圆筒凸轮数控加工的应用工艺研究

2015-11-02余轶郑伟伟

机电产品开发与创新 2015年2期

关键词：数控铣凸轮圆弧

余轶，郑伟伟

（1.漯河职业技术学院，河南漯河462002；2.河南广播电视大学，河南郑州450008）

圆筒凸轮数控加工的应用工艺研究

余轶1，郑伟伟2

（1.漯河职业技术学院，河南漯河462002；2.河南广播电视大学，河南郑州450008）

根据圆筒凸轮加工运动的构成和实现要素，进行数控铣削加工方式和数控化加工的应用工艺研究。在数控铣床上进行普通分度头的数控改装，通过增加旋转运动的控制运行，进行凸轮零件圆周表面上圆弧曲线槽的数控化加工。将数控加工直线运动的运行，转换为旋转运动的运行，拓宽和扩展了数控技术在实际中的应用。此应用研究，对诸类圆周表面上曲线轨迹的数控加工，有着举一反三的作用。具有很强的实用性。

数控化加工；应用工艺研究；旋转轴的转换控制；圆周表面曲线槽

0 引言

在三坐标数控铣床上进行加装普通分度头的数控改装，通过增加旋转运动的控制运行，采用平面直角坐标的控制方式加工凸轮圆周表面上曲线槽，具有良好的应用效果，此加工方式对圆周表面上曲线轨迹的数控加工，有着举一反三的作用。

1 零件加工工艺分析

圆筒凸轮为进口机械上的易损零件。其零件如图1所示。由于凸轮的槽形轨迹设置在零件的圆周表面上，并且槽形轨迹控制着机械上摆杆的运行动作轨迹，所以槽形轨迹不仅加工难度大，而且精度要求高。该零件既要求准确曲线形槽轨迹的加工，还要求曲线槽加工转动时对应于摆杆运动轨迹的准确基点位置，常规加工受机床结构和加工方法的制约，产品质量不能达到要求。另外该产品型号规格较多，使得此问题更为突出。因此，提高该类凸轮加工的精度质量，进行实现此类零件数控化加工的应用工艺研究。有着良好的应用前景。

图1　圆筒凸轮零件图

1.1零件结构精度分析

零件毛坯轮廓的结构形状较简单，但零件的加工精度和几何精度要求较高。由于零件的曲线槽控制着机械上相关摆杆的运行动作，所以要求曲线槽之间必须圆滑连接过渡，因此零件成型轮廓的铣削加工，不仅形状复杂、而且加工精度和几何精度要求较高，这是加工的难点，必须预以保证。

1.2加工刀具分析

在数控铣削曲线槽的加工中，从零件的加工精度考虑，应该分别使用两把相同规格尺寸的铣刀，更有利于曲线轨迹尺寸和表面粗糙度的保证，同时可以简化程序编制的节点参数计算。

1.3零件装夹与定位基准分析

在数控铣削加工中，利用完成加工的¢130圆柱内孔和两端内孔倒角，使用定位芯轴进行零件的装夹，利用定位芯轴一端外圆和另一端的内孔倒角，使用分度头采用一夹一顶的方式进行零件的装夹定位。同于零件的车削加工，零件轴向的定位基准选择在零件¢130内孔和零件的右端面。这样处理的好处是在零件的车削加工和数控铣削加工中均采用相同的基准和相同的方式进行装夹定位，符合基准重合的原则，有利于提高零件的加工精度和几何精度。

1.4数控铣削加工方式分析

由零件的结构形状可知，凸轮的曲线槽轨迹由直线和圆弧构成。曲线槽的直线轨迹是沿零件轴线直线运动的轨迹，曲线槽的圆弧轨迹是沿零件轴线的旋转运动和沿零件轴线的直线运动合成的轨迹。

由数控旋转工作台工作的原理和特点可知，数控旋转工作台的运动是按照角度进行控制的，应用附加旋转轴的数控加工方法能够满足零件圆周表面上直线（斜线）槽轨迹的加工，而不能满足零件圆周表面上圆弧槽轨迹的加工要求。欲满足上述加工要求，必须将零件圆周表面上的角度控制转换为零件圆周表面上的直线长度控制，才能满足零件圆周表面上圆弧槽轨迹的加工要求。

