数控加工凸轮的项目教学

毕长波

(秦皇岛职业技术学院，河北 秦皇岛 066000)

弧形板凸轮是圆柱凸轮的一部分，它的工作面是一条带状曲面。它加工的重点首先是要保证凸轮的轮廓形状准确、表面光滑，保证凸轮机构的运动精度和平稳性；其次是保证曲面与从动件滚子的接触精度。凸轮工作曲面的加工工艺参数主要包括：刀具选用、刀具路径、工件的装夹和对刀操作等。

1 凸轮的制备

用不锈钢板卷作为工件的毛坯，车削加工使零件达到图纸尺寸和表面质量要求(弧板外径为840mm)。通过对钢圈沿斜线切割，将一个钢圈分割出三个零件毛坯，进一步切割使零件各斜面留3~10mm的加工余量。随后对获得的弧形板凸轮进行校正，使圆弧半径偏差在2mm之内，切削加工后再进行进一步矫正。对弧形板凸轮在立式加工中心(或铣床)上加工，运用CAM软件生成凸轮曲面加工的程序，采用UG/NX4.0软件进行曲面建模和生成加工程序。

2 凸轮工作曲面的创建

图1

凸轮工作曲面的创建分两步，空间曲线和带状曲线的创建。

(1)空间曲线的创建。图1显示了展开凸轮工作曲线的原始数据。

首先创建圆柱，步骤如下：①进入UG/NX4.0的建模界面；②插入一个草图，在X—Z面按照图二尺寸创建平面图形；③将平面曲线缠绕在840 mm的圆柱面上生成空间曲线。需要创建的圆柱略高于轮廓曲线高度(136)，高度设为150，圆柱轴线沿着Z轴，放置在与平面曲线相切的位置。

然后创建缠绕曲线，步骤如下：①选择圆柱面；②选择曲线所在的平面；③逐段点取平面曲线。；点击“应用”，生成缠绕在柱面上的凸轮工作曲线。

2 带状曲面的创建

凸轮的工作曲面是一条沿着空间曲线，宽度等于凸轮板厚度的带状曲面。采用“已扫掠”方法，具体步骤如下：①选择偏置曲线(空间曲线)，逐段点取；②输入“偏置距离”——25，即条状曲面的宽度。③激活第二步——“偏置视图”。曲面的矢量方向选择Z轴，即凸轮的轴线方向。这里偏置方向指向内侧，否则“切换偏置侧”。④点击“应用”生成带状曲面。

3 生成曲面的加工

凸轮顶面的加工包括凸轮的上升和下降两部分曲面，以及与顶面的圆弧过渡部分。因此需要将曲面分割成上升和下降两个部分，步骤如下：①在曲面上欲分割的部位画出两条分割线，并与曲面一起复制到20层和30层各一份备用；②在第20层进入“修剪片体”操作，第一步在欲保留的一侧点选曲面，自动进入下一步，点选分界直线，③点击“应用”，这样修剪掉掉曲面右侧的大部分，只保留左侧少部分，如图2所示。

同样，在第30层完成修剪操作，只保留右侧部分。打开20层和30层，同时显示两部分曲面。

(1)刀具的选择。加工空间曲面采用10的普通高速钢立铣刀，特点是刀刃锋利，切削力小。加工时沿条状曲面的长度方向，自下而上单向提刀切削，而立铣刀的端面刃不切削，仅有刀具的侧刃工作，这样切削平稳，生产效率高。

图2

粗加工时每次吃刀深度为2 mm，采用UG软件生成子程序，调用5次，为下一步的精加工留0.3 mm的加工余量。换一把新刀进行精加工，精加工时仍采用单向提刀切削方法，只是刀路比较密集，以保证曲面加工质量。精加工时平端立铣刀切削至曲面顶部圆弧的过渡区，刀具端面刃起修光作用。

(2)生成曲面的加工。曲面的生成程序如下：①进入UG NX4.0加工模块，选择“轮廓曲面区域(Contour surface Area)”的铣削方法；②进入对话框，点选“编辑参数”，进入“曲面驱动方式”对话框，选择驱动几何体；③点选左侧的一段曲面，出现的三个箭头中，指向斜上方的箭头表示曲面法向方向，否则点击“材料反向”。点击“切削方向”后出现8个箭头，其中向上的箭头表示刀具仅沿着曲面长度方向向上提刀切削。

4 工件的加工

(1)装夹工件。弧形板凸轮在VMC1000立式加工中心上进行加工。采用两台相同规格的平口钳定位和夹紧工件，如图3。首先将钳体在其底座旋转一定角度，以便适应弧形板的形状。两台平口钳底座的定向键要放置在机床工作台的同一“T”形槽内，夹持点尽可能靠近凸轮需加工的部位。工件定位后，旋紧连接平口钳底座和工作台的螺栓，初步施加夹紧力后，旋紧防止平口钳底座与钳体相对转动的螺丝。调整各个方向工件的位置，使其的准确定位后，旋紧各个螺丝。这里每台平口钳钳口与弧形板形成了三条线接触，弧形板柱面与弧形板外侧的钳口平面相切，这样工件表面一般不会受到损伤。由于弧形板内侧的钳口棱边可能会使工件内侧形成压痕，通常需要加垫铜片。此外，弧形板的弧度的可以通过平口钳的夹紧力微调，造成弧板半径变化，这有助于准确对刀。

图3

(2)坐标系与对刀。将工件坐标原点设置在弧形板的顶面圆心处，如图3所示。为便于测量，对刀时在机床主轴上安装一个中心钻，并移至工件的圆心处，然后分别测量凸轮毛坯两端和中点的内侧到中心钻的距离。通过调整主轴位置使三处的测量半径相等。毛坯的圆心找到后，设置机床的工件坐标系。此外，还需测量毛坯左端点的位置尺寸。试切工件左侧上升和右侧下降，检查走刀路径与工件是否吻合，必要时调整工件原点(G54)的偏置值。

通过指导学生使用普通数控立铣刀加工弧形板凸轮的过程，使学生掌握了凸轮制备、刀具选用、刀具路径、工件的装夹和对刀操作等工艺优化方法。