浅谈数控机床在凸轮生产中的应用.pdf

浅 谈 数 控 机 床 在 凸 轮 生 产 中 的 应 用 口李晔 口朱永辉 1 ． 瓦锡兰中国有限公 司 上海 2 0 1 2 0 1 2 ． 阀安格水处 理 太仓 有 限公 司 江苏太仓 2 1 5 4 0 0 摘要对现代 数控技 术的原理 、 特点和分类进行 了简要的介绍 ， 结合理论知识 ， 针对 实践 中凸轮的型面加工进行 了 分析和构想。 对 比了小批量 时， 数控加工相对 靠模加工的优势。 关键词 数控加工控制 系统靠模成 本交期精度 中图分类号 T H1 6 ； T G 6 5 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 0 0 8 0 0 1 3 0 3 1 数控机床 的优 势及分 类 类 数 控 技 术 是 指 用 数 字 量 及 字 符 发 出指 令 并 实 现 自 动 控 制 的 技 术 。 数 控 机 床 Nu me r i c a l C o n t r o l Ma c h i n e 的 工 作 原 理 是 将 加 工 过 程 所 需 的各 种 操 作 和 步 骤 以 及 刀具 与工 件 间 的相 对 位 移量 都 用 数 字化 代 码 来 表示 ， 通 过 控制 介 质将 数 字 信 息送 人 计 算 机 ， 由计算 机 对 输 人 的信 息 进 行 处 理 与 运 算 ， 然 后 发 出 各 种 指 令 来 控 制 机 床 的 伺 服 系 统 和 其 他 执 行 元 件 ， 使 机 床 自 动 加 工 出 所 需 要 的 工 件 。 数 控 机 床 有 传 统 机 床 不 具 备 的 优 点 适 应 性 强 ， 适 合 加 工 单 件 或 小 批 量 复 杂 工 件 ； 加 工 精 度 高 ， 产 品 质 量 稳 定 ； 自动 化 程 度 高 ， 劳 动 强 度 低 ； 生 产 效 率 高 ， 经 济 效 益好 ； 有 利 于现代 生产 管理 。 数 控 机 床 通 常 可 以 按 所 用 进 给 伺 服 系 统 的类 型 分 收稿 日期 2 0 1 0 年2 月 X o Rc o s O ／ o 7 o z o ／t a n o 4 所 以 轴 速 度 为 警 一 2 d z 一 一 Sk 60 z c 即 d x S k意n B 5 由 式 2 、 3 、 4 、 5 ， 可 进 行 基 于 B 轴 基 准 的 四轴 联 动 插 补 。 可 以 看 出 ， C、 Z轴 随 B轴 作 线 性 运 动 ， 而 轴 随 B轴 作 非 线 性 运 动 。 3 结束语 笔 者 着 重 从 数 学 角 度 分 析 了 在 数 控 滚 齿 机 上 加 工 鼓 形 齿 轮 时 ， 工 件 径 向进 给 轴 、 滚 刀 轴 向 z轴 、 工 件 旋转C轴 之 间 的运 动 关 系 ， 同时 推 导 出 、 Z、 C轴 变 机械制造4 8 卷 第5 5 2 期 1 开 环 步 进 控 制 机 床 的 控 制 流 程 如 图 1 。 2 半 闭 环 控 制 机 床 的控 制 流 程 如 图2 。 3 闭 环 控 制 机 床 的 控 制 流 程 如 图 3 。 _ _ ● ． ．●‘ ． ． ●‘ ．． ●‘ -．． ●’， _ ●’．- ● ‘ ．． 化 量 与 滚 刀 主 轴 B 轴 变 化 量 之 间 的 函数 关 系 ， 最 终 推 导 出 曰、 c、 、 z 四 轴 的 运 动 关 系 ， 为 数 控 滚 齿 机 加 工 鼓 形 齿 轮 提 供 了 数 学 依 据 ， 并 为 研 制 的 数 控 滚 齿 机 应 用 奠 定 了 基 础 。 参 考 文 献 [ 1 ] 王青 云 ， 阮启刚． 鼓形齿齿轮的数控加工 [ J ] ． 黄石高等专 科学校学报 ， 2 0 0 3 2 ． [ 2 ] 周 家安 ， 吴玉国， 邱佩芬． 