CN105269052A - 精密凸轮轴加工方法 - Google Patents

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刘伟淋
程璋
李军
叶成思
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Abstract

本发明公开了一种精密凸轮轴加工方法,包括:根据凸轮轮廓曲线生成凸轮轮廓轨迹,设置加工参数进而得到凸轮的实际加工路径,经后置处理得到用于数控加工的数控程序;将凸轮轴安装在数控机床上并在数控机床上导入数控程序,在凸轮轴的外圆周面上加工出凸轮槽。通过对凸轮轴加工用的数控程序进行优化,根据凸轮轮廓曲线生成凸轮轮廓轨迹,进而根据加工参数得到凸轮实际加工路径,避免了传统的三维实体建模导致的编程过程复杂及数控程序不易根据凸轮轴的设计精度进行调整的问题,从数控程序编制的环节上进行优化,以满足凸轮轴的加工精度,且编程过程简单,调整便利。

Description

精密凸轮轴加工方法
技术领域
[0001] 本发明涉及数字化加工控制领域,特别地,涉及一种精密凸轮轴加工方法。
背景技术
[0002]凸轮机构以其结构简单、紧凑、且可实现从动件任意预期运动的特点,在各行各业中发挥着巨大的作用,目前在航空发动机上的应用也较为广泛。为使从动件达到预期的运动精度和使用寿命,现在航空发动机凸轮轴的型面精度要求越来越高,面轮廓度为0.005mm,普通设备已无法满足该精度要求,目前主要在精密四轴数控加工中心上加工,但是运用当前的加工方法加工高精度凸轮曲面技术还在不够成熟,处于摸索阶段,凸轮轴的0.005mm轮廓度和Ra 0.8的粗糙度要求一直无法保证。
[0003] 凸轮轴加工是一个轴向和周向同时运动的过程,零件在卧式数控机床上通过数控程序实现Y轴和B轴联动,从而保证凸轮轴的轮廓度,所以数控程序编制的精度直接影响凸轮轴的加工精度。传统采用实体建模编程,凸轮轴加工后,曲面转角处存在极微小平面转接,无法保证Ra 0.8的粗糙度要求。
[0004] 凸轮轴加工余量较大,数控刀具加工过程中断刀和磨损较为严重,因刀具磨损,造成凸轮槽进口和出口在宽度上有一定的差异,出口处宽度比进口处小了 0.02mm,无法保证0.005mm的轮廓度要求。
发明内容
[0005] 本发明提供了一种精密凸轮轴加工方法,以解决现有的凸轮轴加工无法满足0.005mm轮廓度和Ra 0.8的粗糙度要求的技术问题。
[0006] 本发明采用的技术方案如下:
[0007] 一种精密凸轮轴加工方法,包括:
[0008] 根据凸轮轮廓曲线生成凸轮轮廓轨迹,设置加工参数进而得到凸轮的实际加工路径,经后置处理得到用于数控加工的数控程序;
[0009] 将凸轮轴安装在数控机床上并在数控机床上导入数控程序,在凸轮轴的外圆周面上加工出凸轮槽。
[0010] 进一步地,根据凸轮轮廓曲线生成凸轮轮廓轨迹包括:
[0011] 根据凸轮圆周角度与高度的对应关系绘制二维样条曲线,二维样条曲线的样条长度为凸轮周长,二维样条曲线为从动件滚子中心线,凸轮轮廓线为二维样条曲线分别向上、向下偏移一个从动件滚子半径形成的轮廓线;
[0012] 将二维样条曲线及凸轮轮廓线绕圆心旋转围绕一圈形成的闭合曲面作为凸轮轮廓轨迹,圆心为数控机床的旋转转台中心零点。
[0013] 进一步地,旋转围绕的方向为顺时针。
[0014] 进一步地,在凸轮轴的外圆周面上加工出凸轮槽采用粗铣-半精铣-精铣的加工方式。
[0015] 进一步地,粗铣加工中,对凸轮槽的两侧各留第一预定余量,选用玉米铣刀,YG类硬质合金涂层刀具,沿着凸轮槽中心线进行深度分层铣削。
[0016] 进一步地,半精铣加工中,采用合金铣刀铣削凸轮槽的两侧,使得凸轮槽的两侧各留第二预定余量,第二预定余量小于第一预定余量。
[0017] 进一步地,精铣加工中,采用范成法,选用YT类硬质合金涂层刀具,保证凸轮槽表面Ra 0.8的粗糙度要求和耐用度,选用与从动件滚子直径相同的合金铣刀,刀具与滚子的几何特征一致,保证了刀具与凸轮轴的啮合关系和滚子与凸轮轴的啮合关系相同。
[0018] 本发明具有以下有益效果:
[0019] 本发明精密凸轮轴加工方法,通过对凸轮轴加工用的数控程序进行优化,根据凸轮轮廓曲线生成凸轮轮廓轨迹,进而根据加工参数得到凸轮实际加工路径,避免了传统的三维实体建模导致的编程过程复杂及数控程序不易根据凸轮轴的设计精度进行调整的问题,从数控程序编制的环节上进行优化,以满足凸轮轴的加工精度,且编程过程简单,调整便利。
