淺談雙凸輪靠模軌跡精度對車削螺紋精度的影響

張華安

摘要：對車削自行車后輪軸皮M35螺紋的專用機床在生產中出現的機床調校問題進行分析研究，發現是機床走刀凸輪的制造精度問題，最后采取有針對性的調校方法解決了機床的調校問題。

關鍵詞：自動車床；凸輪基準；軌跡重合；精度調校

正文

自行車是一種交通工具，也是休閑健身和鍛煉身體的體育器材。M35螺紋車床是加工自行車后輪軸皮用來安裝飛輪的螺紋的專用機床，它的質量好壞直接影響到自行車的質量。

M35螺紋的車制，是使用半自動專用機床，工件的裝夾是手動送料氣動夾緊，三角形螺紋的車制是用合金刀高速切削，兩刀成型，如果是使用普通車床加工，加工精度當然不成問題。但是，當大批量生產時，生產效率低下，導致成本升高。為降低成本，提高生產效率，必須使用較為先進的設備，出現了半自動螺紋車床，經過人們的不斷努力研究和改革，便形成了我們現在使用的半自動螺紋專用車床。它在整個加工過程中，包括夾緊，車外圓，切長度，切退刀槽，螺紋的粗加工和精加工，卸件，都是全自動進行，只是送料是手工操作，如圖一所示。

自動車床與普通車床在車削螺紋時，控制導程的方式各有不同，普通車床是用梯形螺紋的絲桿帶動大拖板作縱向移動，移動的距離受車床的進給箱控制。進給箱是一個變速箱，可調整輸出

軸的轉速，梯形絲桿與輸出軸連接便可調整大拖板移動的速度。只要按照圖紙要求調整，便可車出所要求的螺距。而自動車床是專用機床，所加工的產品是單一產品，只有兩個規格的螺距。因此，它省去了普通車床復雜的變速傳動機構和絲桿螺母傳動的移動方式。采用了簡單的凸輪靠模傳動的方式，控制拖板的移動來車削螺紋，由于分兩次車削成型，因此使用了兩個相同凸輪，分別用來控制粗車、精車兩次走刀。所以凸輪的制造精度和兩只凸輪的安裝調校，兩凸輪的曲線軌跡重合的調校，成了關鍵的問題。凸輪展開圖如圖2所示。下面我們就這一問題進行探討，分析原因。

一、提出問題

1995年，當時工廠是專業生產自行車軸皮的工廠。生產量大為適應市場需求，經常要變換產品規格，車制公制或英制螺紋。而每次轉換都要更換兩塊走刀凸輪后再進行同步調校，一般的機修師傅調校需要3天至7天的時間，這樣嚴重影響了生產進度和工人的收入，而且調校時間過長。在調校過程中，要不斷地試車削檢測，因此做成大量的產品報廢，增大了生產成本。當時我剛到這個車間工作任技術員，了解到這方面的情況后，便進行分析研究，查找原因，解決存在多年的生產技術難題。

二、機床調校問題的分析

為了解決問題，我細心地觀察并分析了整臺機床的轉動原理及結構特點，和整個加工切削過程。運用自己的專業知識，十多年的機械維修和機械設計的經驗，并結合在調校過程所車削的產品質量分析。經檢查分析，機床沒有出現故障，各部位運轉正常，沒有出現較大的機械磨損現象，而且磨損均勻，零部件表面沒有出現金屬疲勞現象。因此，可以判斷機床的工作狀態良好。

既然排除了機床的原因，那么問題出在哪里呢？那只有從我們的機床調試者入手弄清這個問題。我們的安裝調試方法是否正確與合理。

根據我的觀察分析，車螺紋時控制刀具切削，并完成兩次進刀的是兩個凸輪，作為靠?？刂频毒叩目v向移動，得到相應的螺距。由于公制螺紋與英制螺紋的螺距不同，需要更換不同的凸輪。