鼓形 齿轮及其加工方法 [ J l _ 华东 冶金学 院学报 ， 1 9 9 2 9 ． 【 3 ] 杨德卿， 张和平， 余英良． 数控改造滚齿机加工鼓形齿轮 [ J ] ． 新技术新工艺 ， 2 0 0 8 1 ． [ 4 】 何雪 明 ， 吴晓光 ， 常兴． 数控技术 【 M] ． 武汉 华 中科技大学 出版社 2 0 0 6 ． [ 5 ] 赵 淑苓． 鼓形齿 和它 的应用及加工 【 J ] ． 广西工学院学报， 1 9 9 3 3 ． △ 编 辑 林 凡 2 0 1 0 ／ 8 回 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 另 外 按 加 工 工 艺 方 法 ， 数 控 机 床 可 分 为 金 属 切 削 类 、 金 属 成 型 类 和 特 种 加 工 类 。 数 控机床 按运 动方式 也可 分为 点位控 制 、 点 位直 线 控制 和轮廓 控制 的数控 机床 。 2 数控机床在 凸轮 生产 中的应用 凸 轮 是 机 械 加 工 中较 常 见 的 零 件 ， 其 轮 廓 比 较 复 杂 ， 在普 通机 床上很 难保证 加工 精度 ， 使用 数控机 床则 可 以稳定 保证 其 加 工精 度 。 现 以该 产 品 的凸轮 型 面机 加 工 为例 ， 简 单 分析 数控 机 床 在其 生 产加 工 中 的应用 和 特 点 。 该 凸 轮 采 用 低 碳 合 金 结 构 钢 ， 表 面 渗 碳 硬 化 ， 型 面 硬 度 为 6 0 HRC， 所 以应 使 用 磨 削 方 式 加 工 型 面 。 如 图4， 凸 轮 回 转 半 径 约 9 0 mm， 长 度 约 2 0 0 mm， 内 孑 L 约 4 5 mm， 两 端 侧 有 定 位 销 孔 ， 位 置 度 0 ． 0 5 mm， 宜 采 用 卧 式 两 端 中 心 顶 尖 、 拨 杆 带 动 的 形 式 装 夹 定 位 。 凸 轮 型 面 粗 糙 度 要 求 相 当 高 ， 并 且 对 中 心 的 平 行 度 和 轮 廓 直 线 度 要 小 于 5 m， 凸 轮 型 面 的 面 轮 廓 度 公 差 小 于 0 ． 0 5 mm， 这 需 要砂 轮具有 好 的动静 平衡 ， 机 床有 好 的刚度抗 振性 ， 同 时 采 用 往 复 磨 削 的 形 式 能 更 好 地 保 证 平 行 度 。 由 于 型 面 不 规 则 轮 廓 尺 寸 要 求 和 跳 动 要 求 精 度 高 ， 并 且 凸 轮 片 的 升 程 起 始 角 公 差 也 需 要 注 意 控 制 ， 所 以 需 要 选 择 轮 廓 控 制 数 控 磨 床 。 其 中 主 运 动c轴 转 动 z 轴 为 转 动 轴 线 、 砂 轮 轴 和 z 轴 的 进 给 运 动 需 要 联 动 控 制 。 凸 轮 年 需 求 量 约 1 0 0 0 只左 右 。 综 上 所 述 ， 该 凸 轮 型 面 金 加 工 需 要 使 用 3 轴 联 动 轮 廓 控 制 数 控 磨 床 ， 双 顶 尖 定 中 心 孔 ， 以 端 面 定 位 销 需 事 先 精 加 工 控 制 凸 轮 轴 升 程 转 角 ， 砂 轮 根 据 转 角 进 行 轴 前 进 和 后 退 运 动 ， 同 时 进 行z 向往 复 运 动 。 A ． 燃油升程起始 角 B ． 燃油升程结束角 c ． 排气升程起始角 ， D ． 排气升程结束角 E ． 进气升程起始角 F． 进气升程结束角 ， G ． 过渡区 ． 排气凸轮 片 ， n ． 进气凸轮 片 ▲图4 凸轮的重要几何尺寸要求 需 要 指 出 的 是 ， 由 于 技 术 图 纸 中 凸 轮 型 面 的 形 状 是采 用 极 坐标 点包 络 的方 式 来描 述 ， 并 且点 数也 不 密 集 ， 大约 每度一 点 ， 所 以相对 于相 当高 的轮廓 尺寸 和跳 动 要 求 ， 在 实 际 生 产 加 工 中 不 能 直 接 将 这 些 点 位 输 入 20 1 0／8 数控 程序 而 由设 备 自身进 行插 补 。 