陳濤

紐龍船舶動力（阜南）有限公司 安徽阜陽 236300

1 序言

平面凸輪型面的精密加工，最理想的工藝方案為數(shù)控機床銑削，尤其是帶數(shù)控旋轉(zhuǎn)軸（A軸或B軸）的數(shù)控加工中心加工最為合適。大功率船用低速柴油機零件均為小批量多品種類型，NC加工中心設(shè)備的資金投入較大，單為此零件新置多軸加工功能NC機床投入產(chǎn)出比不理想。普通立式升降臺銑床為大多數(shù)傳統(tǒng)機械加工車間標(biāo)配的生產(chǎn)設(shè)備，充分發(fā)揮現(xiàn)有機床設(shè)備條件的加工功能，并形成低成本投入與高效產(chǎn)出是車間技術(shù)人員的工藝研究目標(biāo)?；钊矫嫱馆啚閷?dǎo)桿運動的導(dǎo)程面，精密度高，銑削加工過程涉及直線軸與旋轉(zhuǎn)軸成一定比例關(guān)系的聯(lián)動加工，在非數(shù)控機床上銑削加工具有一定的難度?；钊矫嫱馆喌膶?dǎo)程小，即短的直線距離要形成大角度的旋轉(zhuǎn)運動，需要利用普通立式銑床功能，研究出一套新穎且成熟的直線軸與旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動加工工藝方案[1]，探索平面凸輪類零件加工工藝以及齒輪應(yīng)用技術(shù)，以保證零件加工質(zhì)量。

2 銑床與分度頭配掛齒輪的應(yīng)用

普通立式銑床與分度頭配掛齒輪加工應(yīng)用如圖1所示。圖1a所示X53K普通立式升降臺銑床縱向進給絲杠螺距P=6mm。FW250萬能分度頭定數(shù)為40，配備標(biāo)準(zhǔn)的可用齒輪庫，可供選擇齒輪齒數(shù)z為25、30、35、40、50、60、70、80、90和100[2]。立式銑床縱向絲杠軸一端安裝主驅(qū)動齒輪，分度頭尾側(cè)安裝從動齒輪，在主驅(qū)動齒輪與從動齒輪之間配掛相應(yīng)傳動比的齒輪組，齒輪組在調(diào)整到合適的嚙合間隙后，以鎖緊在分度頭尾側(cè)的支架固定。安裝完成后，立式銑床縱向絲杠驅(qū)動工作臺縱向進給，同時與縱向絲杠一體的主驅(qū)動齒輪通過相應(yīng)傳動比的齒輪組傳遞相應(yīng)旋轉(zhuǎn)運動給分度頭，分度頭夾持的回轉(zhuǎn)類零件做相應(yīng)旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)直線軸與旋轉(zhuǎn)軸的同步聯(lián)動加工。

圖1 普通立式銑床與分度頭配掛齒輪加工應(yīng)用示意

3 活塞零件平面凸輪導(dǎo)程面

船用大功率低速柴油機排氣閥組件中空氣缸腔內(nèi)氣缸活塞是一個精密運動件，活塞受氣缸壓力作用旋轉(zhuǎn)上升或下降，活塞端面的凸輪導(dǎo)程面驅(qū)動與之接觸的導(dǎo)桿運動，活塞的旋轉(zhuǎn)角度與上下運動距離的精確度對排氣定時等功能至關(guān)重要?；钊矫嫱馆喌膶?dǎo)程面（0°～144.3°）加工尺寸要求如圖2所示。平面凸輪是以R60mm內(nèi)圓及R70mm外圓的端面圓環(huán)凸臺形式，自0°順時針螺旋上升（以R65mm周線展開，上升角度1.75°），至144.3°時上升高度5mm后凸輪面結(jié)束，凸輪面表面粗糙度值Ra=3.2μm。零件材質(zhì)為QT400。

圖2 某機型活塞平面凸輪面尺寸

4 凸輪導(dǎo)程面的加工

4.1 工序準(zhǔn)備

活塞凸輪面銑削工序前的車削工藝尺寸要求如圖3所示，車削工藝本文不做介紹。

圖3 活塞凸輪面銑削工序前的車削工藝尺寸要求

4.2 配掛齒輪的計算選擇

（1）凸輪導(dǎo)程L計算 凸輪面螺旋360°對應(yīng)軸向上升的高度距離為凸輪導(dǎo)程L。根據(jù)圖2c導(dǎo)程面展開圖尺寸，0°～144.3°凸輪面上升h=5mm，以此計算凸輪導(dǎo)程L。由5/L＝144.3/360，可得L＝12.474（mm）。

（2）傳動比i計算 傳動比計算公式[2]為

式中，i為傳動比；40為分度頭定數(shù)；t為機床縱向絲杠螺距（mm），X53K立式銑床t一般為6mm；L為凸輪導(dǎo)程（mm）。

根據(jù)式（1），計算可得i＝40×6/12.474≈19.24。

（3）齒輪齒數(shù)推算 根據(jù)FW250分度頭配備的可選齒輪齒數(shù)，以及傳動比的要求，按常規(guī)的2組（直接傳動關(guān)聯(lián)的主、從動齒輪各1件為1組）4個齒輪配置無法滿足傳動比19.24的要求。根據(jù)安裝空間與支架固定條件，選擇配置3組6個齒輪，齒輪傳動比計算公式[3]為

