余軼，鄭偉偉

（1.漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 漯河462002；2.河南廣播電視大學(xué)，河南 鄭州450008）

圓筒凸輪數(shù)控加工的應(yīng)用工藝研究

余軼1，鄭偉偉2

（1.漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 漯河462002；2.河南廣播電視大學(xué)，河南 鄭州450008）

根據(jù)圓筒凸輪加工運(yùn)動(dòng)的構(gòu)成和實(shí)現(xiàn)要素，進(jìn)行數(shù)控銑削加工方式和數(shù)控化加工的應(yīng)用工藝研究。在數(shù)控銑床上進(jìn)行普通分度頭的數(shù)控改裝，通過(guò)增加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的控制運(yùn)行，進(jìn)行凸輪零件圓周表面上圓弧曲線槽的數(shù)控化加工。將數(shù)控加工直線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)行，轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)行，拓寬和擴(kuò)展了數(shù)控技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用。此應(yīng)用研究，對(duì)諸類圓周表面上曲線軌跡的數(shù)控加工，有著舉一反三的作用。具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

數(shù)控化加工；應(yīng)用工藝研究；旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)換控制；圓周表面曲線槽

0 引言

在三坐標(biāo)數(shù)控銑床上進(jìn)行加裝普通分度頭的數(shù)控改裝，通過(guò)增加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的控制運(yùn)行，采用平面直角坐標(biāo)的控制方式加工凸輪圓周表面上曲線槽，具有良好的應(yīng)用效果，此加工方式對(duì)圓周表面上曲線軌跡的數(shù)控加工，有著舉一反三的作用。

1 零件加工工藝分析

圓筒凸輪為進(jìn)口機(jī)械上的易損零件。其零件如圖1所示。由于凸輪的槽形軌跡設(shè)置在零件的圓周表面上，并且槽形軌跡控制著機(jī)械上擺桿的運(yùn)行動(dòng)作軌跡，所以槽形軌跡不僅加工難度大，而且精度要求高。該零件既要求準(zhǔn)確曲線形槽軌跡的加工，還要求曲線槽加工轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)于擺桿運(yùn)動(dòng)軌跡的準(zhǔn)確基點(diǎn)位置，常規(guī)加工受機(jī)床結(jié)構(gòu)和加工方法的制約，產(chǎn)品質(zhì)量不能達(dá)到要求。另外該產(chǎn)品型號(hào)規(guī)格較多，使得此問(wèn)題更為突出。因此，提高該類凸輪加工的精度質(zhì)量，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)此類零件數(shù)控化加工的應(yīng)用工藝研究。有著良好的應(yīng)用前景。

圖1　圓筒凸輪零件圖

1.1零件結(jié)構(gòu)精度分析

零件毛坯輪廓的結(jié)構(gòu)形狀較簡(jiǎn)單，但零件的加工精度和幾何精度要求較高。由于零件的曲線槽控制著機(jī)械上相關(guān)擺桿的運(yùn)行動(dòng)作，所以要求曲線槽之間必須圓滑連接過(guò)渡，因此零件成型輪廓的銑削加工，不僅形狀復(fù)雜、而且加工精度和幾何精度要求較高，這是加工的難點(diǎn)，必須預(yù)以保證。

1.2加工刀具分析

在數(shù)控銑削曲線槽的加工中，從零件的加工精度考慮，應(yīng)該分別使用兩把相同規(guī)格尺寸的銑刀，更有利于曲線軌跡尺寸和表面粗糙度的保證，同時(shí)可以簡(jiǎn)化程序編制的節(jié)點(diǎn)參數(shù)計(jì)算。

1.3零件裝夾與定位基準(zhǔn)分析

在數(shù)控銑削加工中，利用完成加工的￠130圓柱內(nèi)孔和兩端內(nèi)孔倒角，使用定位芯軸進(jìn)行零件的裝夾，利用定位芯軸一端外圓和另一端的內(nèi)孔倒角，使用分度頭采用一夾一頂?shù)姆绞竭M(jìn)行零件的裝夾定位。同于零件的車削加工，零件軸向的定位基準(zhǔn)選擇在零件￠130內(nèi)孔和零件的右端面。這樣處理的好處是在零件的車削加工和數(shù)控銑削加工中均采用相同的基準(zhǔn)和相同的方式進(jìn)行裝夾定位，符合基準(zhǔn)重合的原則，有利于提高零件的加工精度和幾何精度。

