（机械设计及理论专业论文）用于数控机床的弧面分度凸轮的设计与制造.pdf

摘要摘要弧面分度凸轮机构是由荚n ac n n e l d u t i n 于2 0 世纪2 0 年代发明的，并由其所创建的f e r g u s o n 公司首先进行了系列化、标准化生产。该机构是用于两垂直交错轴间的间歇分度步进传动。由弧面分度凸轮、从动转盘以及在从动转盘径向均布的滚子组成。由于弧面分度机构具有传动速度高、分度精度和动力学性能好、承载能力大、可靠性好等优点，所以广泛应用于各种自动机械，如烟草机械、包装机械、加工中心换刀机械手等。弧面分度凸轮机构是数控加工中心的核心部分，用于实现自动换刀机械手的精确动作。在弧面分度凸轮的加工制造方面，国外已经是成熟的技术，多是在数控机床上采用范成法加工。而国内对弧面分度凸轮加工方面b l 研究起步较晚，而且多限于普通弧面分度凸轮，对用于数控加工中心的弧面分度凸轮的研究几乎是空白。目前国内各机床厂所用弧面分度凸轮多是依赖于进口。本文在广泛收集国内、外相关资料的基础上，并与北京第一机床厂合作，就目前已知的几种加工方法进行了分析和比较，确定了用于数控加工中心的弧面分度凸轮的加工方法为：范成法和两重包络法相结合。关于弧面分度凸轮机构的运动状态，用t u r b oc 编写了运动仿真程序，通过运行仿真程序动态的观察和分析了弧面分度凸轮机构的运动和啮合状态。得到了转盘上滚子与凸轮廓面啮合的数据结果。建立弧面分度凸轮机构的坐标系，用v i s u a lc + + 编写弧面分度凸轮加工时刀具轨迹程序：运行程序输出两个结果，一是凸轮与刀具的角位移数据文件；一是动态的输出刀具的轨迹图。生成弧面分度凸轮加工的刀具模型。基于加工工艺和加工过程的分析，提出了弧面分度凸轮加工平台的设计方寨。在确定了加工方案和加工方法后，本文给出了加工弧面分度凸轮的数控机床的各项参数，并以此参数为标准向德国e m a g 公司定做专用铣磨床最后本文编写了数控加工中心用弧面分度凸轮的加工工艺。并以以上研究成果为基础，加工出了合格的弧面分度凸轮。关键词弧面分度凸轮；两重包络法：加工工艺：刀具轨迹a b s t r a c tt h eg l o b o i d a li n d e x i n gc a mm e c h a n i s m , w h i c hc o n s i s t so fad r i v i n gg l o b o i d a li n d e x i n gc & i t ta n dd r i v e nt u r r e tw i t hf o u ro rs i xc y l i n d r i c a lm i l e r sw a sf i r s t l yd e s i g n e db ya l la m e r i c a n , c n n e k l u t i n ，i n1 9 2 0 sa n dw a sm a n u f a c t u r e db yh i so w nc o m p a n yi ns e r i e sa n ds t a n d a r d t h eg l o b o i d a li n d e x i n gc a mm e c h a n i s mh a sb e e nu s i n gi nm a n yk i n d so fa u t o m a t i cm a c h i n e r y i th a sg r e a ta d v a n t a g eo v e ro t h e ri n d e x i n gm e c h a n i s m s ，s u c ha sh i g hs p e e d 、p r e c i s ei n d e xa n de x c e l l e n tk i n e t i c s t h eg l o b o i d a li n d e x i n gc a t nm e c h a n i s m w h i c hi su s e dt oa c h i e v et h ep r e c i s e l yc h a n g i n gp o s i t i o no fa t c ( a u t o m a t i ct o o lc h a n g i n g ) ，i st h em o s ti m p o r t a n tp a r to f n cm a n u f a c t u r ec e n t e r a b o u tt h em a n u t h c t u r i n go fg l o b o i d a li n d e x i n gc a m ，m a n yd e v e l o p e dc o u n t r i e s ，s u c ha sa m e r i c a 、r u s s i aa n ds w i t z e r l a n dh a v em a d eg r e a td e v e l o p m e n t t h em a i n m e t h o di sf o r m i n g - m e t h o d o nt h eo t h e rh a n d , t h er e s e a r c