而凸輪更換后需要進行調校，問題就出現在調校的方法上。調校時，按照常規是找基準?；鶞蚀_定后，按照一定的程序和方法進行調校。在調校中發現，凸輪的基準出現了問題，經分析是凸輪在制造過程中出現了變形。凸輪的基準面也出現了變形現象，從而影響了凸輪的精度，直接影響到機床的調校。由于凸輪的精度出現問題，因此調校不能按常規的程序進行，而要按實際情況具體處理。這就需用維修工人具有一定的機械知識和理論知識，有一定分析處理問題的能力。

凸輪精度存在什么問題呢？是基準出現了問題。在整個機械加工的過程中，凸輪都是以底部為基準的。機械加工完畢，到熱處理工序時產生了變形。而熱處理后，沒有進行精加工，修磨消除變形，從而產生了凸輪曲線變形，造成了機床調校難的一個原因。

另一個原因是工人的技術水平普遍較低。缺乏思考和應變能力，墨守成規，不善于分析問題，這與工人的文化和技術水平有關。由于受各方面的因素的影響，而造成了調校因難，浪費大量的時間調機。而不斷的試車削造成了產品的大量浪費（車螺紋是最后工序，下一工序是成品裝配），嚴重影響生產，并增大了生產的成本（因基準變形，調校近似于盲目，只能是碰運氣，碰到兩個凸輪的軌跡剛好重合）因此浪費材料和時間。而且螺紋的形狀可能出現變形，而這時只能把螺紋車小，使其能旋入標準的螺紋規。

1、基準變形與凸輪曲線軌跡變形的分析

根據檢測底部基準面有0.20mm ～ 0.30mm的變形，而且是中部凸起的變形。參看圖三。而凸輪變形會嚴重影響螺紋的車削質量，首先就螺紋的螺距分析。假如凸輪的0度部位底部與安裝基

準接觸，由于底部凸起，所以凸輪的底部即旋轉180度后的位置與基準的偏差有0.50mm。根據圖形計算，在車削螺紋凸輪的有效部份（即實際車削螺紋時是凸輪曲線長度的約4/5）。實際偏移量約為0.40mm，在車削螺紋長度15mm的范圍內偏移0.40mm，不管凸輪位移量變大或者變小、實際位移量就會變成是15.40mm或14.60mm。

現在就以螺距為1mm來計算，15mm的長度內應為15÷1=15個齒，而由于刀具的位移量有15.40mm，那么螺距就出現了變化，根據公式：螺距=螺絲長度÷牙數

得螺距=15.41÷5 =1.027mm

或 螺距=14.61÷5 =0.973mm

根據計算所得，實際螺距為1.027mm或0.973mm。如果此時兩凸輪曲線重合，則螺距便會改變。

以本機床加工的螺紋M35為例，當螺距為1mm時，螺紋高度是0.866mm，螺紋中徑應為35-0.866=34.134mm現以螺紋的基本偏差上偏差為例。當螺距為0.973mm，螺紋中徑就大于34.134mm。

當檢測螺紋中徑時，如剛好為34.134mm，此時螺距為0.973mm螺紋就可以旋進一圈，而螺距為1.027mm時則根本不能旋進。若要全部旋進則螺紋的最大間隙達到0.40mm，并且外徑減少，與內螺紋的接觸面少，螺紋的剛性減弱，旋緊時會出現螺紋變形損壞導致打滑脫扣。

假如沒有出現脫扣現象而由于螺紋外徑減少與內螺紋的接觸面減少，摩擦力也隨之減少。螺紋會在使用過程中由于力的作用和振動，摩擦自鎖力減少，失去自鎖能力，出現螺紋返松現象。由于松動，便會出現振動，螺紋在振動力的作用下會出現螺絲側隙，在不斷摩擦和撞擊力的作用下，也會出現損壞變形和打滑脫扣而使螺絲失效。

2、凸輪軌跡不重合對螺紋的影響。

同樣，凸輪基準出現變形，凸輪的曲線也會隨著出現變形。受材料的厚度和淬火工藝的影響，凸輪曲線的變形量和基準的變形量不會相同，而且兩個凸輪的變形量也不相同。

如果兩凸輪的變形量誤差在0.25mm ～ 0.50mm。此時兩凸輪基準重合對零，無出現偏差。那么誤差在0.50mm時同樣會出現螺距增大或減少的現象出現，如誤差在0.25mm，則實際偏移量也會減少，螺距的變形量也相對減少。