由上述分析可知：该零件应该运用下列加工方式来进行圆筒凸轮曲线槽轨迹的数控铣削加工。

在立式数控铣床上，使用普通FW-125型分度头，经数控改装后进行零件曲线槽轨迹的数控铣削加工。如图2所示。具体如下：将普通FW-125型分度头固定在铣床工作台上，使分度头的旋转中心轴线与铣床X向直线轴运动方向平行，在分度头上装夹圆筒凸轮零件并使得零件中心轴线与分度头的旋转中心轴线重合。X向运动控制铣床工作台做纵向直线移动；Y向运动控制铣床工作台做横向直线移动；Z向运动控制铣床工作台做垂直直线移动。旋下Y向电动机与数控系统连接的旋纽，旋上需另外配置相同型号的Y向电动机，用来控制分度头来实现沿工件中心轴线的旋转运动。使用Z轴单动来进行零件加工中的进刀、退刀运动；使用X轴、Y轴（此时为旋转轴）联动来进行直线和圆弧轨迹的插补，应用直角坐标的控制方式来进行零件曲线槽轨迹的数控铣削加工。

采用此方式加工的零件轮廓和轨迹精度可以满足加工要求，并且加工操作方便，简便易行。

2 分度头的数控改装及转换控制原理

FW-125型分度头数控改装的结构参见图2。

图2　FW-125型分度头的数控改装

数控改装如下进行：用原来实现横向直线位移的Y向伺服电动机，来联接控制FW-125型分度头的输入蜗杆，控制其做旋转运动。由于控制传动部件（原来为铣床横向丝杠，现在为FW-125型分度头输入蜗杆）的不同，则会引起运动参数的变化，必然使得Y向的位移轨迹失控或变形，也使得与X向联动运行圆弧轨迹失控或变形。

由数控系统的控制原理可知：Y向伺服电动机转动一转，带动被联接的滚珠丝杠转动一转，此时直线位移一个丝杠螺距值t（一般t=6mm）。当Y向伺服电动机用来联接控制FW-125型分度头时，由于FW-125型分度头中蜗轮蜗杆的传动比i=40，因此Y向伺服电动机转动一转，带动被联接FW-125型分度头的输入蜗杆转动一转，Y向伺服电动机转动40转，带动被联接的FW-125型分度头输入蜗杆转动40转（即工件转动一周），此时的编程位移长度为mm，可带动被联接的FW-125型分度头的主轴以及工件转动一周，此时实际位移的旋转长度为零件的圆周长（Ly=πd=150π=471.238898）。欲使L1=Ly，在Y向伺服电动机与FW-125型分度头输入蜗杆的联接间增加一级齿轮传动，即可使得上述问题得到解决。增加齿轮的计算：

经此改装后，Y向运动由原来的控制直线运行转换为控制旋转运行，并且编程参数计算符合平面直角坐标系的约定。因此，应用直角坐标系的控制方式，利用B向（原来Y向）旋转轴和X向直线轴的插补联动运行，来进行凸轮圆周表面上圆弧曲线轨迹的数控铣削加工。

3 数控改装后的控制精度

当给定Y伺服向电动机位移长度为L1=it=240mm时，可带动分度头主轴及凸轮工件转动一周，此时零件的旋转位移长度为其圆周长Ly=πd=150π=471.238898。由此可得旋转向单位位移控制精度：Ly/L1=πd/it= 471.238898/240×0.01=0.0019635（mm/P）。

由上述计算公式可知，π为无理数，所以，490凸轮零件周长的理论值与编程值不等，由此使得圆弧位移长度存在着传递误差。圆弧位移毫米单位的传递误差△L为：△L= 150π/it-1/k-0.00014095514274286232448424908667433mm。说明圆弧位移每毫米多位移了此值。如此之小的误差，完全能够满足圆筒零件的精度要求。

如若在其累积到与单位位移精度等值时，还可通过减加一步旋转位移长度来将此误差预以消除或降低。