ho fg l o b o i d a li n d e x i n gc a n ti nc h i n ab e g a na b o u t1 9 7 0 sa n dm a i n l yf o c u s e do nt h es i m p l eg l o b o i d a li n d e x i n gc a n l t h e r e f o r e ，w ek n o wl j r i ea b o u tm a n u f a c t u r i n go ft h e舀o b o i d a li n d e x i n gc a n la n dt h e o r i e so fd e s i g n s o 陆t h eg l o b o i d a li n d e x i n gc a l t l su s e db yn cm a n u f a c t u r ec e n t e ri nc h i n aa r em a i n l yi m p o s e d i nt h i sp a p e r ，a n a l y s i sa n dc o m p a r eo ft h em a n u f a c t u r i n gm e t h o d sw a sm a d eb a s e do nt h ei n f o r m a t i o na th o m ea n da b r o a d a n dw i t ht h ec o o p e r a t i n gw i t ht h es l a i ro ft h ef i r s tm a c h i n ep l a n t ，f o u n dt h ev e r ym a n u f a c t u r i n gm e t h o do fg l o b o i d a li n d e x i n gc a i nu s e db yn cm a n u f a c t u r ec e n t e ri st h ec o m b i n a t i o no ff o r m i n g - m e t h o da n dd o u b l ee n v e l o p a ni m i t a t i o np r o g r a mw a sw r i r e n t h em o t i o na n dm e s h i n gp r o c e s so ft h eg l o b o i d a li n d e x i n gc a n lc a nb eo b s e r v e db yr u n n i n gt h ei m i t a t i o np r o g r a m m e a n w h i l e ，t h ed a t a b a s eo f t h em e s h i n go f t h er o l l e r sf i x e do nt h et u r r e ta n dt h ep r o f i l eo ft h eg l o b o i d a li n d e x i n gc a l nc a l lb eo b t a i n e d a f t e rs e t t i n gt h ec o o r d i n a t i o no fg l o b o i d a li n d e x i n gc a mm e c h a n i s m ，t h et o o lp a t hc a l lb ep r o g r a m m e d t h ep r o g r a mc a nd e v e l o pt w or e s u l t s ，o n ei saf i l eo ft h ea n g l ed i s p l a c e m e n to ft h ec a i na n dt h et o o l ；t h eo t h e ri sac a r t o o no ft h et o o lp a t h i nt h ee n d ，t o o lm o u d l i n go fm a n u f a c t u r i n go ft h eg l o b o i d a li n d e x i n gc a mw a sd e v e l o p e d b ya n a l y z i n gt e c h n i c si ia n dp r o c e s so ft h em a n u f a c t u r i n g ，t h ea u t h o rd e s i g n e dt h ep l a t f o r mf o rt h em a n u f a c t u r i n go ft h eg l o b o i d a li n d e x i n gc a n t n o w a d a y s ，a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r so f f e r e di nt h ep a p e r , t h es p e c i a lm a c h i n eh a