摘要: 設計針對漸開線“S”形凸輪加工的專用銑床。建立了凸輪銑削加工（gōng）刀具（jù）中心的數學模型，提出了漸開線“S”形凸輪專用銑床（chuáng）總體結構設計方案，對（duì）機床關鍵部件夾具主（zhǔ）軸箱（xiāng）進行設計，設計出專用機床的液壓係統，並選擇了合適的數控係統以及對凸輪輪廓（kuò）表麵加工進行（háng）編程（chéng）流（liú）程設計。
 
        關鍵詞:“S”形凸輪; 專用銑床; 夾具主軸箱
   
        漸開線“S”形（xíng）凸輪被（bèi）廣泛應用於汽車製動器中，其輪廓的精加工效（xiào）率及精度直接（jiē）決定了汽車製動器的（de）性能。“S”形凸輪待加工麵為漸開線曲麵，目前市場（chǎng）上主要有4 種加工方法: 拉削加工、仿形車削加工、仿形銑削加工和數控（kòng）銑削加工。根據多家專業生產汽車製動器廠家對“S”形凸輪高效（xiào）、高精度、高剛度的（de）生產需求，同時對這幾種加工方法進行性能分析，最終確定了該（gāi）機床研製的立足點就是數控銑削加工，並結合（hé）專用機床加（jiā）工柔（róu）性化設（shè）計理念（niàn），設計出了針對漸開線（xiàn）“S”形凸輪加工的專用銑床。該機床配置經濟型數控係統，加工效率（lǜ）和（hé）柔性較高、結構簡單、易於製造，而（ér）且能夠保證精度，加工質量一致性好，加工成本低，機床（chuáng）操作簡單。
 
 
        1 、建立銑削（xuē）刀具中心（xīn）的數學模型
   
        在“S”形凸輪銑削加工過程中，“S”形凸輪將（jiāng）做勻速旋轉，銑刀會隨著凸輪（lún）旋轉角度的變（biàn）化而進（jìn）行調整，並（bìng）沿著凸輪輪（lún）廓做水平移動，以加工滿足要求的凸輪輪廓曲麵［1］。如圖1 所示。根據刀具中心的運動軌跡，就可以建立刀具中心極坐（zuò）標值（zhí）的數學模型。其（qí）過程如下:
  
       

                     圖1 加工凸輪與刀具的運（yùn）動軌跡
  
       

        
  
                圖2 凸輪輪廓與刀具中心運行軌跡結構
 

       根據建立的“S”形凸輪銑削加工刀具中心的數學模型，可（kě）準確計算出刀具中心運動軌跡上選取點（diǎn）的（de）極坐標值，根據選取的單個點極坐標（biāo）值，編製符合要求的數控程序代碼，以此控（kòng）製凸輪軸體的旋轉路（lù）徑和刀具（jù）的加工路徑（jìng）。並根據其（qí）數學（xué）模型（xíng）推算出的運動路徑，合理設計機床總體結（jié）構方案（àn），最終加工出符合尺寸要求和精度要求的漸開（kāi）線“S”形凸輪輪廓麵。
 
        2 、機床（chuáng）總體結構（gòu）方案
 
       該機床采用臥式結構布局，如圖3 所示。

                                     圖3 機床整（zhěng）體結構示意圖
 
 
 
      該機（jī）床（chuáng）主要（yào）由機床底座，X、Y 向（xiàng）數控滑台，銑削主軸箱，送料工作台，夾具主軸（zhóu）箱，數（shù）控係統，液壓係統，電氣係統，冷卻係統，潤滑係統，整（zhěng）體防護等部（bù）分組成。機床（chuáng）配置兩個（gè）銑削頭，配置ＲS232 接口（kǒu），可支持MasterCAM、UG 等CAD/CAM 類軟件轉換（huàn）的程序代碼輸入機床。
 
      該機（jī）床配置專用定位機構，完（wán）成“S”形凸輪軸定位，如圖4 所示（shì），一次裝卡，可同時加工兩個工件，其工件定位方式為（wéi）: 凸輪軸外圓柱麵及“S”形外輪（lún）廓麵裝卡內側（cè）上下兩點。操作過程為: 手動將漸開線（xiàn）“S”形凸輪軸裝入輔助定位裝置( 核（hé）心部件為楔（xiē）式三爪動力卡盤［2］) 上，通過操作定位（wèi）驅動機（jī）構4中的齒輪帶動齒條移（yí）動，以此帶動角（jiǎo）向定位機構3、5 移動，從（cóng）而實現對漸開（kāi）線“S”形凸輪軸角向（xiàng）定位，此時（shí）動力卡盤卡緊，完成工件的裝卡，通過操縱手柄回位，角向定位機構退回，此（cǐ）時方可按“循（xún）環起動”按（àn）鈕開（kāi）始加工工（gōng）件。

