基于HNC-210B系統圓柱凸輪凹槽的數控加工

程暢

(常州輕工職業技術學院，江蘇常州 213164)

基于HNC-210B系統圓柱凸輪凹槽的數控加工

程暢

(常州輕工職業技術學院，江蘇常州 213164)

圓柱凸輪機構是一種廣泛應用的間歇機構，其凹槽曲線的加工較為復雜，采用四軸聯動的加工中心進行數控加工可簡化操作、提高零件的精度和效率。以HNC-210B MD系統為例，介紹了圓柱凸輪凹槽的數控加工工藝設計、對刀操作以及編程方法，著重闡述了宏程序的編程方法及與CAD/CAM軟件自動編程的優缺點，為圓柱凸輪凹槽的數控加工提供了參考。

圓柱凸輪;凹槽曲線;數控加工

圓柱凸輪機構具有體積小、結構緊湊、傳遞扭矩大和精度高等優點，是廣泛應用于自動控制方面的一種間歇機構。其中，圓柱凸輪 (如圖1所示)的凹槽曲線的加工較為復雜，傳統的加工方法是采用分度頭銑削、靠模法 (仿形法)或手工描點、擬合輪廓、銑床粗銑和手工精銼等方法加工。這些加工方法不僅難度大、周期長，且加工后零件精度低、可靠性較差。使用四軸聯動的加工中心進行數控加工，相對要簡單，精度和效率將大大提高。下面主要介紹采用HNC-210B MD系統和具有四軸聯動功能的DMTG VDF-850型加工中心對圓柱凸輪凹槽曲線 (如圖2示例)進行數控加工。

圖1 圓柱凸輪立體圖

圖2 圓柱凸輪工作圖

1 工藝分析

圓柱凸輪加工一般采用范成法，即根據圓柱凸輪和從動件 (滾子)的相互運動關系，將滾子代以相同形狀和尺寸的刀具，以數控的形式模仿兩者之間實際工作時的相對運動關系，采用與槽寬相應的標準立銑刀沿槽腔中心曲線 (參見圖2中圓柱凸輪柱面展開圖中心線A—B—C—D—E—F—G—H—A)加工出符合設計要求的圓柱凸輪。對于槽寬尺寸精度要求不高時，一般精加工工序采用與槽寬尺寸等徑刀具加工，不使用刀具半徑補償功能。對于圖2所示的圓柱面上的凹槽，需要一個直線軸 (X軸)和一個回轉軸 (A軸)聯動才能完成加工，所以選擇四軸以上的加工中心進行加工。安裝時，將圓柱凸輪φ80 mm圓柱面裝夾在立式加工中心第四軸 (A軸)的三爪卡盤上，軸端110 mm處定位，另一端采用加工中心手動頂針尾座頂尖定位，利用磁性表座和杠桿百分表校正圓柱凸輪圓柱面的跳動，控制在0.02 mm以內后夾緊工件。根據凹槽的加工尺寸精度 (IT8)和表面粗糙度 (Ra1.6)要求，采用粗銑后精銑的加工方案。根據槽寬尺寸(20 mm)和深度(15 mm)，考慮到粗加工時主軸和工裝夾具的剛度問題，粗加工時，采用φ18 mm(T1)高速鋼鍵槽銑刀開槽，分3層進行銑削，取ap=5 mm，S=400 r/min，F=30 mm/min;精加工時，采用φ20 mm(T2)四刃高速鋼立銑刀，取ap=15 mm，S=500 r/min，F=50 mm/min。

2 對刀操作

對刀是自動加工前必備的工作，是數控加工中的重要操作與技能。對刀的準確性及效率直接影響零件的加工精度與效率。對刀的目的是為了建立工件坐標系，即確定隨編程而變化的工件坐標系的程序原點在唯一的機床坐標系中的位置，并采用相關參數的設置使建立的工件坐標系與編程坐標系一致。圓柱凸輪的對刀操作相對一般零件較為復雜。圖2中的編程坐標系原點選擇在點A(X0Y0Z0A0)(如圖2(c))或點O(如圖2(b))。尺寸精度要求不太高時，可采用試切法對刀，選擇T2作為基準刀，具體步驟為:如圖2(a)，刀具置1位，與工件微量接觸，按機床控制面板上“設置→坐標系”對應功能鍵，光標移至G54中X處，按［正向偏置］，輸入“40”(即刀具半徑加上偏置量)→“確定”，此時，刀具間接到達點O時的X向的機床坐標值自動輸入至G54中;如圖2(b)，刀具置2位，與工件微量接觸，按“設置→坐標系”對應功能鍵，光標移至G54中Y處，按［記錄I］，后移刀具，注意保持機床坐標Z方向值不變，走 “［”路線，刀具置3位，與工件微量接觸，按［記錄II］→［分中］，此時，刀具間接到達點O時Y向的機床坐標值自動輸入至G54中;將G54中Z處值置“0”;利用G54中Y坐標值作為參考，刀具置4位，與工件微量接觸，將此時的Z向機床坐標值輸入至長度補償H2處;同理，對于T1只須Z向對刀，將機床坐標值輸入至長度補償H1處。