sb e e nm a d ee m a gc o m p a n yi ng e r m a n i nt h el a s tc h a p t e r s ，t h i sp a p e rp r e s e n t e dt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s so f t h eg l o b o i d a ii n d e x i n gc a mu s e di nn cm a n u f a c t u r i n gc e n t e r ar e a lg l o b o i d a li n d e x i n gc a i nw a s m a d eu s i n ga l li n f o r m a t i o no f f e r e db yt h i sp a p e r k e yw o r d sg l o b o i d a li n d e x i n gc a m ；d o u b l ee n v e l o p ；m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ；t o o lp a t hi独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：荔堑彦日期：坦! ：! ：堕关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)繇麟翩虢蜱腻磁笪3第1 章堵论- _ e l - - _ i i - l _ _ l _ _ _ _ - _ _ - - _ _ ! _ ! _ e 目目_ _ 目_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ s _ _ _ 目_ _ e 目- _第1 章绪论1 1 弧面分度凸轮的概述1 1 1 弧面分度凸轮的发明与发展弧面分度凸轮机构是由美国人c n n e k l u t i n 于2 0 世纪2 0 年代发明的，并由其所创建的f e r g u s o n 公司首先进行了系列化标准化生产。之后，前苏联、英国、匈牙利、瑞士、日本等国也相继对弧面分度凸轮机构进行了研究，并成立有专门的生产厂家和研究机构。在弧面分度凸轮的几何学与运动学方面，英国的c j b a c l d a o u s e 首次采用微分几何与包络原理等方法对弧面分度凸轮的几何学进行了深入研究。而目前，在日本、德国、俄罗斯和瑞士等国家已实现弧面凸轮的标准化系列化生产。由于弧面分度机构具有传动速度高、分度精度和动力学性能好、承载能力大、可靠性好等优点，所以广泛应用于各种自动机械，如烟草机械、包装机械、加工中心换刀机械手等。在加工制造方面，国外和台湾地区大都采用范成法在数控机床上加工。范成法的理论和加工技术已经非常成熟。在数字化加工方面也有所探索。但可查到文献不多。国外学者在弧面分度凸轮的应用方面也开展了大量的工作。我国对弧面分度凸轮的研究起步较晚，直到2 0 世纪7 0 年气来期才开始相关的研究工作，但经过2 0 多年的努力，县前已在弧面分度凸轮的设计、检测、制造等方面取得了丰硕的成果，在弧面凸轮的制造方面，国内也都是采用范成法，另外对两重包络法、刀位补偿法和自由曲面法也做了理论研究。其中，西北科技大学( 原西北轻工业学院) 、山东轻工业学院、大连轻工业学院、天津大学、山东诸诚恒瑞精密机械有限公司、西安科达凸轮制造有限公司等高等院校和厂家都做了大量的研究，例如西北科技大学的曹西京等人研制了一种专门用于弧面凸轮磨削的数控磨头，山东轻工业学院的刘兴国开发了一种五坐标数控机床x h 7 5 6 来加工空间弧面凸轮，这种机床可以用较小的中心距来加工大中心距的弧面分度凸轮，南方航空动力机械公司从国外引进的一台五轴加工中心，并配置了行星磨削装置，可实现弧面凸轮的彳亍星磨削。但是，这些研究大多集中在普通弧面分度凸轮方面。，。，! 。：一! ! ! i 墼些垄三i 堡圭耋i 三，。，。! 一，。；，：，! 。1 1 2 弧面分度凸轮机构的基本结构p 1 6 l孤面分度凸轮是用于两垂直交错轴问的间歇分度步进传动。该机构由弧面分度凸轮、从动转盘以及在从动转盘径向均布的滚子组成，下面几个图从不同侧面图1 i 弧面分度凸轮机构的透视图与实物照片f i g 1 - ld i o r a m aa n dp h o t oo f g l o b o i d a li n d e x i n gc a mm e c h a n i s m 型鳍鹎b 壹结梅图l - 2 两种类型的弧面分度凸轮机构f i g 12t w ot y p e so f g l o b o i d a li n d e x i n gc a mm e c h a n i s m幽1 - 3a 型弧面分度凸轮机构三维图f i g i - 3t h r e e d i m e n s i o n a lp i c t u r eo f g l o b o i d a lm d e x i n gc a t l lm e c h a n i s m反映了该机构的组成。