这 就要 求 生产 技术 部 门 先 对 该 轮 廓 点 进 行 密 化 ， 一 种 比 较 好 的解 决 方 案 是在 C AD／C AM 软 件 中对 点 位进 行 密 化 。 例 如 ， 使 用 UG样 条 曲 线 插 补 功 能 在 公 差 范 围 内进 行 插 补 。 考 虑 到 曲 线 在 使 用 和 生 产 过 程 中 应 尽 量 减 小 因 凸 轮 升 程 变 化 产 生 的 对 挺 杆 ／ 滚 轮 和 砂 轮 机 构 造 成 力 的 冲 击 ， 样 条 应 尽 量 设 置 为 3 阶 以 上 的 多 样 条 插 补 选 项 。 同 时 又 因 凸 轮在 侧 面带 有一 个 内 凹轮廓 ， 这种 形 状也 被 称作 负 曲 率 半径 ， 用 于优化 对应 阀门 的开闭 ， 以提 高发 动机功 率 且 降低 排 放 量 ， 在 插 补 选 项 时 ， 需 要 和 生 产 方 综合 考 虑 ， 互 相 协 调 以 生 产 出 最 优 质 的 产 品 。 通 过 计 算 和 分 析 ， 本 案 中 使 用 数 控 凸 轮 磨 床 加 工 凸轮轴 比传 统使用 仿形 凸轮轴 磨床 加工小 批量 凸轮 生 产 ， 在生 产成 本 、 生 产 导入 周期 和交货 期 、 产 品精 度 等 方 面 都 有 明显 优 势 。 1 生产 成本 。 分别使 用 了2 种 不 同计 算方 法 ， 得 出 结 果 基 本 相 同 。 ①一 般 计算 方 法 ， 该方 法 较 为粗 略 。 已知 年 需 求 量 为 1 o o o ， 每 件 工 时 约 o ． 5 h ， 普 通 磨 床 市 场 价 为 4 0 元 ／ h， NC磨 床 市 场 价 为 1 6 0 元 ／ h 通 常 为 普 通 设 备 的 2～4 倍 ， 靠 模 一 次 性 投 资 市 场 价 需 8 0 0 0 0 元 。 数 控 加 工 总 成 本 0 ． 51 6 0 X 1 0 0 08 0 0 0 0 元 普 通 靠 模 加 工 总 成 本 0 ． 5 X 4 0 X 1 0 0 0 8 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0元 另 外 ， 普 通 凸轮轴靠 模加 工设 备属 于专机 范畴 。 它 加 工 产 品 种 类 的 柔 性 比 较 差 ， 至 多 2 种 不 同 的 凸 轮 轴 6 片 靠 模 ， 进 、 排 、 燃 各 两 种 。 保 守 估 计 ， 按 一 年 2 5 0 天 ， 每 天 8 h计 算 ， 每 种 凸 轮 至 少 生 产 2 o o o 2 5 0 X 8／ 0 ． 5／ 2 ， 否 则 生 产 能 力 放 空 。 这 种 情 况 等 价 于 加 工 成 本 成 倍 增 加 。 按 照 经 验 ， 放 空 设 备 的 直 接 成 本 约 5 0 ％ 由 于 没 有 产生 可 以不 计 ， 而 间接 成本 和 折 旧 约5 0 ％ 仍 需 计 入 成 本 ， 即 加 工 成 本 上 升 为 4 04 0 X 5 0 ％ 6 0 元 ／ h 。 所 以 需 要 使 用 如 下 “ 专 机 计 算 方 法 ” 。 ② 专 机 计 算 方 法 。 已知 年 需 求 量 为 1 o o o 4 ， 每 件 工 时约0 ． 5 h， 专机 磨床 成本 6 0 元 ／ h， NC磨 床 市场价 为 1 6 0 元 ／h ， 靠模 一次 性投 资市场 价需8 0 0 0 0 元 。 数 控 加 工 总 成 本 0 ． 51 6 0 X 1 0 0 08 0 0 0 0 元 靠 模 专 机 总 成 本 0 ． 