由于凸輪在淬火時的收縮變形，其變形量是與材料的形狀和厚度有關。較薄的部位先冷卻，收縮變形停止，而較厚的部位冷卻速度較慢，還在不斷地變形，使零件的內部金屬組織出現應力而位移，零件內部有一靜一動的力存在，當零件完全冷卻后，內部存在著一定的內應力，因此要經回火處理消除內應力和達到圖紙要求的硬度。本來凸輪經熱處理后，要經過修磨基準和曲線軌跡，使兩個凸輪的曲線軌跡重合，和符合圖紙的要求。這樣的凸輪曲線才能加工出合格的產品。可能設備制造廠出于技術或設備的原因，沒有進行最后的工序修磨精加工，才會導致這一現象的出現。這是一個不該出現的問題。

凸輪變形后，曲線軌跡也會改變，現在我們假設曲線也跟底部基準一樣邊變形，凸輪在90度的位置凹下0.30mm。那么在車削螺紋時凸輪在0度至90度位置所對應的螺紋長度比實際縮短了0.3mm，90度至180度位置所對應的螺紋長度實際加長了0.3mm。如圖四所示。

實際上凸輪變型后，其軌跡變成了曲線，螺紋螺距變化的變量是不相同的，這里我為了計算的方便以凸輪中部90度的位置為變形量的最大位置，以該點的前半部份和后半部份的螺距變化特點，來分析螺距變大和變小對螺紋旋合時的影響進行分析。

由于兩個凸輪組合后是空心圓柱型，圓柱的一端為基準，另一端為凸輪的曲線。單個凸輪回轉角為0度至180度，切削行程為15mm。凸輪的曲線在0度至90度螺紋時，它的螺紋長度應是15÷2=7.5mm，由于在90度的位置凹下0.30mm，它的實際長度為7.5-0.30=7.2mm。螺距同樣以1mm計算，7.5mm長度有7.5個齒，則0度至90度的實際螺距為7.2÷7.5=0.96mm。同理曲線在90度至180度時實際螺距為（7.5+0.3）÷7.5=1.04mm。以這樣的螺紋在旋配時，只能旋進一半，而后半部份螺紋則不能旋進，這就是只能旋進一半的原因。為使螺紋全部旋入，只能增加進刀深度，使螺紋全部旋入。這時前半部份的螺紋就會失去了它的作用，螺紋的鎖緊力也會減少。當受到力的作用或振動，同樣會出現返松現象，不斷的振動和沖擊，會做成螺紋的損壞而失效。

3、軌跡不重合時對螺紋精度和表面粗糙度的影響

根據三角形螺紋資料，如圖五所示。

車削螺距為1 mm，車刀的進刀量為5H/8，H為理論高度，1mm螺距的理論高度為H=0.866P=0.866×1= 0.866mm。

而實際高度為5H/8，即為（5×0.866）÷8=0.541mm

車削1mm螺距的螺紋一般分兩分刀即兩次車削，第一刀為粗車，留余量約0.20mm的進刀量來精車。

根據三角形螺紋計算0.20mm的進刀量實際的切削量約為0.23mm，單面的切削量只有0.115mm，按這樣的切削量，如果第二刀的軌跡與第一刀不重合，偏移量大于0.115mm，就會出現第二刀切削時，有部份螺紋沒有進行精車，三角形表面的粗糙度和形狀就達不到要求，就會出現螺紋表面只切削中徑的上部份或下部份的現象。

三、解決問題的方法

影響螺紋精度的原因已找到，如何解決問題呢。最根本辦法是修磨凸輪底部基準面，然后以基準面修磨凸輪的曲線，由于工廠的設備和技術所限不能進行修磨。

只有重新制訂機床的調整方法，根據檢測需然凸輪的基準變形，但凸輪的0度和180度的位置底部到頂部曲線表面的高度尺寸變化很少，即在車削螺紋全長時，曲線的偏移量很小，變形只是在曲線的中部出現，也就是說，螺紋的頭部和尾部螺距是基本符合要求。這樣只要把兩個凸輪底部的0度、180度和180度、360度共4點的位置調整到同一個圓截面上，保證螺紋中部的螺距變化盡量減少。螺紋要全部旋進螺紋塞規，螺紋中部位置也不會出現過大的間隙。