1 1 3 弧面分度凸轮机构的工作原理弧丽分度凸轮机构又称为蜗形分度凸轮机构或滚子齿形分度凸轮机( 1 9 8 8年3 月在g b 报批稿件中正式命名为弧面分度凸轮机构) ，用于两垂直交错轴问的间歇分度步进传动。该机构由弧面分度凸轮、从动转盘以及在从动转盘径向均布的滚子组成，其运动状态见图1 4 所示l “。主动凸轮1 的基体为圆弧回转体，凸轮轮廓为突脊状。从动转盛2 上装有若干个沿转盘圆剧均匀分布的滚子，滚于的轴线沿转盘的径向线。当凸轮旋转时，其分度轮廓推动滚子，使转盘分度转位，如图l 一4a ) ，b ) 所示。当凸轮转到其停歇段轮廓时，转盘上的炳个滚子跨兴在凸轮的圆环丽突脊上，使转盘停止转动如图1 - 4c ) 所示。转盘在分度期的运动规律，可按转速、负荷等工作要求进行设计，所以该机构特别适用于高速、高精度的分度场合。弧面分度凸轮有单头和多头及左旋和右旋之分，凸轮和转盘间转动方向闸的关系，可应用类似蜗轮蜗杆传动的方法来判断。a )b )c )图1 4 弧面分度凸轮机构运动状态图a ) 转盘分度期开始”转盘分度期中间c ) 转盘停歇期f i g 1 - 4m o v i n gp o s i t i o no f g l o b o i d a li n d e x i n gc a mm e c h a n i s mf i g a ) b e g i n n i n go f t h ei n d e x i n gf i g b ) i n d e x i n gs t a g ef i g ，c ) r e s t i n gs t a g e1 2 文献综述1 2 1 弧面分度凸轮设计理论就设计理论而i ，普通的平面凸轮有做图法和解析法两种方法，其理论基础是反转法。而作为空间凸轮的一种，弧面分度凸轮的设计要复杂的多，由于弧面分度凸轮的工作轮廓是空间不可展曲面，很难用普通的机械制图方法测绘，也无法展开成平面廓线的方法设计。在进行弧面分度凸轮设计时，主要的理论基础是共轭曲面理论。共轭曲面理论的原理如下：0 i 轮工作廓面和从动转盘的滚子间的共轭接触点必须满足以下基本条件p i ：( 1 ) 在共轭接触位置，两个曲面上的一对对应的共轭接触点必须霞合；( 2 ) 在共轭接触点处，两曲面间的相对运动速度必须垂直于其公法线；4第1 章绪论_ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ e _ _ _ _ - _ _ _ l l i l l i _ _ _ ii _ _ _ _ e _ _ _ 目( 3 ) 两曲面在共轭接触点处必须相切，不产生干涉，且在共轭接触点的邻域也无曲率干涉。进行弧面分度凸轮的工作曲面设计时，先建立坐标系，再根据以上三个基本条件建立啮合方程，解联立方程组即得凸轮的廓面方程。1 2 2 弧面分度凸轮加工方法综述对于弧面分度凸轮的加工制造，目前已提出的加工方法，、广义上可以分为两种，即等价加工和非等价加工。等价加工也即我们通常说的范成法【1 0 j ：是指采用与滚子从动件曲面几何特征参数一致的刀具( 即等价刀具) 按共轭运动进行凸轮轮廓的加工，其运动规律与凸轮正常使用时的运动规律相同，从而使加工后的廓面在与实际滚子啮合运动时，运动特性完全一致。非等价加工又分为两重包络法、刀位补偿法、自由曲面法。目前，这三种方法还限于理论研究和实验阶段。以下简要介绍这三种方法：两重包络法b 2 】是指用一个半径小于滚子半径的圆柱刀具来加工凸轮廓面，刀具为行星式运动，其自转是绕刀具中心高速旋转，而公转是绕滚子中心的旋转，滚子中心的摆动与凸轮的转动符合已选定的运动规律。刀位补偿法u l l 指在误差允许的范围内通过有刀位补偿的乳成法来加工，即给定刀具尺寸值、刀具补偿量、补偿方向，然后计算刀具创成曲面的表面数据，进行误差评估，不通过则返回修改刀具尺寸变化量，直到廓面评价通过。自由曲面法是指在对弧面凸轮的廓面进行计算和加工时，视廓面为由点组成的任意空间曲面，即不考虑其盥面的包络性。使用球头刀具按计算的曲面上的各个点的坐标进行加工。而针对用于数控加工中心的弧面凸轮的加工，四种加工方法相互比较，各有优缺点。但范成法的理论和实践在国外已比较成熟；国内在理论与实践的研究也比较少。另三种方法在国内外还处于理论探索和试验阶段。北京工业大学工学硕士论文i l m l l l1 2 ，3 弧面分度凸轮加工设备状况由于弧面凸轮的工作轮廓为空间不可展曲面，因此其加工比较困难。目前，国内除机械工业部定点生产厂山东诸城锻压机床厂批量生产以外，西北轻工业学院、诸城瑞华精密机械厂、天津大学、西安钟表机械厂、常州电机厂等厂家也能制造普通弧面分度口轮机构。国内对弧面凸轮的加工主要是采用范成法，所用的机床是将其他机床改造为凸轮专用加工机床。例知西北轻工业学院先后研制成功的n t _ ) k 5 0 0 l 型弧面分度凸轮专用数控立式铣床和x k 7 0 0 1 型弧面分度凸轮专用数控卧式铣床( 圈l 一5 ) ，通过调整机床两旋转轴的中心距即可实现一定尺寸范围的弧面凸轮铣削加1 1 3 , 1 。图1 - 5x k 7 0 0 1 型弧面分度凸轮专用数控卧式铣床f i g 1 - 5x k t 0 0 im i l l i n gm a c h i n eo f g l o b o i d a li n d e x i n gc a m而山东轻工业学院的刘兴国开发了一种专用五坐标数控机床x h 7 5 6 ( 图1 6 )来加工高精度空间弧面凸轮和空间圆柱凸轮，该机床除了弧面凸轮所需的a 、b旋转运动外，还有两个直线坐标x z 进行位置补偿，以保证刀具轴线始终通过理论回转中心并和摆动中心重合，这种方法可以用来加工大中心距的弧面凸轮。