论文部分内容阅读
[摘 要]在各种自动机械中，弧面分度机构得到了广泛的应用。而弧面分度凸轮机构是数控机床加工的核心，但在国内尚且没能得到深入的研究。因此，本文对数控机床的弧面分度凸轮工作原理展开了分析，并对凸轮的设计与制作问题展开了研究，以便为关注这一话题的人们提供参考。
[关键词]数控机床 弧面分度凸轮 设计与制造
中图分类号：TG547 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）47-0283-01
引言：在空间结构上，弧面分度凸轮具有不可伸展的曲面轮廓，无法利用旧有的制造方式进行精确的加工。就目前来看，国内外往往使用范成法进行弧面分度凸轮的加工制造，然后利用渗碳方法进行凸轮的热处理。而对弧面分度凸轮的设计与制作问题展开进一步的研究，从而了解凸轮工作原理，并掌握凸轮的加工平台、机构运动和加工刀具轨迹和制造工艺的设计思路和方法，则可以更好的进行弧面分度凸轮的加工与制造。
1 数控机床的弧面分度凸轮工作原理
在利用数控机床完成弧面分度凸轮的设计与制造前，先要了解凸轮的工作原理。从结构上来看，弧面分度机构由分度盘、滚子和弧面分度凸轮组成，凸轮的顶部平面与分度盘轴线垂直。而该机构的设计，可以进行垂直交错轴之间的高速间歇运动机制的构建。在凸轮以固定速度周期性转动时，滚子会被凸轮弧面带动，继而使从动分度盘转位。在凸轮转动到停歇段后，滚子会卡在两侧，以便使凸轮转位[1]。此时，分度盘将保持不动，继而可以使机构实现间歇性工作。
2 弧面分度凸轮的设计与制作研究
2.1 设计参数
在进行数控机床的弧面分度凸轮设计与制作时，需要掌握凸轮机构的运动参数和几何尺寸。目前，凸轮运动参数主要包含分度廓线头数、转盘分度数、转盘分度期转角位移和凸轮分度期转角等。其中，转盘分度数为转盘滚子数与凸轮廓线头数的比值。而凸轮结构的几何设计参数包含了中心距离、滚子半径、转盘节圆半径和压力角等多个参数，可以根据已知运动参数计算出来。假设转盘分度期范围与转盘分度角一定，而转盘的运动可以进行正弦加速度曲线的改进，并且分度角在八个工位均匀分布[2]。同时，转盘在固定的间歇期會停止旋转，凸轮中心距离一定，并保持固定转速匀速旋转，就可以确定所需要的凸轮几何设计参数。
2.2 加工平台设计
在确定凸轮的加工工艺和设备后，需要进行加工平台的设计。在加工的过程中，凸轮的自转和工作台的摆动都需要利用回转工作台上的A、B两个联动转动坐标实现。而刀具的进刀和退刀运动需要利用Z坐标实现，刀具与凸轮对心需要利用X、Y两个坐标实现。同时，凸轮的加工还需要确保凸轮回转中心高度和刀具中心线与工作台表面距离相等，并且刀具中心线与工作台回转中心线相交。为了满足这些条件，需要先确定加工平台的设计方案。目前，可以采取的方案为：刀具在X、Y方向移动，并与B转动；而凸轮则在Z方向移动，并在A方向转动。在五轴联动数控机床的五个坐标中，A、B坐标转动可以使刀具与凸轮按照预先设定的运动规律运动，X、Y坐标移动能够使刀具与凸轮对心，Z坐标则能够使刀具或凸轮移动，并且控制刀具的进给量。根据之前的设计方案，凸轮加工开始时会利用X、Y坐标的移动实现刀具对心，然后利用A坐标转动实现凸轮与刀具同步转动，并利用Z移动进行刀具进给加工[3]。相较于凸轮，刀具移动更加轻巧便利，所以需要将三个坐标放在刀具系统上。
2.3 凸轮机构运动和加工刀具轨迹设计
弧面分度凸轮的空间构造较为复杂，需要利用CAN软件进行加工程序的生成。但是在进行该种计算机数控程序技术前，需要进行凸轮机构运动和加工刀具轨迹的设计，以便按照凸轮和刀具的运动规律完成相应仿真程序的編写。观察凸轮运动可以发现，凸轮是从停歇期开始运动的。根据凸轮的运动状态，可以分析出转盘上各个滚子在不同时期与凸轮的啮合关系，并进行轨迹程序输出计算结果的验证。具体来讲，就是按照规定运动规律曲线进行凸轮机构运动的观察，在凸轮旋转360°后，进行滚子参与啮合的次数和顺序的记录。而在进行刀具加工路径设计时，为了确保加工的精度，需要进行每一刀进入的角度的计算，并且完成出刀角度的计算。为了达成这一目的，需要利用滚子与凸轮的几何关系进行进刀与出刀角度的计算。就目前来看，滚子与凸轮有两种几何关系，即转盘中心与凸轮宽度中心之间存在偏心距离和不存在偏心距离的关系[4]。根据观察到的凸轮运动状态，则可以利用仿真程序进行转角数据的获取，然后进行刀具轨迹的判断。
