圓筒凸輪數控加工的應用工藝研究

余軼，鄭偉偉

（1.漯河職業(yè)技術學院，河南 漯河462002；2.河南廣播電視大學，河南 鄭州450008）

圓筒凸輪數控加工的應用工藝研究

余軼1，鄭偉偉2

（1.漯河職業(yè)技術學院，河南 漯河462002；2.河南廣播電視大學，河南 鄭州450008）

根據圓筒凸輪加工運動的構成和實現要素，進行數控銑削加工方式和數控化加工的應用工藝研究。在數控銑床上進行普通分度頭的數控改裝，通過增加旋轉運動的控制運行，進行凸輪零件圓周表面上圓弧曲線槽的數控化加工。將數控加工直線運動的運行，轉換為旋轉運動的運行，拓寬和擴展了數控技術在實際中的應用。此應用研究，對諸類圓周表面上曲線軌跡的數控加工，有著舉一反三的作用。具有很強的實用性。

數控化加工；應用工藝研究；旋轉軸的轉換控制；圓周表面曲線槽

0 引言

在三坐標數控銑床上進行加裝普通分度頭的數控改裝，通過增加旋轉運動的控制運行，采用平面直角坐標的控制方式加工凸輪圓周表面上曲線槽，具有良好的應用效果，此加工方式對圓周表面上曲線軌跡的數控加工，有著舉一反三的作用。

1 零件加工工藝分析

圓筒凸輪為進口機械上的易損零件。其零件如圖1所示。由于凸輪的槽形軌跡設置在零件的圓周表面上，并且槽形軌跡控制著機械上擺桿的運行動作軌跡，所以槽形軌跡不僅加工難度大，而且精度要求高。該零件既要求準確曲線形槽軌跡的加工，還要求曲線槽加工轉動時對應于擺桿運動軌跡的準確基點位置，常規(guī)加工受機床結構和加工方法的制約，產品質量不能達到要求。另外該產品型號規(guī)格較多，使得此問題更為突出。因此，提高該類凸輪加工的精度質量，進行實現此類零件數控化加工的應用工藝研究。有著良好的應用前景。

圖1　圓筒凸輪零件圖

1.1零件結構精度分析

零件毛坯輪廓的結構形狀較簡單，但零件的加工精度和幾何精度要求較高。由于零件的曲線槽控制著機械上相關擺桿的運行動作，所以要求曲線槽之間必須圓滑連接過渡，因此零件成型輪廓的銑削加工，不僅形狀復雜、而且加工精度和幾何精度要求較高，這是加工的難點，必須預以保證。

1.2加工刀具分析

在數控銑削曲線槽的加工中，從零件的加工精度考慮，應該分別使用兩把相同規(guī)格尺寸的銑刀，更有利于曲線軌跡尺寸和表面粗糙度的保證，同時可以簡化程序編制的節(jié)點參數計算。

1.3零件裝夾與定位基準分析

在數控銑削加工中，利用完成加工的￠130圓柱內孔和兩端內孔倒角，使用定位芯軸進行零件的裝夾，利用定位芯軸一端外圓和另一端的內孔倒角，使用分度頭采用一夾一頂的方式進行零件的裝夾定位。同于零件的車削加工，零件軸向的定位基準選擇在零件￠130內孔和零件的右端面。這樣處理的好處是在零件的車削加工和數控銑削加工中均采用相同的基準和相同的方式進行裝夾定位，符合基準重合的原則，有利于提高零件的加工精度和幾何精度。

1.4數控銑削加工方式分析

由零件的結構形狀可知，凸輪的曲線槽軌跡由直線和圓弧構成。曲線槽的直線軌跡是沿零件軸線直線運動的軌跡，曲線槽的圓弧軌跡是沿零件軸線的旋轉運動和沿零件軸線的直線運動合成的軌跡。

由數控旋轉工作臺工作的原理和特點可知，數控旋轉工作臺的運動是按照角度進行控制的，應用附加旋轉軸的數控加工方法能夠滿足零件圓周表面上直線（斜線）槽軌跡的加工，而不能滿足零件圓周表面上圓弧槽軌跡的加工要求。欲滿足上述加工要求，必須將零件圓周表面上的角度控制轉換為零件圓周表面上的直線長度控制，才能滿足零件圓周表面上圓弧槽軌跡的加工要求。