当加工大中心距凸轮时，刀具实际摆动中心与从动盘理论摆动中心不重合，所以，当刀具摆过b 角时，需要加工点与刀具实际加工点也不重合。这时可以使刀具按x 和z 值进行补偿，实现用小中心距的机床来加工大中心距的弧面凸轮”。上述几种加工方法都只能完成弧面凸轮的成型铣削，难以进行磨削，因此加工精度较低，西北轻工业学院的曹西京等人研制了一种精密磨削装置q m t 型6短外伸端高速气动磨头( 图1 7 ) ，装在西北轻工业学院研制的x k - 5 0 0 1 专用数控铣床上，磨具采用聚晶立方氮化硼p c b n 砂轮，对弧面分度凸轮轮廓面进行磨削，磨削后的凸轮轮廓精度已经达到0 0 0 2 m m 。分度精度已经达到7 ”bo t 。、，x图1 - 6 专用五坐标数控机床x h 7 5 6f 追1 - 6x h 7 5 6f i v ea x i sn cm a c h i n e图l 一7 高速气动磨头f i gl 一7g r i n d i n gh e a dw i t hh i # s p e e d南方航空动力机械公司从国外引进了一台五坐标数控磨床，并利用行星斗磨削工艺克服了普通磨削过程中需多次更换砂轮，并且最终的槽宽公差必须由尺寸精密的砂轮去保证的弊端。砂轮的行星运动即，砂轮在绕自身轴线旋转的同时。其轴心线还可以绕机床主轴的轴心线进行行星式的公转运动，偏心距e 可在加工前调整a 这样一来，较小直径的砂轮在行星磨削的方式下就可以获得与较大直径7北京工业大学工学硕士论文砂轮普通磨削相同的尺寸效果，粗磨一半精磨一精磨过程中只需要改变偏心量( 数控自动实现) 而不必更换砂轮。行星磨削加工效率比较低，仅在精磨时采用。1 3 弧面分度凸轮的特点和应用状况由于弧面分度机构具有传动速度高、分度精度和动力学性能好、承载能力大、可靠性好等优点，鼠以广泛应用于各种自动机械，如烟草机械、包装机械、加工中心换刀机械手等需要间歇运动的场合。而数控加工中心是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床，特别适用于加工复杂的零件。而自动换刀装置( a u t o m a t i cc h a n g et o o l s 简称a t c ) 则是保证加工中心多工序集中加工的基本条件。通常情况下，a t c 应当满足换刀时阃短、刀具重复定位精度高等基本要求，函此可以说，加工中心能否达到比一般数控机床更高效和自动化，关键之一取决于a t c 的设计。a t c ( 自动换刀装置) 的主要组成部分是刀库、机械手和驱动装置。刀库的功能是存贮加工中心所要用的各种刀具。并在数控系统的控制下，把即将要用的刀具准确地送到换刀位置。机械手的功能是完成刀具的装卸和在主轴头与刀库之间的传递。而驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的机构。此机构般有下列三种机构方式：电机液压、气液机构、凸轮机构。它们在数控系统的控制下，驱动刀库和机械手实现刀具的选择与交换。日前用于机械手驱动装置的机构主要有液压( 包括气液) 和机械式凸轮联动两种。传统的加工中心大多采用液压式自动换刀装置( a u t o m a t i c c h a n g e t o o l s简称a t c ) ，尤其是在国内，基本上还是采用和生产这种a t c ，液压式a t c 的特点是运动时有振动和噪音，动作不可靠，而且换刀时间长。而国外通常采用凸轮式a t c ，凸轮式a t c 的特点是具有结构紧凑，运动平稳，换刀速度快等优点，因而成为目前最为理想的a t c 机构。虽然凸轮式a t c 性能优越，但所用弧面分度凸轮机构的设计和制造都比较困难，国内生产的加工中心上所配的这种a t c装置，都是从国外进口的。本课题所研究的孤面分度凸轮就应用于凸轮式a t c上，课题的目的是实现数控加工中心凸轮式a t c 的国产化，从而提高国产加工中心的加工效率和加工精度。数控用弧面凸轮与普通弧面凸轮有很大的区别，普通弧面分度凸轮只有一次分度和停歇( 如图i - 9 ) ；而数控用弧面分度凸轮有多次分度和停歇。所以两者的8第1 章绪论廓面有很大区别。凸轮式a t c 用弧面凸轮的基本廓面( 如图1 8 )图l 一8 数控加工中心机械手用弧面分度凸轮f i g 1 - 8p r o f i l eo f g l o b o i d a li n d e x i n gc a mu s e di nn cm a c h i n e圈1 - 9 普通弧面分度凸轮f i g 1 - 9p r o f i l eo f s i m p l eg l o b o i d a li n d e x i n gc a m9北京3 2 业大学工学硕士论文e 自墨i ml l ii ! | e | | 目! ! 目自鲁1 4 课题的研究目的和意义目的：课题的目的是对数控加工中心凸轮式自动换刀装置( a u t o m a t i c c h a n g e t o o l s简称a t c ) 中的弧面分度凸轮进行分析和计算、加工方案的确定、加工工艺的编制、廓面的误差分析。