[0020] 除了上面所描述的目的、特征和优点之外,本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图,对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0021] 构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0022] 图1是本发明优选实施例精密凸轮轴加工方法的流程示意图。
具体实施方式
[0023] 需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0024] 本发明精密凸轮轴加工方法通过优化数控加工用数控程序,改进加工工艺路线并调整数控刀具,使得凸轮轴满足轮廓度和粗糙度要求,且解决凸轮轴表面震纹的现象。参照图1,本发明的优选实施例提供了一种精密凸轮轴加工方法,包括:
[0025] 步骤S100,根据凸轮轮廓曲线生成凸轮轮廓轨迹,设置加工参数进而得到凸轮的实际加工路径,经后置处理得到用于数控加工的数控程序;
[0026] 步骤S200,将凸轮轴安装在数控机床上并在数控机床上导入数控程序,在凸轮轴的外圆周面上加工出凸轮槽。
[0027]与传统的实体建模编制数控程序相比,本实施例方法克服了传统的三维实体建模导致的编程过程复杂及数控程序不易根据凸轮轴的设计精度进行调整的问题,从数控程序编制的环节上进行优化,以满足凸轮轴的加工精度,且编程过程简单,调整便利。
[0028] 本实施例中,步骤S100具体包括:
[0029] 步骤S101,建立凸轮轮廓曲线
[0030] 本实施例根据凸轮圆周角度与高度的对应关系在Mastercam软件中绘制出二维样条曲线,该二维样条曲线长度为凸轮周长,该二维样条曲线是从动件滚子中心线,而凸轮轮廓线需向上、向下偏移一个从动件滚子半径。
[0031] 步骤S102,用二维样条曲线生成三维凸轮刀轨
[0032] 在刀具参数设置中打开滚动轴功能,该功能可以把一根二维的直线或曲线以坐标原点为圆心,按某一设定直径值围绕一圈,二维样条曲线为凸轮展开周长,围绕圆心绕成一圈,形成闭合曲线,即为凸轮轮廓轨迹。本实施例圆心为数控机床的旋转转台中心零点,设定直径根据凸轮展开周长算出。
[0033] 本实施例在旋转功能中根据数控机床的类型设置旋转轴,卧式4轴加工中心围绕Y轴旋转,立式3+1数控加工中心围绕X轴旋。
[0034] 本实施例中,以旋转方向确定采用顺铣或逆铣的加工方式,由于顺铣方式精加工能得到较好的轮廓表面粗糙度,优选地,本实施例旋转围绕的方向为顺时针,即得到用于顺铣加工的数控程序。
[0035] 步骤S103,圆柱凸轮加工路径的生成
[0036] 在加工参数中设置加工深度、安全高度、刀具补偿、进刀方向、加工精度后即得到圆柱凸轮的实际加工轨迹。
[0037] 步骤S104,后置处理生成数控程序
[0038] 将三维数控刀轨经多轴数控机床后置处理文件后置处理后可得到数控程序,由于卧式数控机床B转台是绕Y轴旋转,从该程序可以看出,凸轮轮廓曲线的加工过程实际上是Y轴B转台联动的过程,X、Z为定值,X轴坐标为凸轮中心,Z轴坐标为凸轮底面,圆柱凸轮程序的编制精度可以根据设计要求在加工参数中进行设置。
[0039] 圆柱凸轮加工是在凸轮外圆圆周面上沿着从动件的空间运动轨迹加工一条宽度为从动件滚子直径的凸轮槽,其槽宽的尺寸与从动件滚子直径一致,由于凸轮运动属于磨耗运动,从动件与凸轮之间是滚动摩擦,为了保证凸轮机构有较高的运动精度和使用寿命,必须提高凸轮槽的加工精度和表面粗糙度。优选地,本实施例在凸轮轴的外圆周面上加工出凸轮槽采用粗铣-半精铣-精铣的加工方式。具体方案如下:
[0040] 1)、粗铣加工
[0041] 对于槽宽22_的圆柱凸轮,为避免粗加工过程中出现打刀现象损坏轮廓面,两侧各留1mm余量,选用Φ 16玉米铣刀,YG类硬质合金刀具,硬度和耐磨性分别选用为P20和M20值,其不但具有较高的硬度,而且基体有一定的韧性和抗冲击性,在加工较硬材料时不易产生崩刃和折断现象,沿着凸轮槽中心线进行深度分层铣削,去除凸轮槽中间余量,因为粗加工主要以提高加工效率为主,在刀具保持足够刚性的情况下采用了低转速高进给的加工方式,优选地,转速S = 500r/min、进给F = 150mm/min,较高的每转进给0.3mm/r保证了加工效率,同时较低的线速度30mm/min提高了刀具寿命。