由上述分析可知：該零件應該運用下列加工方式來進行圓筒凸輪曲線槽軌跡的數控銑削加工。

在立式數控銑床上，使用普通FW-125型分度頭，經數控改裝后進行零件曲線槽軌跡的數控銑削加工。如圖2所示。具體如下：將普通FW-125型分度頭固定在銑床工作臺上，使分度頭的旋轉中心軸線與銑床X向直線軸運動方向平行，在分度頭上裝夾圓筒凸輪零件并使得零件中心軸線與分度頭的旋轉中心軸線重合。X向運動控制銑床工作臺做縱向直線移動；Y向運動控制銑床工作臺做橫向直線移動；Z向運動控制銑床工作臺做垂直直線移動。旋下Y向電動機與數控系統(tǒng)連接的旋紐，旋上需另外配置相同型號的Y向電動機，用來控制分度頭來實現沿工件中心軸線的旋轉運動。使用Z軸單動來進行零件加工中的進刀、退刀運動；使用X軸、Y軸（此時為旋轉軸）聯(lián)動來進行直線和圓弧軌跡的插補，應用直角坐標的控制方式來進行零件曲線槽軌跡的數控銑削加工。

采用此方式加工的零件輪廓和軌跡精度可以滿足加工要求，并且加工操作方便，簡便易行。

2 分度頭的數控改裝及轉換控制原理

FW-125型分度頭數控改裝的結構參見圖2。

圖2　FW-125型分度頭的數控改裝

數控改裝如下進行：用原來實現橫向直線位移的Y向伺服電動機，來聯(lián)接控制FW-125型分度頭的輸入蝸桿，控制其做旋轉運動。由于控制傳動部件（原來為銑床橫向絲杠，現在為FW-125型分度頭輸入蝸桿）的不同，則會引起運動參數的變化，必然使得Y向的位移軌跡失控或變形，也使得與X向聯(lián)動運行圓弧軌跡失控或變形。

由數控系統(tǒng)的控制原理可知：Y向伺服電動機轉動一轉，帶動被聯(lián)接的滾珠絲杠轉動一轉，此時直線位移一個絲杠螺距值t（一般t=6mm）。當Y向伺服電動機用來聯(lián)接控制FW-125型分度頭時，由于FW-125型分度頭中蝸輪蝸桿的傳動比i=40，因此Y向伺服電動機轉動一轉，帶動被聯(lián)接FW-125型分度頭的輸入蝸桿轉動一轉，Y向伺服電動機轉動40轉，帶動被聯(lián)接的FW-125型分度頭輸入蝸桿轉動40轉（即工件轉動一周），此時的編程位移長度為mm，可帶動被聯(lián)接的FW-125型分度頭的主軸以及工件轉動一周，此時實際位移的旋轉長度為零件的圓周長（Ly=πd=150π=471.238898）。欲使L1=Ly，在Y向伺服電動機與FW-125型分度頭輸入蝸桿的聯(lián)接間增加一級齒輪傳動，即可使得上述問題得到解決。增加齒輪的計算：

經此改裝后，Y向運動由原來的控制直線運行轉換為控制旋轉運行，并且編程參數計算符合平面直角坐標系的約定。因此，應用直角坐標系的控制方式，利用B向（原來Y向）旋轉軸和X向直線軸的插補聯(lián)動運行，來進行凸輪圓周表面上圓弧曲線軌跡的數控銑削加工。

3 數控改裝后的控制精度

當給定Y伺服向電動機位移長度為L1=it=240mm時，可帶動分度頭主軸及凸輪工件轉動一周，此時零件的旋轉位移長度為其圓周長Ly=πd=150π=471.238898。由此可得旋轉向單位位移控制精度：Ly/L1=πd/it= 471.238898/240×0.01=0.0019635（mm/P）。

由上述計算公式可知，π為無理數，所以，490凸輪零件周長的理論值與編程值不等，由此使得圓弧位移長度存在著傳遞誤差。圓弧位移毫米單位的傳遞誤差△L為：△L= 150π/it-1/k-0.00014095514274286232448424908667433mm。說明圓弧位移每毫米多位移了此值。如此之小的誤差，完全能夠滿足圓筒零件的精度要求。

如若在其累積到與單位位移精度等值時，還可通過減加一步旋轉位移長度來將此誤差預以消除或降低。

4 結束語

經實驗加工證明：將數控加工直線運動的運行，轉換為旋轉運動的運行，進行凸輪零件的數控化加工控制，擴展了數控技術的應用范圍。

在只有直線軸的數控銑床上加裝普通分度頭，這種數控加工與普通設備相結合的做法，依然可以得到使用數控旋轉加工的同等效果。此加工方法避開了一般單位缺少高檔數控系統(tǒng)的條件限制，拓寬和擴展了數控技術的應用范圍，具有很強的實用性。

［1］張新義.經濟型數控機床系統(tǒng)設計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1994.

［2］林其駿.微機控制機械系統(tǒng)設計［M］.上海：上海科學技術出版社，1991.

［3］余英良.機床數控改造設計與實例［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1998.

TG659

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.048

1002-6673（2015）02-127-02

2014-12-30

余軼，男，講師。研究方向：機械制造及其自動化應用。發(fā)表專業(yè)論文多篇。