从而实现该弧面凸轮的国产化制造。因为，凸轮式a t c与液压式a t c 相比，有许多优点：1 ) 换刀速度快。传统的液压式a t c 加工中心，其换刀时间大多为5 2 0 s ，凸轮式a t c 的刀具交换时间已达到2 s 以内，甚至达到0 8 s ：2 ) 运动误差小，可靠性高。机械式凸轮联动a t c 的动作完全由凸轮轮廓曲线决定，没有中间控制，故误差小，动作可靠；3 ) 安装调试容易，工作量小；4 ) 对周围环境无影响，而液压系统的漏油是一个很大的缺点。课题的意义：由于具有以上优点，凸轮式a t c 是用于数控加工中心的最优方案。而国内的加工中心大都采用液压式a t ，这是影响国产加工中心加工精度和效率的一个重要的原因。所以本课题的研究意义有以下凡项：1 ) 通过对用于数控加工中心的弧面分度凸轮的廓面的分析与研究，使国内对弧面凸轮的理论研究趋于完善；2 ) 通过对加工工艺的编制与计算机仿真程序的运行，为国内弧面分度凸轮的加工制造提供理论依据；3 ) 通过对该凸轮的加工制造，为国内弧面分度凸轮的加工提供实践依据；4 ) 实现用于数控加工中心的弧面凸轮的国产化，结束长期依赖进口的局面，并提高国产数控加工中心的加工精度和效率。1 5 本文的研究内容1 ) 确定需加工的凸轮的各技术参数，收集该凸轮的加工方案的资料；2 ) 汇总已知的理论或实践的加工方法，进行分析与论证，确定最佳加工方案；3 ) 对加工工艺和加工设备进行理论分析，提出加工设备的技术参数，根据加工工艺进行加工平台和装卡工具的设计；1 0第1 苹绪论4 ) 编写凸轮廓面的加工程序并就加工过程进行计算机仿真；5 ) 制定弧面分度凸轮的加工工艺形成文件。其中，工作内容中所列的后三项是本课题的工作重点，也是难点，因为：1 ) 加工设备方面，国外一般是用数控机床加工，而我国多用改造的滚齿机或铣床来加工普通弧面凸轮，对于本课题凸轮的加工有困难。项目计划由北京市第一机床厂根据我们提供的技术参数和加工方案进行设计和制造机床，用于本项目弧面分度凸轮的加工，但机床制造时间无法保证；2 ) 加工工艺方面，由于可参考的文献较少，国内研究也几乎没有，对于工艺的编写有难度；3 ) 加工工艺中对廓面的后期处理方面，国外由于使用数控机床加工，可以实现廓面磨削；而国内没有磨削设备，不能进行渗炭处理，因为渗炭变形大。通常是试装配修研后，进行渗氮处理。渗氮与渗炭的区别是，渗氮时，其渗层比较薄，抗冲击能力较差。1 6 本章小结本章简单介绍了弧面分度凸轮的发明与发展、弧面分度凸轮机构的基本结构和工作原理、当前加工方法与加工设备的现状和普通弧面分度凸轮与数控加工中心用弧面分度凸轮的区别。从而明确了本文所研究谋题的目的和意义。并提出了本文的研究内容。北京工业大学工学硕士论文第2 章士j n - r 方法的确定2 1 引言本章主要介绍弧面分度凸轮的各个技术参数和参数在凸轮设计与制造中的作用，并详细介绍目前已提出的几种弧面分度凸轮的加工方法，比较各种加工方法的优缺点，确定了用于数控加工中心的弧面分度凸轮的加工方法。2 2 弧面分度凸轮机构的主要运动参数和凸轮的几何尺寸p l弧面分度凸轮机构的运动参数主要有以下几个：凸轮的分度廓线头数h ，转盘的滚子数z ，转盘的分度数i ，凸轮分度期转角够，转盘分度期转角位移办和啮合重叠系数s 。下面分别进行说明：凸轮的分度廓线头数、转盘滚子数与转盘分度数之间的关系如下：弧面分度凸轮在结构上，类似于具有变螺旋角的弧面蜗杆，转盘相当于蜗轮，滚子相当于蜗轮的齿，所以弧面分度凸轮有单头和多头及左旋和右旋之分。凸轮分度廓线的头数主要有以下几种：单头，月一1 ：双头，h = 2 ；多头，h 3 ，但多头一般很少用。凸轮廓线如为左旋用l 表示，右旋则用r 表示，目前使用的弧面分度凸轮多为左旋。转盘转一翻中的停歇次数称为转盘的分度数i ，分度数与转盘的滚子数z 和凸轮的廓线头数h 的关系为j：兰(2-1)月凸轮与转盘在分度期和停歇期的运动参数：凸轮在分度期转角的口，在满足工作要求的条件下，一般取大一些的值对机构的运转情况是有利的。比较常用的是0 t = 2 n 3 4 ，r 3 ；而凸轮停歇期的转角吼由下式得到吼=2，_r一目，(2-2)凸轮的角位移通常用0 表示，一般情况下，凸轮是做匀速转动。转盘分度期的转位角矿，由下式计算西，：丝：一2 r a t ( 2 0 )妒，2 了2 t2 。3 而转盘在分度期任意时刻的角位移母，=s毋f(2-4)式中s 运动规律的量纲一位移另一个重要的运动参数是啮合重叠系数占，由于弧面分度凸轮机构是两个垂直交错轴间的传动，则由于制造和安装误差等影响，可能发生凸轮廓线与转盘滚子啮合中断的现象，所以必须有适当的时间使前一个滚子还没有退出啮合时，后面的另一个滚予己先期进入啮合，以保证传动连续，那么，在分度期间凸轮有两条同侧廓线同时推动两个滚子所占的时间比率加上1 定义为啮合重叠系数s ：纠十鲁c 2 式中p ，一凸轮分度期转角；吼在分度期间凸轮有两条同侧廓线同时推动两个滚子时所对应的凸轮转角。弧面分度凸轮的技术参数( 即几何尺寸) 几何图形( 图2 - 1 ) 和计算方法如下：0 ：转盘节圆半径，转盘转动轴心0 2 到滚子高度b 中点的转盘径向尺寸：_ 凸轮节圆半径，沿凸轮中心o l 与转盘转动轴线d 2 的公垂线0 。