5 X 6 0 X 1 0 0 08 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 元 综 上 所 算 ， 在 产 品 需 求 量 较 小 1 0 0 0只 的情 况 下 ， 保 守 估 计 数 控 加 工 比 靠 模 专 机 加 工 成 本 至 少 减 少 约 2 5 ％ ～3 7 ． 5 ％ ， 并 且 随 着 生 产 的 熟 练 化 ， 以 上 每 件 平 均 工 时 会 逐 渐 小 于 0 ． 5 h ， 那 么 意 味 着 数 控 加 工 相 对 靠 模专 机 的成 本还 可 以进 一步 缩减 。 2 生产导 入周期 和交 货期 。 使用 靠模加 工 凸轮 的 试 制路 线 通 常为 曲线 数控 编 程 一生 产仿 形 凸轮 一必 机械制造4 8 卷 第5 5 2 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汽轮机 高压外缸 内孔 变径过渡球 面的数控加工 口王时光 口潘维东 1 ． 哈尔滨汽轮机机械设备制造集团有限公司 哈尔滨 1 5 0 0 4 6 2 ． 哈尔滨汽轮机厂有限责任公司 哈尔滨 1 5 0 0 4 6 摘 要用圆角盘铣 刀加工球 面时， 由于机床的数控 系统只能对长度和半径进行 补偿 ， 无法对圆角进行补偿 ， 因此 ， 需要在数控程序 中对 圆角补偿 进行计算 ， 并将工件和刀具的参数进 行程序优 化 ， 使其能够满足不 同尺寸要 求的球 面加工 。 关键词 内孔变径仿型加工参数化数控加工 中图分类号 T H1 6 1 ； T G 5 4 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 0 0 8一 O 0 1 5 0 2 1 加 工难点 1 由 于 加 工 高 压 外 缸 内 孔 变 径 过 渡 球 面 部 位 时 ， 以 再 热 蒸 汽 进 汽 管 口 S R1 O 0 过 渡 球 面 为 例 见 图 1 ， 各 部 位 的 过 渡 球 面 半 径 不 同 ， 缺 少 合 适 的 成 型 球 刀 ， 常 用 通 用 刀 具 ， 以不 同 深 度 平 面 内 的 不 同 半 径 的 同 心 圆 组 收稿 日期 2 0 1 0 年3 月 成 的 加 工 轨 迹 进 行 仿 型 加 工 ， 缺 点 是 加 工 时 间 长 、 表 面 质 量 差 。 2 圆 角 盘 铣 刀 在 机 床 操 作 系 统 中 加 刀 补 只 能 在 刀 具 半 径 和 长 度 上 S b 偿 ， 无 法 对 圆 角 进 行 补 偿 ； 加 工 程 序 没 有 通 用 性 ， 每 一 种 类 型 的 产 品 需 编 制 独 立 的 程 序 ； 以 往 球 面 的 数 控 加 工 程 序 都 是 利 用 C AD 三 视 图 作 图 ， 在 S R 圆 弧 段 取 若 干 点 多 则 数 十 点 作 为 坐 标 采 集 点 ， 改 盘， k 业 ； 譬 ， 9-电。 9 ； ， ； 鲁， ‘ ， 譬 ， 自 ； 鲁 自 缸 卓 壬 壬 譬 窜 窖 kr ； 拿 ； 章 e s 9 r s } s 电 9 拿 r s 9 9 ； ，9 ， 9 ； ， 9 ； 9 ； 窖毫 ， 9 9 ， 9 ； 要 时 手 工 修 正 一安 装 调 试 一试 生 产 一重 新 调 整 一正 式 生 产 ， 共 7 步 。 而 使 用 数 控 加 工 凸 轮 的 试 制 路 线 通 常 为 曲 线 数 控 编 程 一试 生 产 一重 新 调 整 一正 式 生 产 ， 共 4 步 。 这样 使用 数控 加工 设备 就 节省7 5 ％ 的多余 步骤 ， 压 缩 了 生 产 导 入 周 期 和 交 货 期 ， 赢 得 了 竞 争 力 。 3 产 品加 工精 度 。 