同樣原理，兩凸輪都以底部頭、尾兩點為基準調校，兩凸輪的曲線頭、尾就很容易重合，螺紋的粗糙度便會達到要求。

另外兩凸輪間的接縫處在調整好后，要檢測接縫間隙，并記錄好。在下次調整時，只要將兩凸輪頭、尾共4點的位置，調整到同一圓截面上，并調整好兩凸輪的接縫間隙，這時，兩凸輪曲線頭、尾部位就會重合，調整就很快完成。

四、建議凸輪的制造工藝

1、選材。

要選用淬火變形小，而且耐磨的材料，同時要便于機械加工。這里我選用40Cr。40Cr淬油后有較高的疲勞強度，耐磨性好，淬火變形量較少。

2、開料鍛打。

一般的凸輪是不需要鍛打的，但這個凸輪較為特殊，形狀是空心的圓柱形，如圖六所示，壁厚只有20mm，外徑為Φ200mm，圓柱底部為基準，上部做兩個沿軸向變化，曲線相同的兩個凸輪，由于制造精度的問題，兩凸輪的曲線開始部位有偏差，不是在相距180度的位置上，因此要分為兩個零件，便于調校。但這樣凸輪在熱處理過程中容易產生變形，和開裂現象。因此要經過鍛打，把原來的樹紋狀的晶粒結構，經過六面鍛打后，使金屬組織結構細密均勻。

退火處理。

經過退火處理，消除金屬內部內應力，消除鍛件晶粒粗大現象，降低硬度便于切削加工。減少在淬火過程中產生的變形現象。

五、目前技校教育的分析

根據目前技校教育和社會的需求的分析，企業需要的是高質素的技術工人，即有理論知識和動手能力強的技術工人。如何培養高素質的人材，就是要提高學生對理論課程學習的興趣，這是目前學校需要解決的問題。就目前學校的實習場地和設備，以及師資力量，不能滿足這方面的需求。

1、學生質素的分析

目前的學生普遍對理論課無興趣，其原因是學生在初中階段的基礎較差，對專業理論課難以理解。因此專業理論水平低，而限制了他們今后的發展。

要改變這種現象，我認為要改變目前的教學安排，在入學的第一年就安排實習課程，通過生產實踐，培養其動手能力，同時激發他們的求知欲。

例如，學習機械制圖課，學生上課時都普遍無興趣，有時還睡覺，這是他們不知道這們課程的重要性。如果經過生產實踐，使學生對機械設備和機械零件有感性的認識，同時通過實習過程的識圖和讀圖，使學生意識學習機械制圖的重要性。這時學習機械制圖課，我認為會收到很好的效果。

2、實習場地和設備

現時的場地和設備，只能應付一般的教學。要培養高素質的人材，理論課要學好，同時實習課程更為重要。因此需要增加設備的種類和數量，以滿足教學的需求。

3、教學的方式方法

以教師授課為主，同時引導學生多看書學習，吸取各方面的知識。善于開動腦筋，養成良好的學習習慣，讓學生在生產實踐中得到充分的發揮。指導學生運用所學的知識，提高分析問題和解決問題的能力。

六、結束語

通過對半自動螺紋車床在調校方面出現的問題進行觀察分析，發現了機床制造中存在的問題，針對問題制訂出一個機床調校的方法，避免了盲目操作，解決了在生產過程中出現的難題，減少了在試車過程中做成的產品大量浪費現象，節約了生產成本。

經過這次對機床的調校，我認為作為一個設備維修人員，遇到問題都要經過細心觀察和分析，才能善于發現問題和解決問題，只有通過不斷的努力和探索積累經驗，才能提高自己的技術水平。

參考文獻：

[1]《機械工人切削手冊》.北京第一通用機械廠編.機械工業出版社.2005.

[2]《機修鉗工手冊》.孫庚午編著.河南科學技術出版社.2003.