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空間凸輪在刀（dāo）庫和自動換刀（dāo）裝置中的設計和加工工藝

2024-1-30 來源：空間凸輪刀庫自動換刀裝置加工（gōng）工藝作者：卞澤宇

摘要：主要針對空間凸輪（lún）在刀（dāo）庫和自動（dòng）換刀裝置中的設計原理進行分析，並對其加工工藝設計和參數計算進行了詳細的描述，此次研究不僅能夠讓換（huàn）刀裝（zhuāng）置的加（jiā）工效（xiào）率得到提升，而且還能讓加工工藝體係得（dé）到優化。

關鍵詞：空間凸輪（lún）刀庫（kù）自動換刀裝置加工（gōng）工藝

引言

近年來，隨著我國機械化水平的不斷發展，性能優越的傳動機構（gòu）出現在國內市場。其中最（zuì）為突出的便是（shì）弧麵凸輪（lún）機構。我國的弧麵凸（tū）輪機構經過一定程度的改進，在加工製造方麵主（zhǔ）要采用範成（chéng）法技術。通過對加工不同（tóng）型號的弧麵凸刀具（jù）進（jìn）行（háng）精確的數值（zhí）法求解，並對計算結（jié）果進（jìn）行（háng）對比分析，最終確定加工不同型號的（de）弧麵凸輪的專用數控機床的工作（zuò）台的轉角大小（xiǎo）。

1、空間凸輪在刀庫和自動換刀裝置中的設計基礎

1.1 空間凸輪在刀庫和自動換刀裝置的（de）設計方式

目前，弧（hú）麵凸輪的主要的加工方式有三種：二軸聯動加工、四軸聯動（dòng）加工（gōng）、以及五軸聯動（dòng）加工。我國對弧麵凸輪的加工機床是專門進過（guò）改造的針對弧（hú）麵凸輪的專用加工機床。其中的代表機床是山東輕工業學院研（yán）發的五坐（zuò）標數控機床（chuáng）。這種機床主要（yào）針對空間弧麵凸輪的加工，其優勢（shì）在（zài）於機床可采用小中心距對大（dà）中心距的弧麵凸輪（lún）進行加工。

在磨削（xuē）加（jiā）工方麵，我國摒棄了外國的五坐標磨（mó）削的加工方式，經（jīng）過國內專業人士的自主（zhǔ）研究，最終（zhōng）陝西科技大學（xué）研製了 QMT 型短外伸端高速氣動磨頭，這種精密裝（zhuāng）置對孤眠凸輪的磨削在磨具的選擇上，主要采（cǎi）用聚（jù）晶立方氮化硼磨砂。其優勢在於磨削的凸輪輪廓精度可達到 0.002 mm。但是，該裝置在進行範成法磨削的（de）過程中，由於砂輪與滾子的半徑相同，在磨砂過程（chéng）中容易出現相互幹涉的現（xiàn）象。其（qí）次，機床主（zhǔ）軸的震動幅度相對較大，在（zài）加工表麵的熱效應性（xìng）能差[1]。

由此可以看出，采（cǎi）用範成（chéng）法對凸輪廓進行磨削操作時，如果砂輪與滾字的半徑相同，如果是凹槽式的凸輪廓麵的話會造成砂輪在磨削過（guò）程中被擠碎的概率變得特別大，加工表麵的熱效應降低，機（jī）床的主軸的震動大。

1.2 空間凸輪在刀庫自動轉換設計（jì）體係的優化

凸輪廓麵在（zài）磨削（xuē）加工時利用範成（chéng）法，選用的砂輪和滾子半徑相（xiàng）同，因為凸輪廓麵的凹槽式（shì）結構，砂輪在加工過程中非常容易被擠碎；還會燒傷（shāng）表麵；如果兩邊的餘量不均勻，則易（yì）使砂輪進行偏移；砂（shā）輪半徑得不到（dào）有效（xiào）的補償（cháng），其磨損將會對加工精（jīng）度造成很（hěn）大的影響（xiǎng）。所以，行星式的磨削方法成為比較先（xiān）進的磨削方式。為了對（duì）生產方式（shì）進行（háng）升級，國外新型的五坐標數控磨床，采用了行星式磨削工藝，彌（mí）補了普通磨削過程中的許多不足，再（zài）也不需要多（duō）次更換砂輪。

此外，弧麵凸輪機也值得被我們注意和研究。在這（zhè）一方麵，我國起步較晚，在加工製造方麵主要采用的還（hái）是範成法。

2、空間（jiān）凸輪在刀庫（kù）和自動換（huàn）刀裝置（zhì）中的工藝設計

目前空（kōng）間凸輪主要采用與滾子在動件曲麵幾（jǐ）何特（tè）征參（cān）數一致的（de）工具，采用範成法來進行弧麵凸輪廓麵（miàn）的加工，也就是說，刀具主軸的運動軌跡和滾子的運動軌跡一樣。銑削和磨削是弧麵凸輪加工的兩個步驟（zhòu）。在銑削（xuē）加工完成之（zhī）後，還要對凸輪（lún）零件來進（jìn）行磨削加工。這兩個步驟的走刀軌跡一致但（dàn）是凸輪加工（gōng）尺寸有變化，所以這兩個步驟需要各自進行不同的胎具裝卡[2]。

2.1 弧麵凸輪廓麵工藝模型設計

2.1.1 坐標係（xì）的選取方法

弧麵凸輪（lún）機（jī）構上建立（lì）四（sì）組指教坐標係。一般情況下，其可以利用平麵體係結構進行確定。其弧麵凸輪廓運動軌跡坐標如下頁圖 1 所（suǒ）示。

