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工艺与装备 ３７

圆柱凸轮数控加工工艺技术研究 玄冠涛 邵园园

（山东农业大学机电工程学院，泰安２７１０１８）

摘要：阐述了圆柱凸轮数控加工工艺的技术方法，重点对圆柱凸轮的加工方法、装夹、工艺路线的制定、

加工参数选择、机床反向间隙补偿、圆柱凸轮廓面检测等工艺环节进行了分析研究，并在ＤＭＵ７０Ｖ加工中心上完成了圆柱凸轮的数控加工，提高了圆柱凸轮的加工品质。

关键词：圆柱凸轮 数控加工工艺 展成法

２圆柱凸轮的加工工艺过程２．１数控加工设备

加工设备采用德国ＤＥＣＫＥＬＭＡＨＯ公司出品的ＤＭＵ７０Ｖ五轴联动立式加工中心，该加工中心采用的两轴工作台是ＤＥＣＫＥＬＭＡＨＯ公司的专利技术，它是采用４５°斜面达到工作台的立卧转换。ＤＭＵ７０Ｖ配置有容量６４把刀的刀库，辅助机能可以保证加工中心在加工过程中实现刀具长度、直径自动补偿，螺距误差、丝杠间隙自动补偿，并具有过载保护、故障检测等功能。它具有能够自动测量刀具的激光测头，及能够检测加工要素的加工精度和定位功能的球形测头。 分度盘

圆柱凸轮廓面属于空间复杂曲面，它的加工品质的高低直接影响圆柱分度凸轮机构（图１）的性能。长期以来，我们往往探讨和重点分析的是如何利用各种先进制造技来提高圆柱凸轮的加工品质，实术（ＣＡＤ／ＣＡＭ，ＮＣ技术等） 际上加工工艺对其制造品质也有很重要的影响。本文将探讨和研究圆柱凸轮的加工工艺技术。

凸轮

图１圆柱凸轮机构

１圆柱凸轮的加工工艺分析

由于圆柱凸轮廓面为三维空间曲面，故采用展成法加工圆柱凸轮（图２），其原理是：一方面将要加工的凸轮毛坯模拟其在工作中的旋转运动（沿其中心轴线），另一方面让铣刀中心模拟圆盘上的某一个滚子中心轨迹运动，两模拟运动协调动作即可加工出圆柱凸轮。而要使这两方面的模拟动作协调运动，用普通加

工方法很难实现，一般最少需要三坐标（如ｘ轴，ｙ轴，机床回转轴Φ）的数控机床。

２．２工装设计

空间凸轮的加工至少需要三坐标或两坐标联动以上的数控机床，根据ＤＭＵ７０Ｖ的机床坐标系如图３（直线坐标Ｘ，Ｙ，Ｚ和旋转工作台坐标Ｂ，Ｃ），我们选用Ｘ，Ｙ，Ｃ坐标作为圆柱凸轮加工的三坐标，也就是说一方面让Ｘ， 刀具 凸轮毛坯

图３各轴定义示意图Ｃ轴／第５轴 Ｂ轴／第４轴

Ｙ联动走圆弧，同时工作台绕Ｃ轴旋转，以加工出符合要求的圆柱凸轮槽。 圆柱凸轮槽是环绕在圆柱面上的等宽槽，其加工时沿圆周表面铣削的范围往往大于３６０°，适于用带有数控回转台的立式数控铣床进行加工。我们采用悬臂加工的方式，即在工作台上安装完圆柱凸轮，将工作台绕Ｂ轴旋转９０°立起来加工。根据圆柱凸轮的实际结构，选用带键的心轴作凸轮加工时径向和周向定位基准，以心轴的台肩

