北車(chē)(大連)柴油機(jī)有限公司 (遼寧 116022) 邢文強(qiáng)

一、車(chē)銑加工中心銑凸輪

凸輪加工比其他零件如軸、盤(pán)和箱體類(lèi)零件的加工要困難得多，其加工精度也難以保證。奧地利WFL M40 數(shù)控車(chē)銑加工中心具有五軸聯(lián)動(dòng)功能(見(jiàn)圖1)，能夠完成凸輪的成形加工，加工凸輪表面粗糙度值達(dá)到Ra=1.6 μm，無(wú)需粗磨可直接精磨，其先進(jìn)的控制系統(tǒng)和編程系統(tǒng)可以加工各種形式的凸輪軸。由于這種高精度的數(shù)控加工設(shè)備近10年才在國(guó)內(nèi)機(jī)車(chē)制造業(yè)中應(yīng)用，所以在銑凸輪的過(guò)程中遇到不少問(wèn)題，通過(guò)不斷總結(jié)摸索經(jīng)驗(yàn)，這里簡(jiǎn)單介紹一些問(wèn)題的解決方法。

圖1

1.銑凸輪的工藝設(shè)計(jì)

圖2

WFL M40 數(shù)控車(chē)銑加工中心采用的是西門(mén)子840D 數(shù)控系統(tǒng)，銑凸輪選用的刀具是端面銑刀T490 FLN D063-06-22-R-13 (見(jiàn)圖2)，最終銑凸輪成形是WFL 公司在西門(mén)子840D 數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上結(jié)合機(jī)床自身特點(diǎn)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的“MILLCAM”指令。

銑凸輪即是將粗車(chē)好的凸輪軸的圓柱形的凸輪毛坯加工至只留磨削余量的凸輪形狀的過(guò)程(見(jiàn)圖3)，由于粗車(chē)好的凸輪毛坯在凸輪基圓方向上的加工余量太大，所以銑凸輪需要分粗銑凸輪和精銑凸輪兩道工步。精銑凸輪就是最終使用“MILLCAM”指令完成凸輪型線(xiàn)加工，使其達(dá)到銑凸輪的工藝要求;粗銑凸輪是將凸輪毛坯加工至使最終精銑凸輪的加工余量盡量均勻的形狀，從而保證精銑凸輪的加工質(zhì)量。所以如何完成粗銑凸輪的加工是銑凸輪工序中的關(guān)鍵。車(chē)銑加工中心總體上有3種方法能夠完成粗銑凸輪的加工。

圖3

(1)指令法:直接使用“MILLCAM”指令來(lái)完成凸輪的粗加工，如圖4 所示，這種方法能夠完全保證最終精銑凸輪的加工余量均勻，并且編程簡(jiǎn)單，但“MILLCAM”指令銑凸輪是完整的一周360°銑削，不能對(duì)凸輪進(jìn)行分段銑削，所以凸輪頂圓的很大一部分在粗銑凸輪過(guò)程中并沒(méi)有加工余量，即在這段凸輪加工中機(jī)床處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，大大降低了加工效率。所以用指令粗銑凸輪的方法不適用批量凸輪軸的加工。

(2)平面逼近法:通過(guò)銑平面的方法完成粗銑凸輪的加工，如圖5 所示，在圓周上銑的平面數(shù)量越多，凸輪實(shí)際輪廓線(xiàn)越接近理論輪廓線(xiàn)，精銑凸輪余量越均勻。但這種方法對(duì)編程人員的要求很高，每一個(gè)平面的銑削都要在畫(huà)圖軟件上計(jì)算好刀具的起始坐標(biāo)點(diǎn)及工件的旋轉(zhuǎn)角度，工作量巨大。

(3)平面、圓弧面結(jié)合銑削法:通過(guò)銑平面和圓弧面相結(jié)合的方法完成粗銑凸輪的加工，如圖6所示，這種方法主要是由三步組成(見(jiàn)圖7):刀具在完成第一段平面銑削后不動(dòng)，主軸旋轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行圓弧面的銑削，最終刀具前行進(jìn)行第二段平面的銑削。需要注意的是，這兩段平面必需在圓弧面的切線(xiàn)方向上，不然刀具在主軸旋轉(zhuǎn)銑削圓弧面時(shí)會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，引起刀具及銑削主軸的損壞。綜合考慮加工效率、編程難度及刀具壽命等因素現(xiàn)在車(chē)間選用的就是這種方法粗銑凸輪。

圖4

圖5

圖6

圖7

2.刀具Y 值的選取

如圖7 所示，在粗銑及精銑凸輪過(guò)程中，都有一段刀具不動(dòng)，通過(guò)主軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行圓弧面銑削的加工過(guò)程，這就需要注意刀具Y 值的選取，即在主軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)銑削前刀具位置的確定。通過(guò)對(duì)實(shí)際粗精銑凸輪工件的觀察檢測(cè)，Y 值大，凸輪輪廓表面截面呈凹弧形狀，中間低兩邊高;Y 值小，凸輪輪廓表面截面呈凸起形狀，中間高兩邊低(見(jiàn)圖8)，而且如果Y 值過(guò)小，刀具在主軸旋轉(zhuǎn)銑削圓弧面時(shí)會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，引起刀具及銑削主軸的損壞。