如果 使 用 靠模 ， 同时 考虑 该 凸 轮 的 大 小 和 设 备 的 最 大 行 程 ， 靠 模 的 尺 寸 可 以 做 到 原 凸轮 的 2 倍 ， 那 么 公 差 值 也 可 以 放 宽 至 2 倍 。 然 而 考 虑 到 靠 模 与 导 轮 配 合 误 差 和 间 隙 ， 靠 模 的 公 差 值 宜 为 产 品 公 差 的 1 ／ 4 左 右 。 2 X 1 ／ 41 ／ 2。 最 终 靠 模 本 身 的 尺 寸 公 差 值 必 须 为 产 品 尺 寸 公 差 值 的 1 ／ 2 即 0 ． 0 2 5 mm ， 才 能 稳 定 地 保 证 产 品 质 量 达 标 。 按 目前 技 术 条 件 ， 对 于 回 转 半 径 9 0 mm 的 凸 轮 ， 也 就 是 说 靠 模 回 转 半 径 会 大 于 1 8 0 mm， 并 且 存 在 负 曲 率 半 径 的 情 况 下 ， 加 工 靠 模 轮 廓 公 差 达 到 0 ． 0 2 5 mm 十 分 困 难 ， 于 是 依 靠 本 身 精 度 不 够 的 靠 模 生 产 的 产 品 精 度 也 就 难 以稳 定 达 到 0 ． 0 5 mm 的 技 术 要 求 。 而 数 控 加 工 依 靠 闭 环 反 馈 系 统 则 能 直 接 保 证 产 品 - z- 0 ． 0 5 mm 的 技 术 要 求 。 当然 ， 用 了数控 设 备 在 实 际生 产 中还 是 需 要 结合 自身 加 工 状 况 ， 大 胆 假 设 、 小 心 求 证 才 能 生 产 出 保 质 保 量 的 产 品 。 在 本 案 实 际 生 产 中 还 遇 到 过 这 样 一 些 细 节 问 题 。 如 图 5 所 示 ， 尽 管 凸 轮 表 面 粗 糙 度 已 经 达 到 图 纸 技 术 要 求 R 0 ． 4 Ix m， 但 经 过 低 倍 放 大 之 后 发 现 表 面 有 弯 曲 状 条 纹 。 经 表 面 NDT探 伤 ， 该 位 置 未 发 现 明 显 显 示 ， 则 初 步 认 为 材 料 因素 影 响 较 小 。 考 虑 到 该 条 纹 形 状 机械制造4 8 卷 第5 5 2 期 和 振 动 磨 削 方 向 一 致 ， 所 以 该 痕 迹 很 有 可 能 是 由 于 磨 削 造 成 。 对 此 在 后 续 的 生 产 中调 整 了 砂 轮 的 粗 细 以 及 精 加 工 中 横 向 进 给 量 ， 使 产 品 表 面 粗 糙 度 值 稳 定 在 R。 0 ． 4 m 以 内 ， 弯 曲 状 条 纹 也 没 有 再 出 现 。 l ； ■ i 燃 辩 釜 勰 口 B a 龋 酸 E 髓 l 潮 蘸 譬 j - 蠹潮 j 5 凸轮型面上的弯曲条纹 参 考 文 献 [ 1 】 吴祖育 ， 秦鹏飞 ， 李宇吴 ， 等． 数控机床 第 3 版 [ M] ． 上海 上海科学技术 出版社 ， 2 0 0 7 ． 【 2 ] 胡东方 ， 罗红霞 ， 董丽华． 数控 加工中心编程 与操作实用技 术 第一版 [ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 李喜桥． 加工工艺学 第 1 版 【 M] ． 北京 北京航 空航 天大 学 出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 4 ] R W K霍尼库姆 著 ， 傅俊岩译． 钢的纤维组织和性能 第一 版 [ M] ． 北京 冶金 工业 出版社 ， 1 9 8 5 ． [ 5 】 张普礼 ， 杨琳． 机械加工设备 第 1 版 【 M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． △ 编 辑 功 成 201 0／8 国 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m