凸轮加工方法的优化

周明纯

摘 要：利用万能工具铣床加工扇形零件时操作繁琐，操作人员劳动强度大，产品成品率低，表面质量差，换用立式加工中心进行数控加工，经实体建模建立曲面模型，利用模型自动编程后，配合专用工装夹具，获得了较好的加工效果，满足使用需求。对比原有加工方式，可大幅节约加工时间、降低生产成本、提升加工效率，有较好的经济效益。

关键词：昆式曲面;工装设计;数控编程

数控加工经过多年发展已应用于工业生产的方方面面，通过数控加工可以实现复杂型面的加工。数控加工有较多优势：工序相对集中，减少中间环节，提升经济效益;可以实现较好的自动化，降低对操作工人的要求，降低工人的勞动强度，由于减少了人工参与，可以提高产品的一致性，产品质量稳定，生产效率高;可以实现柔性加工，适应现代化生产中短平快的生产需求，适应市场经济下的产品频繁改型，效率高;同时因为有大量数据，可以实现生产管理现代化、规范化。

我单位现有一种凸轮，零件结构如图1所示。内径为Φ12K7通孔，中间是Φ24圆柱，外圈为R32的扇形面，该扇形面由宽10平面与提升高度为2.5的斜面组成。

传统的加工方式是采用通用的万能工具铣床，配合机床附件进行。在加工该零件时，首先需要先拆除立铣床上的工作台进给手轮，换装挂架、挂轮，其次将挂轮与工作台上的分度头连接，然后装上三抓卡盘，将扇形半成品压紧在芯棒上安装于三抓卡盘上，这时才完成加工前的装夹工作。切削加工时，全部需要操作人员手动进给，劳动强度较大。

使用通用机床进行加工，机床附件装配过程较为复杂，耗时长，从组装至加工即前期准备时间至少需要0.5个工作日，劳动强度大，延误加工进度。当加工任务为多品种、小批量型任务时，多变的加工内容需要使用不同的机床附件，拆、装附件较为繁琐，准备时间长，生产柔性差。在加工过程中，工件与芯棒夹紧力接触面小，加工时零件一旦发生窜动，会造成刀具蹦坏损毁和零件报废，造成很大浪费，甚至威胁人身安全。这种加工方式方法繁琐，对操作人员技术水平要求高，劳动强度大，整体加工效率低、易损耗，零件表面光洁度较差，因此需要改变加工方式以适用于现代化高效率生产。

1 加工分析

参考实际加工效果，对该零件进行加工性分析，该零件使用Φ70的毛坯棒料，先加工成台阶轴，同时内孔钻成，主要的加工难点就是提升高度为2.5的斜面，因此将斜面的加工作为数控加工的主要内容。

由于第一步车已将毛坯加工成台阶轴型，且外形尺寸公差按GB/T1804-m执行，外形加工精度要求低，因此可以使用内孔定位，加工90°扇形及斜面，设计如图2所示定位工装。先将三抓卡盘固定在机床工作台上，用三抓卡盘夹紧Φ48圆柱面，加工时零件中心孔穿过Φ12圆柱，底面与平面接触，即可实现零件定位。轴的上部是M12的标准螺纹，利用GB/T 6170 M12的不锈钢螺母及弹垫平垫将毛坯拧紧在工装上，即可实现零件的夹紧。

2 建模编程加工

实现数控加工，编程是关键。由于该斜面不是均匀上升的，因此难以直接计算得出加工参数，无法进行手工编程，需要绘制工程模型进行自动编程。

第一次试制，将底面厚2.5处棱边（线段Lab）直接绕圆心旋转90°并抬升2.5mm，可以扫描得到均匀上升的斜面。但该种方法存在问题：棱边抬升后无法保证斜面与厚5平面交接的棱边（线段Lcd）与扇形的90°边平行，即无法保证左视图中尺寸10，导致三维模型、加工实物与图纸尺寸不符，因此该种方法不符合加工要求，因此还要选择其他建模方式。