2.4 凸轮具体制造工艺设计
一般的情况下，人们常利用五轴联动数控机床进行弧面分度凸轮的加工制造。而在该种机床上，需要利用心轴和螺母进行凸轮的固定。在进行凸轮部件及毛坯加工时，由于凸轮主要由间歇弧面和工作弧面构成，所以需要以二者为核心进行整个加工精度的控制。在利用CAM软件进行工件辅助加工时，先要完成工件的初级加工。具体来讲，就是利用端铣刀进行切除加工，以便将工件多余的部分剪切掉。在完成初次开粗后，需要利用立铣刀进行工件余量部分切除，以完成二次开粗。在此基础上，可以进行凸轮的半细加工。比如，如果凸轮有两个弧面上有直纹面，就需要利用可变轮廓铣的方式进行刀具路径的生成，从而完成凸轮的半细加工。
结论：总而言之，作为结构复杂并且加工精度高的零件，弧面分度凸轮的设计与加工比较麻烦。而本文通过确定凸轮的设计参数，并进行凸轮加工平面、机构运动和加工刀具轨迹和制造工艺的设计，对凸轮的设计与制造问题展开了研究，以期为相关加工制造行业及人员提供参考。
参考文献
[1] 梁京燕.弧面分度凸轮机构的CAD建模[J].滁州职业技术学院学报，2014，02：72-75.
[2] 程伟，张跃明，卜凡华.弧面分度凸轮数控加工工艺研究[J].机械设计与制造，2011，03：171-173.
[3] 吴忆峰，陈海军.弧面分度凸轮多轴数控加工方法的研究与应用[J].机械传动，2013，06：110-112.
[4] 张文光，王大镇，弓清忠.ATC中多头弧面分度凸轮实体建模与加工仿真[J].机械设计，2015，05：30-34.
作者简介
李亚鑫（1995.12-5），女，汉，河南省濮阳市，成都理工大学，邮编：610059，机械工程专业，研究方向机械设计制造及自动化。
[关键词]数控机床 弧面分度凸轮 设计与制造
中图分类号：TG547 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）47-0283-01
引言：在空间结构上，弧面分度凸轮具有不可伸展的曲面轮廓，无法利用旧有的制造方式进行精确的加工。就目前来看，国内外往往使用范成法进行弧面分度凸轮的加工制造，然后利用渗碳方法进行凸轮的热处理。而对弧面分度凸轮的设计与制作问题展开进一步的研究，从而了解凸轮工作原理，并掌握凸轮的加工平台、机构运动和加工刀具轨迹和制造工艺的设计思路和方法，则可以更好的进行弧面分度凸轮的加工与制造。
1 数控机床的弧面分度凸轮工作原理
在利用数控机床完成弧面分度凸轮的设计与制造前，先要了解凸轮的工作原理。从结构上来看，弧面分度机构由分度盘、滚子和弧面分度凸轮组成，凸轮的顶部平面与分度盘轴线垂直。而该机构的设计，可以进行垂直交错轴之间的高速间歇运动机制的构建。在凸轮以固定速度周期性转动时，滚子会被凸轮弧面带动，继而使从动分度盘转位。在凸轮转动到停歇段后，滚子会卡在两侧，以便使凸轮转位[1]。此时，分度盘将保持不动，继而可以使机构实现间歇性工作。
2 弧面分度凸轮的设计与制作研究
2.1 设计参数
在进行数控机床的弧面分度凸轮设计与制作时，需要掌握凸轮机构的运动参数和几何尺寸。目前，凸轮运动参数主要包含分度廓线头数、转盘分度数、转盘分度期转角位移和凸轮分度期转角等。其中，转盘分度数为转盘滚子数与凸轮廓线头数的比值。而凸轮结构的几何设计参数包含了中心距离、滚子半径、转盘节圆半径和压力角等多个参数，可以根据已知运动参数计算出来。假设转盘分度期范围与转盘分度角一定，而转盘的运动可以进行正弦加速度曲线的改进，并且分度角在八个工位均匀分布[2]。同时，转盘在固定的间歇期會停止旋转，凸轮中心距离一定，并保持固定转速匀速旋转，就可以确定所需要的凸轮几何设计参数。