圖8

正確Y 值的大小與刀具半徑、凸輪寬度、切削深度、刀片厚度及刀片后角等都有關(guān)系，這里大概有個(gè)公式:Y=(凸輪寬度/刀具半徑) × ［(切削深度+刀片厚度)/刀片后角］。而在實(shí)際加工中，可以先選取Y=刀具半徑/2 -3 進(jìn)行試切削，根據(jù)凸輪表面輪廓形狀再調(diào)整Y 值，最多試切削3 次就可以得到正確的Y 值。需要注意的是，如果凸輪寬度大于刀具半徑的3/4，那么不論怎么調(diào)整Y 值都得不到平整的凸輪表面，這時(shí)需要考慮換刀具了，或者在此凸輪寬度上對(duì)凸輪進(jìn)行多次銑削。

3.“鏡像”的選擇

在實(shí)際加工凸輪軸的過(guò)程中，由于裝夾方向的不同、凸輪倒角的需要或者刀具在機(jī)床里的干涉等問(wèn)題，凸輪軸在裝夾到車(chē)銑加工中心上后，凸輪升程起始點(diǎn)的方向會(huì)不同，這就涉及到“MILLCAM”指令中“鏡像”的選擇(見(jiàn)圖9)。

圖9

4.油泵凸輪凹腹曲線(xiàn)的加工

為了滿(mǎn)足嚴(yán)格的排放要求以及改善柴油機(jī)燃燒質(zhì)量，凸輪軸噴油泵凸輪設(shè)計(jì)時(shí)一般都帶有一段凹腹曲線(xiàn)，但車(chē)銑加工中心“MILLCAM”指令配合端面銑刀實(shí)際上是加工不出來(lái)這段凹腹曲線(xiàn)的，當(dāng)程序走到凹腹曲線(xiàn)時(shí)會(huì)主軸會(huì)有一個(gè)和切削方向相反的小轉(zhuǎn)動(dòng)，將導(dǎo)致刀具后角碰撞到工件上，引起刀具及銑削主軸的損壞。所以在加工帶有凹腹曲線(xiàn)的油泵凸輪時(shí)，要使用畫(huà)圖軟件先將這段凹腹曲線(xiàn)的兩端用直線(xiàn)連接，按直線(xiàn)來(lái)反算出這段的凸輪升程，用算出的凸輪升程代替原來(lái)程序里的這段，這樣就能用“MILLCAM”指令完成油泵凸輪的加工，加工出的凸輪原來(lái)凹腹曲線(xiàn)部分將被直線(xiàn)代替。如果用直線(xiàn)代替的凹腹曲線(xiàn)的曲率半徑R ＞150 mm，則磨削留量比原來(lái)不會(huì)超過(guò)0.2 mm，就不用再進(jìn)行加工;如果R ＜150 mm，則需要用圓弧插補(bǔ)程序?qū)Π几骨€(xiàn)部分在凸輪寬度方向上進(jìn)行多次銑削。

二、數(shù)控凸輪軸磨床磨削凸輪

KOPP SN320 數(shù)控凸輪磨床(見(jiàn)圖10)采用的是西門(mén)子840D 數(shù)控系統(tǒng)，用數(shù)控凸輪軸磨床磨削凸輪，不需要制造靠模，它是一種數(shù)字運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的過(guò)程，可以隨時(shí)加工各種不同的凸輪輪廓曲線(xiàn)，縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和研制過(guò)程，降低新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)費(fèi)用。這里簡(jiǎn)單介紹一些在磨凸輪的過(guò)程中遇到問(wèn)題的解決方法。

圖10

1.砂輪直徑的選取

凸輪軸噴油泵凸輪設(shè)計(jì)時(shí)都帶有一段凹腹曲線(xiàn)，所以選取磨削凸輪的砂輪時(shí)，砂輪直徑要比油泵凸輪凹腹曲線(xiàn)曲率半徑小才能完成凸輪的磨削，并且通過(guò)對(duì)多種凸輪進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果顯示，選取的砂輪半徑要比凸輪凹腹曲線(xiàn)曲率半徑至少小15%才能保證磨削凸輪的精度。

2.“撥盤(pán)”誤差的消除

數(shù)控凸輪磨床通過(guò)“撥盤(pán)”驅(qū)動(dòng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行磨削(見(jiàn)圖11)，而“撥盤(pán)”另一個(gè)重要的作用是把數(shù)控凸輪磨床的基準(zhǔn)零點(diǎn)傳遞到凸輪軸的法蘭定位孔上，最終保證凸輪與法蘭定位孔間的相位角度符合圖樣要求，但是這種基準(zhǔn)的傳遞總是有誤差的，消除這個(gè)誤差的方法是每次對(duì)磨削的新凸輪軸進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)結(jié)果計(jì)算得到“撥盤(pán)”誤差的大小，將其在程序中消除。

圖11

3.“鏡像”的選擇

和車(chē)銑加工中心相同，凸輪軸在裝夾到數(shù)控凸輪磨床上，凸輪升程起始點(diǎn)的方向會(huì)不同，這涉及到數(shù)控凸輪磨床在編程中“鏡像”的選擇(見(jiàn)圖12)。

圖12

三、結(jié)語(yǔ)

本文概述的是應(yīng)用車(chē)銑加工中心銑凸輪和數(shù)控凸輪磨床磨凸輪過(guò)程中遇到的一些問(wèn)題的解決方法。隨著科技的進(jìn)步，鐵路機(jī)車(chē)向高速、重載、經(jīng)濟(jì)和低污染方向發(fā)展以及出口機(jī)車(chē)的不斷增加，凸輪曲線(xiàn)越來(lái)越復(fù)雜，曲線(xiàn)更新速度也越來(lái)越快，將會(huì)應(yīng)用更多更先進(jìn)的數(shù)控設(shè)備來(lái)加工凸輪軸，在加工過(guò)程中也一定不會(huì)一帆風(fēng)順，只要踏實(shí)地工作，認(rèn)真地鉆研，就一定會(huì)解決加工中遇到的所有問(wèn)題。