1.4數(shù)控銑削加工方式分析

由零件的結(jié)構(gòu)形狀可知，凸輪的曲線槽軌跡由直線和圓弧構(gòu)成。曲線槽的直線軌跡是沿零件軸線直線運(yùn)動(dòng)的軌跡，曲線槽的圓弧軌跡是沿零件軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿零件軸線的直線運(yùn)動(dòng)合成的軌跡。

由數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)工作的原理和特點(diǎn)可知，數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)是按照角度進(jìn)行控制的，應(yīng)用附加旋轉(zhuǎn)軸的數(shù)控加工方法能夠滿足零件圓周表面上直線（斜線）槽軌跡的加工，而不能滿足零件圓周表面上圓弧槽軌跡的加工要求。欲滿足上述加工要求，必須將零件圓周表面上的角度控制轉(zhuǎn)換為零件圓周表面上的直線長(zhǎng)度控制，才能滿足零件圓周表面上圓弧槽軌跡的加工要求。

由上述分析可知：該零件應(yīng)該運(yùn)用下列加工方式來(lái)進(jìn)行圓筒凸輪曲線槽軌跡的數(shù)控銑削加工。

在立式數(shù)控銑床上，使用普通FW-125型分度頭，經(jīng)數(shù)控改裝后進(jìn)行零件曲線槽軌跡的數(shù)控銑削加工。如圖2所示。具體如下：將普通FW-125型分度頭固定在銑床工作臺(tái)上，使分度頭的旋轉(zhuǎn)中心軸線與銑床X向直線軸運(yùn)動(dòng)方向平行，在分度頭上裝夾圓筒凸輪零件并使得零件中心軸線與分度頭的旋轉(zhuǎn)中心軸線重合。X向運(yùn)動(dòng)控制銑床工作臺(tái)做縱向直線移動(dòng)；Y向運(yùn)動(dòng)控制銑床工作臺(tái)做橫向直線移動(dòng)；Z向運(yùn)動(dòng)控制銑床工作臺(tái)做垂直直線移動(dòng)。旋下Y向電動(dòng)機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)連接的旋紐，旋上需另外配置相同型號(hào)的Y向電動(dòng)機(jī)，用來(lái)控制分度頭來(lái)實(shí)現(xiàn)沿工件中心軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。使用Z軸單動(dòng)來(lái)進(jìn)行零件加工中的進(jìn)刀、退刀運(yùn)動(dòng)；使用X軸、Y軸（此時(shí)為旋轉(zhuǎn)軸）聯(lián)動(dòng)來(lái)進(jìn)行直線和圓弧軌跡的插補(bǔ)，應(yīng)用直角坐標(biāo)的控制方式來(lái)進(jìn)行零件曲線槽軌跡的數(shù)控銑削加工。

采用此方式加工的零件輪廓和軌跡精度可以滿足加工要求，并且加工操作方便，簡(jiǎn)便易行。

2 分度頭的數(shù)控改裝及轉(zhuǎn)換控制原理

FW-125型分度頭數(shù)控改裝的結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖2。

圖2　FW-125型分度頭的數(shù)控改裝

數(shù)控改裝如下進(jìn)行：用原來(lái)實(shí)現(xiàn)橫向直線位移的Y向伺服電動(dòng)機(jī)，來(lái)聯(lián)接控制FW-125型分度頭的輸入蝸桿，控制其做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于控制傳動(dòng)部件（原來(lái)為銑床橫向絲杠，現(xiàn)在為FW-125型分度頭輸入蝸桿）的不同，則會(huì)引起運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化，必然使得Y向的位移軌跡失控或變形，也使得與X向聯(lián)動(dòng)運(yùn)行圓弧軌跡失控或變形。