圖 1 弧麵凸輪廓運動軌（guǐ）跡坐標圖

結合上麵的坐標體係結構，我們大致可（kě）以從兩個方麵進行分析。其分別為連定坐標與機架（jià）坐標的體（tǐ）係結合。

1）與機架（jià）相連的定坐標係 S-XYZ，X 軸沿（yán）轉盤轉動中心和凸輪（lún）中心的連線，X 軸與 Y 軸組（zǔ）成的平麵平行。Z 軸與（yǔ）轉盤（pán）的（de）轉動軸線是重合的（de），按右手法則知道 Z 垂直紙（zhǐ）平麵（miàn）向外。

2）與（yǔ）機架相連的定坐標係 S-XYZ，坐標係 S 的原點 O 與凸輪的中心重合，Z 軸與凸輪軸線（xiàn）重合，Y軸按右手（shǒu）法則確定。

2.1.2 出刀入刀以及出刀角的機（jī）械運動分（fèn）析

間歇傳動是弧麵凸（tū）輪機的（de）傳動方式，在弧麵凸輪勻速旋轉的時候，分度段輪廓推動（dòng）滾子讓從動盤轉動。當凸輪運（yùn）轉到停歇階段時，在轉盤上的兩個相近的滾子跨夾在凸輪的環麵（miàn）突脊上麵。這（zhè）時候從動盤就會停止轉動。如圖 2 所示，從動件在（zài）第一個分度期的以 90°的位置進行（háng）位移，在此期間滾子 2 在從動盤滾子和弧麵凸輪運動期間分離出來，然後滾子（zǐ）4 在這個時候進入從動盤滾（gǔn）子和弧麵的凸輪之間。

至此形成（chéng）一個出刀角和一個（gè）入刀角。在（zài）第（dì）二期的位移中，位移的（de）角度呈現 180°，齧合運動中 1 和 4 作出刀，3 和 2 作入（rù）刀。最終形成（chéng）兩個入刀角和兩個出（chū）刀角。

圖 2 弧麵（miàn）凸輪機結構示意圖

2.2 弧麵凸輪廓（kuò）麵加工工藝設（shè）計

在進行整體（tǐ）的加工過程中（zhōng），其通常需要對凸輪麵（miàn）的體係結構進行分析。然後對刀架的整體旋轉度進行不同程度的變化。一般情況下，其第一分度期與第二分度期的（de）數值有一定的共同性，在第三分度期的運動過程中，動件的位移位置是 -90°方向，齧合運動的過程中 2 做出刀，4 做進刀。最終形成一個（gè）入（rù）刀角和一個出刀角。根據上述所得，當一個弧（hú）麵凸輪（lún）做（zuò）完一個運動周期便會形（xíng）成（chéng）四個入刀角和四個出刀角。因此（cǐ），我們在計算時（shí）需要將八個角全部進行計算，最後選擇（zé）最大的角度作為機床工作台的轉角（jiǎo）[3-4]。

3、空間凸輪在刀庫和自動換刀裝置中的參數計算

3.1 出刀入（rù）刀以及出刀角的計（jì）算分析

成法加工方式的作為經常使用的操作加工方式，其工作原理采用與滾子（zǐ）相同（tóng）尺（chǐ）寸的刀具進行（háng）加工（gōng），形成與滾子軌跡相一（yī）致的刀具軌（guǐ）跡，最後通過對（duì）刀具的運動軌跡來研究滾子的（de）運動規律。因此在實際計算（suàn）分析的過程中，我們可以將刀具假設為不同的滾子和凸輪廓麵的（de）齧合，在進行加工的過程中便可以對刀具（jù）切入和切出的位（wèi）置進行精準定位。為了保障零件輪廓的過（guò）渡的平滑性，刀（dāo）具在切出和切入的過程中應該沿著（zhe）輪廓切線的方向進行。在實際的加工過程中，難（nán）點在於計算刀具進入工件的切入角（jiǎo）以及切出時的切出角。這兩個（gè）角度的確定直接關係到（dào）加工凸輪的專用（yòng）數控工作（zuò）台轉角參數的大小。

3.2 空間凸輪在刀庫和自動換刀裝置中的幾何參數確定

空間凸（tū）輪在刀庫和自動換刀裝置中的幾何參數確定時，需要結合整個裝（zhuāng）置的運動情況進行（háng）全麵分析。首先其需要結合凸輪的運動特性進行（háng）分度周期的模型確定。

旋轉角度的確定（dìng）以及凸輪空（kōng）間量的變化情（qíng）況可以采用自（zì）動化編程進行維護（hù），從而達到較好的效果。由於機（jī）電係統的耦合性，通常利用各種（zhǒng）凸輪曲線實現機械的數字控製。如西門子（zǐ）公司的 ST-700 電子凸輪控製器（qì）設置了 32 種凸輪曲線，通過位置檢測器檢（jiǎn）測軸的角位置，對軸部零件精準地檢測以及定位（wèi）。從而及時地確定軸部件維護中所需（xū）要的參數，從而讓空間凸輪在刀庫和自動（dòng）換刀裝置中（zhōng）的幾何參數（shù）更為精確合理（lǐ）[5]。

4、結語

弧麵凸輪作為凸輪（lún）自動換刀裝置的重要組（zǔ）成部分，為刀庫實現自動化換刀裝置發揮著至關重（chóng）要要的作用，本文針對刀庫裝置中的空間凸輪機構進行深入研究，對自動換刀裝置的工作原理以及（jí）弧麵凸輪廓（kuò）麵教學模型進行係統的分析（xī），加深對刀庫的（de）全麵（miàn）了解，為今後的改進和研究作出貢獻。

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