      
  
 
                              圖4 工件角向定位機構結構示意圖（tú）
     
       機床工作過程: 工件定位裝夾→送料工作台快進、緩進、碰停→左右（yòu）數控（kòng）滑台與（yǔ）夾具主軸聯動（dòng）加（jiā）工試件→左右數（shù）控滑台退回（huí）→送料工作台快（kuài）退、緩退、碰停→鬆開卡盤→頂（dǐng）料（liào）缸（gāng）頂出工件，然（rán）後靠彈簧複位→卸料→進入下一循環。
   
       3 、關鍵部件設計
 
      加工“S”形凸（tū）輪專用機床最核心、最關鍵的部件設計為夾具主軸（zhóu）箱，它（tā）直接影響（xiǎng）著機床（chuáng）的使用性能。夾具主軸箱結構如圖5 所示（shì），該夾（jiá）具主軸箱傳動比較大，因此，采用雙蝸杆蝸輪副的傳動結構; 主軸的（de）頭（tóu）部安裝有旋轉夾緊油缸，驅動楔（xiē）式三（sān）爪液壓動力卡盤夾緊（jǐn）工件; 主軸中央安裝有輔助定位及頂出工件機（jī）構，其原理是在主軸尾部裝有單作用油缸和複位彈簧，起到（dào）輔助定位和頂出工件作用; 在主軸箱的前部安裝有（yǒu）手動（dòng）工件角向定位裝置，其作用是確定工件在主（zhǔ）軸上的正確位置。在設計過程中，充分考慮了兩個（gè）主軸孔的位置精度和（hé）形狀誤差、支承剛性。
 

                                     圖5 夾具主軸箱的結構圖
 
       4 、液壓係統（tǒng）設計
 
       機床液壓係統主要采用符合（hé）ISO 標準的疊（dié）加閥，完成工件（jiàn）的夾緊、鬆開，頂料缸的頂（dǐng）料、複位，夾具移動缸的快進、緩進、快退（tuì）、緩退。其機床液壓（yā）原理圖（tú）如圖6 所示（shì）。

                                    圖6 機床液壓原理圖
   
      根據液（yè）壓原理圖，對液壓係統回路分析如下:
 
      ( 1) 左右卡盤（pán）夾緊鬆開回路。卡盤的執行（háng）元（yuán）件是一個液壓缸，控製油路則由一（yī）個兩位四通電磁換向（xiàng）閥和一個（gè）疊加式單向（xiàng）閥組成。
 
      ( 2) 左右（yòu）頂料缸回路。執行元件為（wéi）單作用液壓缸，複位靠彈簧力，控（kòng）製油路由一個兩（liǎng）位（wèi）四通（tōng）電磁換向閥和一個疊加（jiā）式節流閥組成。節流閥的作用是調節工件（jiàn）被頂出的速度。
 
      ( 3) 送料工作台( 夾具移動缸) 回路。執行（háng）元件（jiàn）是一個液壓缸，控製油路則由一個兩位（wèi）四通（tōng）電（diàn）磁換向閥和（hé）兩個（gè）電動單向調速閥組成。調速閥的作用是改變工作台的移動速度，避（bì）免（miǎn）衝擊。
 
      5 、數（shù）控係統選擇及編程設計
 
      按照數控係統的選擇（zé）原則，選定（dìng）FANUC 0i-MC係統作（zuò）為“S”凸輪專用銑床的數控係統［3］。該係統的CNC 單元為大板結構，基本配置有主電路板( PCB) 、存儲器板、I /O 板、伺服軸控製板和電源模板。該機床的（de）加工程序編（biān）製完全模擬（nǐ）凸輪的工作過（guò）程，根據凸輪的升程（chéng）數據進行編程［4］。其編（biān）程流（liú）程圖如圖7 所示。

     
  
  
                   圖7 編程流程圖
      
      6 、結束（shù）語
 
     ( 1) 為該機床（chuáng）製定的雙軸加工方案，提（tí）高了凸輪輪廓曲麵的加工效率;
 
     ( 2) 機床采用三爪液壓動力卡盤，通過自鏜卡爪孔，保證機床的夾持精度。配置了專用夾（jiá）具，操作簡便（biàn），一次裝卡，同時完成兩工件的加（jiā）工，加大生產節拍。
 
     ( 3) 該機床（chuáng）經用戶驗收使用，生產效率顯著提高，同批次工件質量穩定性好，精度控製在技術要求範圍內，且產品（pǐn）成本降低。