2.2 加工平台设计
在确定凸轮的加工工艺和设备后，需要进行加工平台的设计。在加工的过程中，凸轮的自转和工作台的摆动都需要利用回转工作台上的A、B两个联动转动坐标实现。而刀具的进刀和退刀运动需要利用Z坐标实现，刀具与凸轮对心需要利用X、Y两个坐标实现。同时，凸轮的加工还需要确保凸轮回转中心高度和刀具中心线与工作台表面距离相等，并且刀具中心线与工作台回转中心线相交。为了满足这些条件，需要先确定加工平台的设计方案。目前，可以采取的方案为：刀具在X、Y方向移动，并与B转动；而凸轮则在Z方向移动，并在A方向转动。在五轴联动数控机床的五个坐标中，A、B坐标转动可以使刀具与凸轮按照预先设定的运动规律运动，X、Y坐标移动能够使刀具与凸轮对心，Z坐标则能够使刀具或凸轮移动，并且控制刀具的进给量。根据之前的设计方案，凸轮加工开始时会利用X、Y坐标的移动实现刀具对心，然后利用A坐标转动实现凸轮与刀具同步转动，并利用Z移动进行刀具进给加工[3]。相较于凸轮，刀具移动更加轻巧便利，所以需要将三个坐标放在刀具系统上。
2.3 凸轮机构运动和加工刀具轨迹设计
弧面分度凸轮的空间构造较为复杂，需要利用CAN软件进行加工程序的生成。但是在进行该种计算机数控程序技术前，需要进行凸轮机构运动和加工刀具轨迹的设计，以便按照凸轮和刀具的运动规律完成相应仿真程序的編写。观察凸轮运动可以发现，凸轮是从停歇期开始运动的。根据凸轮的运动状态，可以分析出转盘上各个滚子在不同时期与凸轮的啮合关系，并进行轨迹程序输出计算结果的验证。具体来讲，就是按照规定运动规律曲线进行凸轮机构运动的观察，在凸轮旋转360°后，进行滚子参与啮合的次数和顺序的记录。而在进行刀具加工路径设计时，为了确保加工的精度，需要进行每一刀进入的角度的计算，并且完成出刀角度的计算。为了达成这一目的，需要利用滚子与凸轮的几何关系进行进刀与出刀角度的计算。就目前来看，滚子与凸轮有两种几何关系，即转盘中心与凸轮宽度中心之间存在偏心距离和不存在偏心距离的关系[4]。根据观察到的凸轮运动状态，则可以利用仿真程序进行转角数据的获取，然后进行刀具轨迹的判断。
2.4 凸轮具体制造工艺设计
一般的情况下，人们常利用五轴联动数控机床进行弧面分度凸轮的加工制造。而在该种机床上，需要利用心轴和螺母进行凸轮的固定。在进行凸轮部件及毛坯加工时，由于凸轮主要由间歇弧面和工作弧面构成，所以需要以二者为核心进行整个加工精度的控制。在利用CAM软件进行工件辅助加工时，先要完成工件的初级加工。具体来讲，就是利用端铣刀进行切除加工，以便将工件多余的部分剪切掉。在完成初次开粗后，需要利用立铣刀进行工件余量部分切除，以完成二次开粗。在此基础上，可以进行凸轮的半细加工。比如，如果凸轮有两个弧面上有直纹面，就需要利用可变轮廓铣的方式进行刀具路径的生成，从而完成凸轮的半细加工。
结论：总而言之，作为结构复杂并且加工精度高的零件，弧面分度凸轮的设计与加工比较麻烦。而本文通过确定凸轮的设计参数，并进行凸轮加工平面、机构运动和加工刀具轨迹和制造工艺的设计，对凸轮的设计与制造问题展开了研究，以期为相关加工制造行业及人员提供参考。
参考文献
[1] 梁京燕.弧面分度凸轮机构的CAD建模[J].滁州职业技术学院学报，2014，02：72-75.
[2] 程伟，张跃明，卜凡华.弧面分度凸轮数控加工工艺研究[J].机械设计与制造，2011，03：171-173.
[3] 吴忆峰，陈海军.弧面分度凸轮多轴数控加工方法的研究与应用[J].机械传动，2013，06：110-112.
[4] 张文光，王大镇，弓清忠.ATC中多头弧面分度凸轮实体建模与加工仿真[J].机械设计，2015，05：30-34.
作者简介
李亚鑫（1995.12-5），女，汉，河南省濮阳市，成都理工大学，邮编：610059，机械工程专业，研究方向机械设计制造及自动化。