[0042] 2)、半精铣加工
[0043] 采用Φ 16合金铣刀高速铣的方式半精铣铣削凸轮两侧,仅留0.3mm精加工余量,减少了凸轮槽精加工过程刀具的磨损,使精加工过程中一把数控刀具能一次将凸轮槽加工完成,避免中途换刀造成的凸轮面接刀痕。
[0044] 3)、精铣加工
[0045] 为保证凸轮槽的型面精度和槽宽尺寸,采用范成法,选用了 YT类硬质合金涂层刀具,具有较高的硬度和耐磨性,保证凸轮槽表面0.8的粗糙度要求和耐用度,选用与从动件滚子直径相同的Φ22合金铣刀,刀具与滚子的几何特征一致,保证了刀具与工件的啮合关系同滚子与凸轮的啮合关系是相同的,因而可以准确的加工出圆柱凸轮的轮廓面,精加工余量为0.3mm,可以采用高速铣的方法,转速S = 3000r/min、进给F = 300mm/min,较高的转速和进给在有很高加工效率的同时保证了凸轮面的表面粗糙度。
[0046] 以槽宽22mm的圆柱凸轮加工为例,本实施例的具体加工过程如下:
[0047] 1、准备3把数控刀具,粗加工Φ 16玉米铣刀,半精加工Φ 16合金铣刀,精加工Φ 22合金铣刀。
[0048] 2、把凸轮展开线的点位导入CAM软件Masercam中缠绕生成刀轨和NC程序。
[0049] 3、把零件安装在卧式数控机床上,找正凸轮轴中心与机床转台同心,设置零件中心为G54Z轴零点。
[0050] 4、数控程序输入数控机床按顺铣进行加工粗加工、半精加工、精加工。
[0051] 从以上的描述可以得知,本实施例具有以下有益效果:
[0052] 1)、凸轮轴通过二维的凸轮曲线绕直径缠绕所得数控程序比实体建模通过刀轨所得的数控程序有更高的加工精度。
[0053] 2)、细化加工工艺,采用粗铣-半精铣-精铣的加工方法减少了每把刀具的切削力,提高了凸轮轴的表面质量和刀具寿命。
[0054] 3)、优化粗、精加工刀具的材质和直径,避免了粗加工刀具的打刀现象,提高了精加工刀具的耐磨性和使用寿命,从而提高了零件的加工精度和表面粗糙度。
[0055] 4)、采用范成法进行精加工,选用与从动件滚子直径相同的合金铣刀,刀具与滚子的几何特征一致,保证了刀具与工件的啮合关系同滚子与凸轮的啮合关系是相同的,从而保证了凸轮曲面的真实性,提高了凸轮轴及从动件的使用寿命。
[0056] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种精密凸轮轴加工方法,其特征在于,包括: 根据凸轮轮廓曲线生成凸轮轮廓轨迹,设置加工参数进而得到凸轮的实际加工路径,经后置处理得到用于数控加工的数控程序; 将凸轮轴安装在数控机床上并在所述数控机床上导入所述数控程序,在所述凸轮轴的外圆周面上加工出凸轮槽。
2.根据权利要求1所述的精密凸轮轴加工方法,其特征在于, 所述根据凸轮轮廓曲线生成凸轮轮廓轨迹包括: 根据凸轮圆周角度与高度的对应关系绘制二维样条曲线,所述二维样条曲线的样条长度为凸轮周长,所述二维样条曲线为从动件滚子中心线,凸轮轮廓线为所述二维样条曲线分别向上、向下偏移一个从动件滚子半径形成的轮廓线; 将所述二维样条曲线及所述凸轮轮廓线绕圆心旋转围绕一圈形成的闭合曲面作为凸轮轮廓轨迹,所述圆心为数控机床的旋转转台中心零点。
3.根据权利要求2所述的精密凸轮轴加工方法,其特征在于, 所述旋转围绕的方向为顺时针。
4.根据权利要求3所述的精密凸轮轴加工方法,其特征在于, 在所述凸轮轴的外圆周面上加工出凸轮槽采用粗铣-半精铣-精铣的加工方式。
5.根据权利要求4所述的精密凸轮轴加工方法,其特征在于, 所述粗铣加工中,对凸轮槽的两侧各留第一预定余量,选用玉米铣刀,YG类硬质合金涂层刀具,沿着凸轮槽中心线进行深度分层铣削。
6.根据权利要求5所述的精密凸轮轴加工方法,其特征在于, 所述半精铣加工中,采用合金铣刀铣削所述凸轮槽的两侧,使得所述凸轮槽的两侧各留第二预定余量,所述第二预定余量小于所述第一预定余量。
7.根据权利要求1所述的精密凸轮轴加工方法,其特征在于, 所述精铣加工中,采用范成法,选用YT类硬质合金涂层刀具,保证凸轮槽表面Ra0.8的粗糙度要求和耐用度,选用与从动件滚子直径相同的合金铣刀,刀具与滚子的几何特征一致,保证了刀具与凸轮轴的啮合关系和滚子与凸轮轴的啮合关系相同。
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