由數(shù)控系統(tǒng)的控制原理可知：Y向伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)，帶動(dòng)被聯(lián)接的滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)，此時(shí)直線位移一個(gè)絲杠螺距值t（一般t=6mm）。當(dāng)Y向伺服電動(dòng)機(jī)用來(lái)聯(lián)接控制FW-125型分度頭時(shí)，由于FW-125型分度頭中蝸輪蝸桿的傳動(dòng)比i=40，因此Y向伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)，帶動(dòng)被聯(lián)接FW-125型分度頭的輸入蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)，Y向伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)40轉(zhuǎn)，帶動(dòng)被聯(lián)接的FW-125型分度頭輸入蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)40轉(zhuǎn)（即工件轉(zhuǎn)動(dòng)一周），此時(shí)的編程位移長(zhǎng)度為mm，可帶動(dòng)被聯(lián)接的FW-125型分度頭的主軸以及工件轉(zhuǎn)動(dòng)一周，此時(shí)實(shí)際位移的旋轉(zhuǎn)長(zhǎng)度為零件的圓周長(zhǎng)（Ly=πd=150π=471.238898）。欲使L1=Ly，在Y向伺服電動(dòng)機(jī)與FW-125型分度頭輸入蝸桿的聯(lián)接間增加一級(jí)齒輪傳動(dòng)，即可使得上述問(wèn)題得到解決。增加齒輪的計(jì)算：

經(jīng)此改裝后，Y向運(yùn)動(dòng)由原來(lái)的控制直線運(yùn)行轉(zhuǎn)換為控制旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，并且編程參數(shù)計(jì)算符合平面直角坐標(biāo)系的約定。因此，應(yīng)用直角坐標(biāo)系的控制方式，利用B向（原來(lái)Y向）旋轉(zhuǎn)軸和X向直線軸的插補(bǔ)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，來(lái)進(jìn)行凸輪圓周表面上圓弧曲線軌跡的數(shù)控銑削加工。

3 數(shù)控改裝后的控制精度

當(dāng)給定Y伺服向電動(dòng)機(jī)位移長(zhǎng)度為L(zhǎng)1=it=240mm時(shí)，可帶動(dòng)分度頭主軸及凸輪工件轉(zhuǎn)動(dòng)一周，此時(shí)零件的旋轉(zhuǎn)位移長(zhǎng)度為其圓周長(zhǎng)Ly=πd=150π=471.238898。由此可得旋轉(zhuǎn)向單位位移控制精度：Ly/L1=πd/it= 471.238898/240×0.01=0.0019635（mm/P）。

由上述計(jì)算公式可知，π為無(wú)理數(shù)，所以，490凸輪零件周長(zhǎng)的理論值與編程值不等，由此使得圓弧位移長(zhǎng)度存在著傳遞誤差。圓弧位移毫米單位的傳遞誤差△L為：△L= 150π/it-1/k-0.00014095514274286232448424908667433mm。說(shuō)明圓弧位移每毫米多位移了此值。如此之小的誤差，完全能夠滿足圓筒零件的精度要求。

如若在其累積到與單位位移精度等值時(shí)，還可通過(guò)減加一步旋轉(zhuǎn)位移長(zhǎng)度來(lái)將此誤差預(yù)以消除或降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)加工證明：將數(shù)控加工直線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)行，轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)行，進(jìn)行凸輪零件的數(shù)控化加工控制，擴(kuò)展了數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用范圍。

在只有直線軸的數(shù)控銑床上加裝普通分度頭，這種數(shù)控加工與普通設(shè)備相結(jié)合的做法，依然可以得到使用數(shù)控旋轉(zhuǎn)加工的同等效果。此加工方法避開(kāi)了一般單位缺少高檔數(shù)控系統(tǒng)的條件限制，拓寬和擴(kuò)展了數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用范圍，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

［1］張新義.經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

［2］林其駿.微機(jī)控制機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1991.

［3］余英良.機(jī)床數(shù)控改造設(shè)計(jì)與實(shí)例［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

TG659

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.048

1002-6673（2015）02-127-02

2014-12-30

余軼，男，講師。研究方向：機(jī)械制造及其自動(dòng)化應(yīng)用。發(fā)表專業(yè)論文多篇。