0 2 量度的d l 到o ：间的距离；c 中心距，c = 0 l 十0 2 ；( 2 6 )z 滚子数；：相邻两滚子轴线问的夹角，：塾；( 2 7 )p 滚子半径：b 滚予高度；一删顶弧面粉= 忙努小江s ，p 凸轮定位环面两侧夹角，：堡；( 2 9 )厅凸羊 难恒补回侧回长发，疗= 白+ e ；l r 2 - l u je 滚子与凸轮槽底间沿滚子高度方向的间隙，一般取p = ( o 2 o 3 弘，但至少e 5 l o m m ：d o m 凸轮定位环面外圆直径，臻= 2 c 一c 。s ( 鲁一盯) ；c 2 - t ，非盯= 眦咖d l 凸轮定位环面内圆直径，d i = 风一复c o s 昙；( 2 1 2 )l 一凸轮理论高度小t + 兰+ e ) s t n 冬；( 2 - 1 3 )卜一凸轮实际宽度，一般取l ， 铁的氮化相的硬度并不提高，即使获得含氮马氏体，其硬度也仅和含碳马氏体的最高硬度相仿。但是，渗氮能获得比渗碳淬火高的多的硬度，这一高硬度主要靠渗氮层中形成与母相共格的合金元素氮化物的沉淀强化；3 ) 渗氮层的优点是在很高的温度下仍能保持高的硬度；4 ) 钢的渗氮可以提高耐磨性：5 ) 钢渗氮后能提高抗擦伤性能。可以提高疲劳性能，注意脆性和渗氮层厚度：6 ) 工艺过程的优点，气体渗氨发展较早，理论基础和实践经验都很丰富：7 ) 就渗氮热处理工艺的设备而言，工艺设各简单，且操作方便。而渗氦热处理工艺的缺点分为两个方面，即渗氮件的缺陷和工艺过程的不足：渗氮件的缺陷：1 ) 渗氮件的变形，形成原因有二，足渗氮后渗层的比容增大；二是渗氮过程中内应力变化和重新分布引起的变形：2 ) 渗氮层的脆性和剥落，主要是由于表层氨的浓度过大引起的；3 ) 社氮层中出现网状和波纹状氮化物：4 ) 渗氮层硬度不足和出现软点：5 ) 抗腐蚀渗氮层抗腐蚀试验不合格。工艺过程的缺点：北京工业大学工学硕士论文- _ _ - ! _ _ _ - _ 目目e j ! g l e e ! i1 ) 是但传统的渗氮工艺往往易形成多孔的化合物层，且工艺过程时间很长，是最昂贵的化学热处理工艺：2 ) 软氮化的出现，使渗氮工艺的应用范围扩大到碳钢、刀具和合金钢。但是软氮化的渗层渗度较浅，否则渗层表面会出现疏松，降低使用寿命；3 ) 对液体软氮化来说，无论从提高制件的耐磨性还是提高疲劳强度都有优异的特点，但是液体软氮化所用盐有居4 毒，无论从安全生产和防止环境污染看都有很大害处，因此受到法律限制；4 ) 离予渗氮时工件几何形状对温度均匀性有很大影响，同一工件如各部位形状不同，或不同形状工件在同炉处理，常出现温度的很大差异，从而影响渗氮质量，因此离子渗氮适用于形状均匀对称的大型零件或大批量生产的单一零件。对形状复杂工件，如采用离子渗氮工艺，必须设计特殊工夹具，来改善工件表面的温度均匀性。3 。3 。2 渗碳热处理钢的渗碳是把钢件放在含有活性碳原子的介质中加热道一定的温度，在次温度保温适当时间，使表层含碳量增高的过程叫做渗碳。一般的渗碳工艺路线为：锻造一正火一机加 一一渗碳一淬火和低温回火一精加工。按介质不同可以分为固体渗碳、气体渗碳、液体渗碳三种方法。固体渗碳：是把钢件埋在装有固体渗碳剂的箱中加热而进行渗碳的一种方法。在9 2 0 度时，保温时间1 0 个小时，可使渗层厚度为o 6 - - 1 5 m m ，渗碳温度越高，保温时间越常，渗层就越厚。但是，固体渗碳生产率较低，劳动条件差，且表面层碳浓度不易控制。优点是不需要专门的设备，成本低，适用于中小厂的小批量生产。气体渗碳：是将钢件放在密闭式炉中加热，以渗碳气体来进行渗碳的方法。在9 2 0 度进行气体渗碳时，保温6 7 小时，可以获得1 l ，5 m m 厚的渗层。而且气体渗碳生产率高，劳动条件好，渗碳过程容易控制，质量稳定，便于实现机械化与自动化。还可以采用高频感应加热气体渗碳法，使渗碳时间大大缩短。液体渗碳：是把钢件放在液体介质中进行渗碳的方法。有三个组成部分：加热介质、渗碳介质和催化剂。液体渗碳的优点是速度快、效率高、加热均匀、变形小，便于直接淬火，但是成本高，不宣大批处理。2 8第3 章加工工艺分折与加工平台设计钢件在渗碳后，尽管表面为过共析层组织，但其硬度和耐磨性还远远达不到要求，必须经淬火及低温回火后才能获得所需要的性能。而辩火有三种方法：直接淬火法、一次淬火法、二次淬火法。钢的渗碳热处理法广泛应用于表层要求高硬度和耐磨性，而心部要求一定的强度和韧性的零件。如在动载荷和摩擦条件下工作的传动凸轮、传动齿轮等。钢件在经渗碳、淬火和低温回火后，钢件表面得到回火马氏体和细小、均匀的粒状碳化物，硬度约为h r c 6 0 左右，心部由回火低碳马氏体和铁素体组成，所以硬度较高，并具有较高的强度和韧性、塑性。钢的渗碳热处理法和渗氮热处理法最大的区别是，钢件渗碳后变形较大，需要精度较高的设备进行加工修形。结论：通过以上的介绍，我们了解了钢的渗氮和渗碳的区别，并比较了各自的优缺点，具体到弧面分度凸轮的热处理，考虑到凸轮的使用环境，要求有较好的动力学性能，又要承受一定的冲击力。在加工设备满足加工精度要求的情况下，我们选择渗碳热处理。而目前国内在普通弧面分度凸轮热处理上，多采用渗氮法，裉本的原因是国内没有合适的加工设备无法修正渗碳时产生的变形。