变速鼓的经济加工和精密测量

2012-12-23刘兴富刘瑞玲

汽车零部件 2012年3期

刘兴富，刘瑞玲

(1. 广州威而信精密仪器有限公司西安分公司，陕西西安710075;2. 陕西五环(集团)实业有限责任公司，陕西西安710038)

0 概述

变速鼓(也叫变速器)是摩托车、汽车、飞机等发动机变速机构的关键零件。变速鼓是在圆柱面上制成符合要求形状的两条曲线槽的圆柱凸轮(柱形构件)。变速鼓的外圆柱表面上的两条曲线槽的精度，直接影响着发动机挂挡的灵活性和挂挡位置的准确性。在变速鼓的质量评定中，如果只按图纸要求对曲线槽直线段的特征点进行检测，而不检测斜线段和圆弧段，则会漏掉对斜线段和圆弧段的评定。因而，出现按同一图纸由不同厂家加工的曲线槽几何形状各不相同的局面。变速鼓的两条曲线槽的加工和测量，成了发动机变速鼓的关键课题。

传统的加工方法是在立式铣床或工具铣床上人工手摇靠模加工，不仅加工效率低、劳动强度大、成本高，而且加工质量难以保证;用数控机床加工，虽然能较好地保证加工质量和较高的生产效率，但成本高。

文中通过技术经济分析论证，对传统加工设备技术改造，实现变速鼓的经济数控加工;在微机型万能工具显微镜(以下均简称“万工显”)上实现变速鼓曲线槽几何形状的精密测量。从而实现了对变速鼓的整体质量正确评定。

1 变速鼓的经济加工［1］

加工如图1 所示的变速鼓上两条曲线槽，需要3 个运动:垂直主轴上下升降，工作台左右移动，分度头转动。主轴升降实现进刀工步;工作台移动和分度头旋转的联动实现曲线槽切削工步。

为适应经济加工要求，应对现有机床技术改造，通过程序指令使刀具、工作台和分度头，按照程序规定的加工系统进行相应的运动，从而使老设备的传统加工转变为经济数控加工方法［2］。

如图2 所示，根据变速鼓两条曲线槽的形状、尺寸要求，将加工全过程适当地分解成若干程序段，然后确定各段的加工数据，控制指令。按照控制系统所用的代码编写程序指令，通过键盘输入给控制系统，控制系统再发信号给控制刀具进给的步进电机和控制工件直线运动或旋转运动的步进电机，从而使刀具、工作台和工件按照程序中规定的加工路线进行相应的运动，达到加工目的。

系统采用功率步进电机驱动的开环系统。因为开环控制线路简单，步进电机的步距不受电压波动和负载变化的影响，也不受其他环境条件的限制，只与脉冲频率成正比，能按照控制脉冲数的要求进行启动、停止和反转。这种步进电机驱动的开环控制系统技术比较简单、价格便宜且维修方便。

这里应指出，为了保证变速鼓的加工精度，在对机床进行技术改造时，除了正确编制加工程序外，还必须注意如下几点:

(1)始点与工件起始点要保持一致;

(2)工件中心线与工作台运动方向平行，刀具中心线必须通过工件中心线并保持与之垂直;

(3)工件安装定位要可靠。在切削力的作用下，不能产生轴向移动和角向转动;

(4)应容易清屑和消除机床传动部分的间隙，以保证安装定位精度和曲线槽的各交接点圆滑过渡;

(5)严格控制加工刀具的制造精度和使用中刀具的磨损。

2 变速鼓的精密测量

(1)曲线槽补充测量点的原则

发动机变速鼓曲线槽侧边曲线分别由直线段(平直部分)、斜线段和圆弧段(上凸下凹部分)组成(图1 (b))。但设计图纸仅给出了平直部分的坐标(转角、尺寸)，对于上凸下凹部分仅给出了图形的尺寸却未给出具体的坐标值。如果按图纸仅测量曲线槽侧边曲线平直部分的特征点(图纸给出坐标值的点)，而不对曲线的上凸下凹部分的几何形状进行测量，将无法对曲线槽侧边曲线整体形状做出正确的评定。笔者在变速鼓的质量验收中发现:尽管都是按同一图纸生产，但不同生产厂家制造出的曲线槽侧边曲线的形状各不相同。为此，应在曲线槽侧边曲线的上凸下凹部分补充测量点，以全面评定变速鼓的品质。补充测量点的原则是:既要使转角为整数的度值(方便测量)，又要使曲线的上凸下凹部分的测量布点均匀。

(2)曲线槽补充测量点的方法

以图1 (b)的直线段特征点L (94°)、S (121°)、H(138°)和T (266°)为转角计算原点，在曲线的上凸下凹部分，对称图形的正、负(±42°)两侧，按每6°补充一个测量点，计算出两曲线槽上、下侧边曲线补充测量点的坐标(转角、尺寸)。具体方法是:如图3 所示，按图纸要求计算出斜线和圆弧的切线槽上、下侧边曲线补充测量点的坐标(转角、尺寸)，按图纸要求计算出斜线和圆弧的切点及夹角，再根据已知转角6°的展开长度进行计算，即以切点(交点)、圆弧半径、斜线夹角为边界条件，计算出变速鼓曲线槽侧边曲线补充测量点的坐标(转角、尺寸)。

(3)曲线槽的测量与计算

变速鼓的曲线槽，应按柱坐标系进行测量。笔者选用带光学分度头的“万工显”，并按反射光系统调整仪器［3-5］。如图4所示，变速鼓装在仪器与分度头顶针之间，通过专用卡箍连接，使分度头带动变速鼓转动(不允许相对转动)。测量基准应与设计(工艺)基准一致，即应按设计图纸要求，设定变速鼓的起始转角及分度头的旋转方向和曲线槽侧边曲线的起始尺寸。如图5 (a)所示，在变速鼓的A 孔及虚线孔中插入标准销轴(应无间隙)后，移动“万工显”横向(Y 向)托架，使米字中心虚线和变速鼓的中心轴线重合，然后将横向托架锁定(在整个测量过程中不允许横向移动)，接着调整焦距，使销轴影像清晰，转动分度头，按常规获得A 孔中心位置的转角φA和虚线孔中心位置转角(为确定16° ±30'备用)，则变速鼓的测量起始转角为

如图5 (b)所示，以变速鼓φ20 轴台端面B 的设计基准为测量曲线槽尺寸基准，并将测量刀靠在端面B 上，以确定曲线槽的侧边曲线的起始尺寸。

由于各补充测量点的转角(展开长度)为已知，则各补充测量点的尺寸，可由下式计算:

式中:C 为直线段(基线)的坐标值(尺寸);

Δφ 为测点间隔，计算时，按展开长度代入;

α 为斜线的夹角;

R 为与斜线相切的圆弧半径。

这里应指出，计算时如是斜线段的补充测点用α，如是圆弧段的补充测点则用R;当计算上凸部分时用正(+)号，当计算下凹部分时用负(-)号。计算结果如表1 所示。