凸輪零件的數控銑削加工工藝優化

陸瑜

摘 要：分析了凸輪的主要失效形式，精度要求，凸輪曲線的結構，著重從加工刀具的尺寸、相鄰兩點間曲線的形狀和尺寸、加工方法的選擇來具體闡述凸輪曲線的加工方法及其工藝的改進優化。

關鍵詞：凸輪；數控銑削；工藝

凸輪，是機械的回轉或滑動件，可以將運動傳遞給緊靠其邊緣移動的滾輪或在槽面上自由運動的針桿，或者承受來自滾輪和導桿的力。一般是由凸輪，從動件和機架三個構件組成的高副機構。廣泛應用于各種自動化機械、儀器和操縱控制裝置。要使從動件復雜運動規律能夠實現必須在設計中保證準確無誤而且還要保證很高的加工精度。隨著機器對傳動精度的不斷提高，凸輪的加工方法及其加工工藝也有了新的改進。本文著重從加工刀具的尺寸、相鄰兩點間曲線的形狀和尺寸、加工方法的選擇來具體闡述凸輪曲線的加工方法及其工藝的改進優化。

一、凸輪加工的要求

在加工凸輪的過程中，零件所要求的加工精度、尺寸公差必須都要得到保證。不能因為數控機床加工精度高而放棄這些分析。應該要特別注意的是過薄的腹板與緣板的厚度公差，“銑工怕銑薄”，數控銑削也是一樣，因為加工時產生的切削拉力及薄板的彈性退讓會導致切削面的振動，這樣薄板厚度尺寸公差就難以保證，其表面粗糙度也會隨之增加。

二、凸輪加工工藝改進

1.工藝分析

零件如圖1所示，為一個平面凸輪。由于凸輪本身運動規律和傳遞力的特殊性，在各種自動機械、儀表及自動控制裝置中應用非常廣泛。該凸輪工件是一種平面槽形凸輪，槽寬28mm，工作表面粗糙度為Ra1.6um，材料為HT300。

工件在數控銑削加工前，φ35G7和φ12H7的兩個基準孔及凸輪槽之外的其他尺寸已加工，半產品為一圓盤。凸輪的輪廓尺寸按照每一度上滾子中心與凸輪中心的距離標注，要加工該凸輪，必須解決下面三個問題；加工刀具尺寸；相鄰兩點間曲線的形狀和尺寸；加工方法的選擇。

2.加工刀具的尺寸

由圖1中可知，凸輪曲線的實際形狀是滾子繞凸輪中心轉動時滾子外廓所形成的包絡線，滾子外廓與凸輪曲線是時刻相切的，但切點絕大多數情況下不在滾子與凸輪中心的連線上。圖2為凸輪機構在任一角度下的示意圖。

其中O、O2分別為凸輪和滾子的中心，E為凸輪和滾子的切點，O1為凸輪曲線上E點的曲率中心。設此時刀具的中心為O3，則線段OO2與OO3的角度及長度都不相等，O3點的位置值需要重新計算。由于凸輪曲線非常復雜，難以用簡單的幾何公式來表達，所以O3點位置值的計算非常困難、繁瑣，有時甚至是不可能的。而采用與滾子直徑相同的刀具來加工凸輪則避免了復雜的切點及刀具中心位置的計算，而只需計算滾子中心的位置。另外，如果采用比滾子直徑大的刀具來加工凸輪，還必須進行干涉檢查。從上邊的分析中可以看出，除非有特殊情況，一般應選用與滾子直徑相同的刀具來加工凸輪曲線。因為零件圖中標注的滾子直徑為Φ100，所以我們采用Φ100的專用棒銑刀加工這個凸輪。

3.相鄰兩點間的形狀和尺寸

由于凸輪曲線是用一系列的點表示的，所以曲線上相鄰兩點間的形狀和尺寸必須在加工前確定和計算。對于這種情況，一般有兩種解決方法，一是把相鄰兩點間曲線看作直線，用直線連接；二是把相鄰兩點間曲線看作圓弧，用圓弧連接。前一種方法的優點是曲線的形狀簡單、計算容易，缺點是加工出的凸輪表面上有棱；而后一種正相反，其缺點是形狀復雜、計算困難，優點是加工出的凸輪表面光滑。鑒于此，我們決定先采用直線連接方法進行試切，如果加工出的凸輪曲線不能滿足圖紙要求，再應用圓弧連接的方法進行加工。

4.加工方法的選擇

加工凸輪曲線一般有普通機床的仿形法、數控機床的插補法、線切割機床的線切割法和電火花機床的電火花加工等方法。后兩種方法能加工及其復雜的凸輪曲線，但加工效率低，加工表面質量差，加工出的凸輪質量不能滿足我廠產品的要求，而且我廠也沒有這兩種機床，所以不在我們考慮的范圍之內。普通機床仿形法是加工凸輪曲線的一種常用方法，其加工表面光滑，加工效率高，加工質量取決于靠模板的精度。由于該方法是用靠模板仿形加工的，在加工前必須準備仿形夾具、靠模板等工裝，但靠模板比凸輪還難制造，所以生產準備周期長，一般用于少品種、大批量的生產中。操作者在粗加工時，將機床刀具參數中的刀具半徑增加一個留量值；精加工時，再將機床刀具參數中的刀具半徑改為實際值。這樣不僅減少了編程的工作量，而且也有利于程序的調試。而對于本文所述的這種用一系列的點表示凸輪輪廓曲線，只能使用刀具中心進行編程的零件來說，也應只編一套程序，精加工時使用與滾子直徑相同的刀具，粗加工時使用比滾子直徑小一個留量值（半徑方向）的刀具，這樣也能達到簡化編程的目的。

三、結語

制定正確的工藝方案，保證程序準確無誤，再加上機床本身精度較高而且性能優良，才能確保最后凸輪的加工達到很好的效果。

參考文獻：

[1]伍偉杰，付為堂，唐家會.凸輪槽螺柱零件的數控車銑復合加工[J].機械工程師，2012（6）：189-191.

[2]石永剛.凸輪機構設計與技術創新[M].北京：機械工業出版社，2008.

[3]陳學翔.封閉圓柱凸輪槽車銑加工與沿曲面曲率進刀方法研究[J].機床與液壓，2013（20）：73-75.

[4]黃宇林.復雜零件數控銑削加工工藝的優化[J].軍民兩用技術與產品，2016（8）.