【3】夏煥金，陸忠民.凸輪軸凸輪型面車銑加工工藝的研究［J］.機(jī)車車輛工藝，2010(5):11 －13.

【4】王道林.面向套類零件的成組夾具設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2012，40(4):30 －32.

【5】陳學(xué)翔.數(shù)控銑(中級)加工與實(shí)訓(xùn)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011:38－39.

【6】SCHULZ Herbert，ABELE Eberhard，何寧.高速加工理論與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2010:183－187.

【7】陳學(xué)翔.UG NX6.0數(shù)控加工經(jīng)典案例解釋［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009:219－240.