式中，I為齒輪傳動比；z1、z3、z5分別為各主動掛輪齒數(shù)，優(yōu)先從分度頭標(biāo)準(zhǔn)配置齒輪齒數(shù)中選擇；z2、z4、z6分別為各從動掛輪齒數(shù)，優(yōu)先從分度頭標(biāo)準(zhǔn)配置齒輪齒數(shù)中選擇。

根據(jù)式（2），可得3組6個齒輪齒數(shù)分配的傳動比I＝90×80×70/（35×30×25）＝19.2，接近由凸輪導(dǎo)程計算出的傳動比i（19.24）。

4.3 誤差驗證

由齒輪齒數(shù)條件選擇而設(shè)計的傳動比I＝19.2，利用式（1）推導(dǎo)計算出假設(shè)導(dǎo)程L＝40×6/19.2＝12.5（mm），再根據(jù)零件凸輪導(dǎo)程面角度144.3°，反向計算凸輪導(dǎo)程面假設(shè)升高h(yuǎn)＝144.3×12.5/360＝5.01（mm），與圖樣要求尺寸5mm誤差為0.01mm，符合零件尺寸公差允許要求。

4.4 實踐應(yīng)用

活塞平面凸輪銑削在分度頭上裝夾時，分度頭自定心卡盤夾持工藝心軸并校調(diào)心軸回轉(zhuǎn)同心度誤差≤0.01mm，以活塞內(nèi)孔與工藝心軸定位活塞，利用工藝心軸端部的螺紋孔，用拉桿螺栓和壓板墊圈裝夾緊固活塞，用百分表校檢活塞回轉(zhuǎn)跳動量。

活塞凸輪面銑削配掛齒輪如圖4所示，機床縱向絲杠端安裝主驅(qū)動齒輪Z1、Z2于固定支架，Z2為Z1的從動齒輪，Z3與Z2為同軸同步齒輪，Z3驅(qū)動Z4、Z5與Z4為同軸同步齒輪，Z5驅(qū)動配掛于分度頭尾側(cè)的Z6齒輪（即驅(qū)動分度頭掛輪軸），最終形成分度頭夾持零件旋轉(zhuǎn)運動與機床縱向進給運動的導(dǎo)程比率關(guān)系，即機床縱向移動距離12.5mm，活塞同步旋轉(zhuǎn)360°；機床縱向移動距離5.01mm，活塞同步旋轉(zhuǎn)144.3°。

銑削刀具選φ20mm高速鋼立銑刀，切削參數(shù)為切削速度vc＝23.55m/min，主軸轉(zhuǎn)速n＝375r/min，進給量f＝0.1mm/r。找正立銑刀軸心線與活塞中心線重合，利用立銑刀側(cè)刃在凸輪導(dǎo)程面的最底端（－5mm處），撥動機床縱向進給桿向右，即起動活塞平面凸輪銑削的直線軸與旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動加工。工序分粗加工、半精加工及精加工，立銑刀落刀起始點以導(dǎo)程面徑向0°位置，并規(guī)劃導(dǎo)程面軸向位置－3.5mm（留余量1.5mm）、－4.8mm（留余量0.2mm）和－5mm，共3個工步銑削加工。每一工步銑削完成后，銑刀軸向退刀至安全位置，機床縱向進給反向回到上一工步起始位置，考慮齒輪間隙的反向誤差，每次反向回刀超出起始位置約1圈后，再正向回到起始位置后拉開分度頭搖柄插針（分度頭旋轉(zhuǎn)運動脫開配掛齒輪的約束，即脫開與機床工作臺縱向進給的聯(lián)動約束），機床縱向手搖進給相應(yīng)切削量后，再插入插針聯(lián)動約束齒輪，刀具下刀至合適位置后，重復(fù)上一步的聯(lián)動加工過程，直至凸輪導(dǎo)程面加工至成品尺寸。

5 結(jié)束語

普通立式升降臺銑床與分度頭配掛齒輪銑削活塞凸輪面的加工應(yīng)用，成功解決了MAN ES專利型主機如420mm、460mm等缸徑船用低速大功率柴油機排氣閥氣缸活塞平面凸輪的加工問題，充分利用車間現(xiàn)有普通機床的加工能力，降低了生產(chǎn)設(shè)備成本的投入，車間生產(chǎn)組織靈活性增強，并獲得了很好的產(chǎn)品質(zhì)量與較高的產(chǎn)出效率，同時為類似零件采用普通銑床配掛齒輪進行快捷加工提供了借鑒。

專家點評

平面凸輪型面的精密加工，采用多軸數(shù)控加工中心最為合適，但新購置設(shè)備資金投入較大。普通立式升降臺銑床為傳統(tǒng)機械加工設(shè)備，通過分度頭配掛齒輪實現(xiàn)直線軸與旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動功能，可以充分發(fā)揮現(xiàn)有機床設(shè)備條件，擴大加工范圍，并實現(xiàn)低成本投入與高效率產(chǎn)出。

文章的亮點是銑床分度頭配掛齒輪聯(lián)動加工凸輪導(dǎo)程面的技術(shù)應(yīng)用。因地制宜、靈活運用是工藝創(chuàng)新的基礎(chǔ)，低成本、高產(chǎn)出是工藝人員追求的目標(biāo)。通過擴展普通銑床功能，實現(xiàn)直線軸與旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動，研究出一套新穎且成熟的直線軸與旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動的導(dǎo)程面銑削加工方案，可以為類似小批量多品種零件的加工提供借鑒。