3 4 机加工工艺分析首先，简要介绍一下工艺规程编制的基本概念和术语与工艺规程：工艺过程：是生产过程的一部分，指直接改变毛坯的形状、尺寸和材料性能使之成为成品的过程a 包括毛坯的制造、热处理、机械加工和产品的装配。又以下几部分组成：工序：一个工人或一组工人在一个工作地点对一个工件或同时对几个工件所连续完成的那部分工艺过程，叫工序。工步与复合工步：工步是指加工表面、切削刀具和切削用量中的转速和进给量均不变的条件下所完成的那一部分工序。一个工序可包括几个工步，也可以只包括一个工步：为了提高生产率，用几把刀同时加工几个表面的工步，成为复合工步，在工艺文件上，复合工步记为一个工步。走刀：有些表面由于余量太大，或由于其他原因，需要同一刀具在相同转速和进给量对同一个表面进行多次切削。这时刀具对工件的每一次切削成为一次走刀。北京工业大学工学硕士论文安装：工件在杌床或夹其中定位并夹紧的过程成为安装。在一个工序中，工件的加工可能只需安装一次，也可能需要安装几次。工位：为了减少工件的安装次数，在加工中常采用各种回转工作台、回转夹具或移位夹具及多轴机床。工件在一次安装中，在机床上所占有的每一个位置上所完成的那一部分工作成为工位。生产纲领：产品的年生产纲领是指由主管部门下达的生产任务，即年产量。包括备品和废品在内的年生产量成为生产纲领。生产类型：根据生产纲领的大小和产品品种的多少，就可以确定零件的生产类型。按产品投入生产的连续性，可大致分为以下三种生产类型：单件生产、大量生产、成批生产。机械加工工艺规程：机械加工工艺规程简称工艺规程，是指导施工的技术文件，是把工艺过程的有关内容，用文字以表格的形式形成工艺文件，一般应包括下列内容：零件的加工工艺路线，各个工序的具体加工内容，切削用量，工时定额以及所采用的设备和工艺装备等。机械加工工艺卡：指以工序位单位，详细说明零件的机械加工工艺过程。它是用来指导工人进行生产和帮助车间干部和技术人员掌握整个零件加工过程的一种重要文件，其内容包括零件的工艺特性( 材料、重要加工表面及其精度和表面粗糙度) 、毛坯性质、生产纲领、各道工序具体内容及要求等。关于弧面分度凸轮的加工工艺和过程( 见本章3 8 节) ，本节主要介绍和编制凸轮的机械加工工艺卡。其毛坯与外表面的加工艺为简单加工，可由锻床、普通车床和铣床来完成，此处只就弧面分度凸轮廓面的加工工艺进行分析。本文在第二章中就弧面分度凸轮的加工方法进行了比较和分析，提出了本课题凸轮的加工方法，即范成法和两重包络法相结合的方法。加工过程分为以下几步：铣一粗铣一精铣：磨一粗磨一精磨。其中铣是用范成法，而磨采用范成法和两重包络法相结合。具体的加工工艺如下( 仅就c 1 7 3 7 3 - t c 4 0 为例，从动转盘滚子直径为西3 0 r a m ) ：1 铣1 一l粗铣刀具庐2 8 r a m ；1 2粗铣刀具西2 9 5 m m 。第3 章加工工艺分析与加工平台设计皇, 。q l 2 更换刀具的夹具头。3 磨3 一l粗磨刀具西2 9 5 m m ：3 2 粗磨刀具西2 9 7 5 r a m ；3 3粗磨刀具庐2 9 9 5 r a m ：3 4精磨刀具2 9 9 8 m m ：3 5精磨刀具3 0 m m 。以上加工过程中，第一步铣采用范成法，分别用直径为一2 8 m m 和# 2 9 5 m m 的两把刀具，整个粗铣过程只更换两次刀具，既提高加工效率，又减少成本，因为可以减少刀具的库存。而第二步的磨采用范成法和两重包络法，分别用了# 2 9 5 m m 、# 2 9 7 5 r a m 、# z 9 9 5 r a m 、# 2 9 9 8 m m 、庐3 0 m m 五个直径的刀具。但刀具只有一把，只是通过刀具的行星运动，调节行星轮的偏心距，实现了上述五个直径值。即主轴的轨迹仍是范成法加工的轨迹，而砂轮绕主轴有行星运动，目的是保证加工后凸轮廓面的精度，又弥补刀具磨损产生的误差。特别注意的是，在铣和磨工序之间，有一步是更换刀具夹具，也就是说，铣和磨需要用不同的夹具头。加工时刀具与凸轮毛坯的示意图见图3 - 1 。3 5 现有加工设备的状况与分析b z 】就加工设备而言，目前已知的弧面分度凸轮的加工设备可以分为三种，一种时国内普遍使用的简单设备，多是改造的铣床或滚齿机，而且只适用于加工图1 - 9 所示的普通弧面分度凸轮。国外的加工设备分为两种，一种是专用加工机床，德国和b 本多用此类加工设备，可以加工几乎各种类型的弧面分度凸轮；而美国和俄罗斯多是使用数控机床加工弧面分度凸轮，其设备通用行很强。由于目前国内主要集中于研究普通弧面分度凸轮的廓面、结构分析、动力学分析、加工方法分析和误差分析。所以加工设备也多是针对普通弧面分度凸轮的加工设备和方法。不适用于本课题所研究凸轮的加工。关于国内外加工设备的基本情况在第一章中有论述，本章只讲述与用于数控加工中心自动授刀机械手的弧面分度凸轮有关的加工设备。基本状况如下：北京工业太学工学硕士论文图3 - 1 凸轮与刀具的不意图| j g ，3 - 1s k e t c ho f g l o b o i d a li n d e x i n gc a ma n dt o o l关于复杂弧面分度凸轮的加工设备，目前国内已知的是湖南株淑航空动力公司有一台五轴联动加工机床( 图3 2 ) ，该设备有x 、y 、z 三个方向的直线运动，又有a 、b 两