3 編程方法

圓柱凸輪凹槽的加工編程方法一般采用宏程序手工編程及利用CAD/CAM軟件(如MasterCAM)自動編程兩種。宏程序手工編程程序段較少，對于能熟練使用宏程序的操作者來說，這種編程方法比較實用，操作方便。而自動編程程序段很長，如果正確使用軟件生成的程序一般不會出錯，但一旦出現問題，檢查起來比較麻煩。自動編程采用的基本方法是:利用軟件的CAD模塊繪制凹槽的外形展開圖;利用軟件的CAM模塊，通過交互輸入相關工藝參數，生成展開圖的平面銑削刀位路徑;建立坐標轉換模型，開發軟件的專用后置處理程序，使平面銑削刀位路徑通過后置處理轉換為加工空間凸輪槽的數控程序，并將程序輸入機床實現零件加工(如圖3所示)。

圖3 圓柱凸輪產品圖

使用宏程序編程前，首先計算凸輪槽腔中心曲線的基點坐標。根據圓柱凸輪外表面展開圖所給定的尺寸(如圖2(c)所示)，可計算出圓弧過渡段相關參數。其中，圓弧段對應X軸和Y軸的距離X、Y可由下式計算:

式中:R為圓弧半徑，α為圓弧段對應中心角。

A軸角度增量β由下式計算:

式中:D為圓柱凸輪直徑。

也可以利用AutoCAD繪制及標注功能得到各基點坐標。計算結果為:A(0，0)、B(0，60)、C(1.596 7，67.477 8)、D(48.403 3，172.522 2)、E(47.139 7，189.842 2)、F(2.860 3，260.157 7)、G(0，270)、H(0，0)。選用HNC-210B MD系統進行編程，程序如下:

4 結束語

基于范成法加工原理，依靠宏程序或CAD/CAM軟件自動編程，解決了圓柱凸輪凹槽曲線加工的實際問題，值得推廣，但也有其局限性。當凹槽寬度尺寸精度要求較高或找不到直徑與槽寬尺寸相等的標準刀具加工時，宏程序的編程方法將不太適用或編程更加繁瑣，可采用自動編程模式。粗加工時，根據凹槽曲線中心位置，自動偏置，預留精加工余量，多次走刀，即可開槽，但精加工時，要根據粗加工后的測量尺寸來確定精加工量，即時調整走刀偏置量，再進行自動編程，生成精加工程序，操作相對復雜化。將宏程序與CAD/CAM技術相結合，優化程序，可提高加工效率。

【1】王志平.使用加工中心的零件加工［M］.北京:高等教育出版社，2010:121－129.

【2】俞慶，劉昌榮，陳春明，等.空間圓柱凸輪的數控加工工藝設計［J］.機械研究與應用，2006(4):78－79.

【3】陳豫紅，周尚榮.圓柱凸輪數控加工中CAD/CAM技術的應用［J］.工具技術，2008，42(7):62－65.

【4】劉德福，潘晉平，周賢.圓柱凸輪數控加工的幾個關鍵問題［J］.機械傳動，2003，27(3):53－55.

【5】HNC-210A/B MD編程說明書.

CNC Machining of Cylindrical Cam Groove Based on HNC-210B System

CHENG Chang
(Changzhou Institute of Light Industry Technology，Changzhou Jiangsu 213164，China)

Cylindrical cam is a kind of widely used intermittent mechanism，cylindrical cam groove curve processing is more complicated.Using machining center with four shaft linkage function，CNC machining can simplify operation to improve accuracy and efficiency of the parts.Taking HNC-210B MD system as an example，the technical design of CNC machining was described，as well as presetting cutter operation and programming methodology.Focusing on the macro program programming method，the advantages and disadvantages of automatic programming using CAD/CAM software were introduced.It provides reference for CNC machining of cylindrical cam groove.

Cylindrical cam;Groove curve;CNC machining

TH132

B

1001－3881(2014)8－056－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.019

2013－03－08

程暢 (1970—)，男，副教授，研究方向為機械設計與制造、數控技術等。E－mail:chengnahc@163.com。