图２展成法加工示意图作轴向定位基准，并用心轴前端部的螺纹通过螺母压紧 ３８

圆柱凸轮。

２．３工序设计和加工参数选择 现代制造技术与装备 减少加工误差。

２．６圆柱凸轮的廓形检测 ２００７第５期总第１８０期

工艺路线的制定对加工精度有着至关重要的影响，如图４所示。以槽深２６ｍｍ，槽宽３４ｍｍ的圆柱凸轮为例，凸轮毛坯要经过开槽、粗加工、半精加工、精加工等工序。

对精加工之前的圆柱凸轮体，应按图纸规定的公差和表面质量进行检验。进行轮廓测量的目的是为了离线修正刀位轨迹，对影响圆柱凸轮加工品质的因素进行有效集成，最终反映到圆柱凸轮廓面最后一道加工工序，实现圆柱凸轮的高精度加工。在这里我们采用加工中心本身所带的球形（数控）测头直接测量，来检测圆柱凸轮体的轮廓精度。球形探头使用灵活方便，精度高，不仅用于圆

图４加工工艺路线图柱凸轮的廓面测量，还可用于工件的装夹定位、对刀、孔径及任何曲线、曲面的测量等很多方面。

最后，根据测量结果，进行闭环补偿再加工，得到符合要求的高品质凸轮。加工实照如图５。

在加工参数方面，选择合理的切削用量参数，尽量减少或降低受力恶劣时对精度造成的影响，由于圆柱凸轮槽的底部在每一个截面上通常是等深的，我们选用直柄立铣刀加工，其他工艺和加工参数如下所述：

等径加工（刀具的特征几何参数与滚子的特征几何参数相一致）工艺过程（开槽）：我们选用刀具直径为２０ｍｍ，一次进刀开槽易造成刀具损坏，因此第一次开槽的切削深度可为６ｍｍ，以后以每次５ｍｍ的增量４次进刀完成加工。加工速度应不宜太快，否则引起刀具振动，在加工后的廓面上留下波纹。加工实验中主轴转速取８００ｒｐｍ，进给速度取３０ｍｍ／ｍｉｎ。在此之后的非等径加工中，主轴转速及进给速度采用同样的数值。

非等径加工［１］（刀具的特征几何参数与滚子的特征几何参数不一致）工艺过程：由于凸轮槽太宽，除粗加工外，其他的工序必须要采用非等径加工方式。 粗加工：Φ１８高速钢直柄立铣刀，分５次进刀（同开槽），留２ｍｍ的加工余量；

半精加工：Φ１６高速钢直柄立铣刀，分５次进刀（同开槽），留ｌｍｍ的加工余量；

精加工：Φ１４硬质合金直柄立铣刀，一次性进刀切槽。２．４走刀方式

采用环线走刀，即刀具沿一定曲线轨迹包络加工出圆柱凸轮廓面，刀具绕圆柱凸轮做旋转运动（相对运动）。２．５机床反向间隙补偿

因凸轮加工精度要求较高，不消除机床的反向间隙，则难以保证加工质量。而机床本身的间隙补偿装置很难调到间隙为０的最佳状态，故只能利用编程技巧来进行，其方法如下：

加工前，先将刀具从原点出发，向纵向（ｙ向）进给的反方向作一位移，然后将刀具再向进给方向位移运动，以达到对机床反向间隙作第一次“挤压”；接着让刀具在下刀前向进给方向位移至下刀点。这样通过两次“挤压”，间隙将被消除，由于从以后的程序起，直到加工完（铣刀走出凸轮体），铣刀ｙ向运动方向一致（无反向运动），从而消除了机床反向间隙可能带来的加工误差。 工作台的反向间隙补偿与上述方法类似。

同时，在加工中心运行中要尽可能避免工作台及坐标方向的换向，采用刀具半径（长度）补偿和间隙补偿功能 图５圆柱凸轮加工实照 ３结束语

圆柱凸轮的高品质创成单单有正确的数控加工程序是不够的，还需要充分考虑加工工艺对加工精度的影响。实践证明，上述的数控加工工艺方案是可行的，加工出的圆柱凸轮达到了精度上的要求，提高了圆柱分度凸轮机构的性能。 参考文献