第二次试制，利用实体补差的方式形成曲面。先建立厚2.5底面及90°扇形面下边棱Lab、上部厚5宽10尺寸处棱边Lcd，利用空间曲线，连接该两条线段的外端点b、d形成R32圆弧，用直线连接内端点形成线段Lac，形成4根线段合围，利用实体补差，将该四条线段围成的区域填补成曲面，即获得了一个曲面，在用中间Φ24圆柱面相剪，则形成了完整的斜面abcd，即可完成整个零件的建模，通过自动编程，选用Φ6平刀加工出实物。通过观察发现，斜面的c点处有一处凹窝，导致斜面与线段Lcd交接不圆滑，与预想结果有差异，经分析是建模时线段Lac与Lcd在c点处曲面急剧收缩，导致面过渡不均匀，影响实际使用，因此效果不理想，仍要选择其他建模方式。

昆氏曲面是用四条边界曲面定义，由许多缀面组合形成的一张曲面，由于Lab、Lcd与曲线ac、曲线bd两对线段近似平行，符合昆氏曲面建立要求，因此第三次试制利用建立昆氏曲面以实现建模。首先串联四条线段，形成一个昆氏曲面，然后将该曲面沿扇形的半径方向向内外各延伸3mm，形成一个新的曲面，将弧ac、弧bd投影至该曲面，形成两条三维曲线：曲线ac、曲线bd，再利用该三维曲线及两线段Lab、Lcd生成新的昆氏曲面，该曲面即加工所需要曲面abcd，通过自动编程，选用Φ4平刀，按照由内向外，由下向上的顺序进行加工。经检查实物，零件表面光洁度好，基本符合斜面加工要求，可转入下道工序。

经实际测算，利用该种方法加工，可节约63%加工时间。

3 优化方向

根据昆氏曲面建立的空间曲面加工时在a点会有局部过切，原因是加工a点处圆弧时，进刀时会对a点右侧斜面刀具半径范围内切削，所以该加工方式并非十全十美，经评价不影响使用，因此可以在应用于生产，后期将考虑进一步优化进刀方式及刀具直径，减少过过切。

此外，上述的加工方式适用于单件扇形零件的加工，若需要进一步提高工作效率，在一次装夹中加工多件零件，可以对定位工装进行改进。将圆形的工装底座改为方形，将Φ12圆柱阵列成2×3阵列，这样可以一次装夹6件毛坯（更多数量也可以通过增加阵列数量实现）。此外，由于方形底座在工作台上易于定位夹紧，可以使用虎钳或压板快速装夹，不必使用三转卡盘，实现了通用夹具的高效利用，避免拆装机床夹具，提高了生产线的加工柔性，同时根据夹具体尺寸的精确定位，易于实现工件坐标系与机床坐标系的快速定位，可以实现加工时快速对刀，进一步提升加工效率。

4 总结

通过多次试制加工及比较，利用昆氏曲面完成扇形零件的建模的方式较为优良，可以较为快速的实现建模，利用自动编程的方式实现加工程序的生成，可以极大的降低编程难度，同时配合专用工装的使用，可以降低零件装夹的难度，减少加工准备时间。建立模型后自动编程配合专用工装，可以极大的提高该种扇形零件的加工效率，提升产品质量水平，明显的降低了操作者的劳动强度与和一线操作者的技术水平要求，大大提升了生产效率，具有较好的经济效益。

参考文献：

[1]张焱.三维工序模型生成方法及NC自动编程[D].大连理工大学，2018.

[2]郑泽林.基于MasterCAM对零件造型、加工的分析[J].工业设计，2017（06）.

[3]伍倪燕，廖麟志，陈琪，王海珠.模具设计中昆氏曲面的构建技巧及后期处理研究[J].模具制造，2015（04）.