圆柱凸轮加工方法及应用.pdf

西 南 交 通 大 学 本科毕业设计 论文 圆柱凸轮加工方法及应用 年 级 2005 级 学 号 20055355 姓 名 商飞 专 业 制造工程 指导老师 彭新宇 2009 年 6 月 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 页 院 系 机械工程学院 专 业 制造工程 年 级 2005 级 姓 名 商飞 题 目 圆柱凸轮加工方法及应用 指导教师 评 语 指导教师 签章 评 阅 人 评 语 评 阅 人 签章 成 绩 答辩委员会主任 签章 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 页 毕 业 设 计 论 文 任 务 书 毕 业 设 计 论 文 任 务 书 班 级 2005 制造工程一班 学生姓名 商飞 学 号 20055355 发题日期 2009 年 3 月 5 日 完成日期 2009年 6 月 15 日 题 目 圆柱凸轮加工方法及应用 1 本论文的目的 意义 空间凸轮是空间凸轮机构中的关键零件 其传统方法加工难度大 周期长 加工精度低 对操作工人技术水平要求 高 本文研究了采用 CAD CAM 技术采用数控机床进行空间凸轮加工的方法 讨论整个加工工艺过程的决策 并采用 UG CAM 技术针对具体凸轮的重要加工 工序完成了加工程序和刀路仿真 并针对该重要工序设计夹具 通过对本课 题的研究 能让学生深刻理解当前进行此类产品进行加工工艺决策的理论 有助于将其在几年大学所学习知识与实践结合并得到综合运用 使其初步具 备从事技术和科研工作的能力 2 学生应完成的任务 收集并吸收关于此类产品的加工工艺决策理论的 资料 深刻理解基于 CAD CAM 的数控编程技术 将二者有机的结合在一起并 运用于空间凸轮重要工序的加工程序编制并设计夹具 提供NC程序及电子或 纸质夹具图 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 页 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 页 3 论文各部分内容及时间分配 共 15 周 第一部分 收集资料 吸收消化 3 周 第二部分 确定技术路线 整理论文思路 1 周 第三部分 完成论文初稿 6 周 第四部分 修改论文 1 周 第五部分 定稿及其他 1 周 评阅及答辩 周 备 注 指导教师 年 月 日 审 批 人 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 页 摘 要 圆柱凸轮机构是一种用于高速间歇分度的空间凸轮机构 圆柱凸轮轮廓面与分度 盘上均布的圆柱滚子共轭啮合 圆柱凸轮机构与平面凸轮机构相比 具有体积小 结 构紧凑 刚性好 运转可靠 传动转矩大等优点 与传统的间歇机构如棘轮机构 槽 轮机构等相比 具有分度精度高 动力学性能好等优点 目前已广泛用于包装机械 罐装机械等自动机械中 圆柱凸轮轮廓面属于空间复杂曲面 它的加工品质的高低直 接影响圆柱分度凸轮机构的性能 圆柱凸轮槽曲线的加工较为复杂 过去通常采用手 工描点 拟合轮廓 铣床粗铣和手工精锉等方法加工 不仅难度大 周期长 且加工后 零件精度低 可靠性差 已难以满足对加工效率和精度的要求 本文以等速圆柱凸轮为研究对象 通过一个圆柱凸轮实例 根据机械原理计算凸 轮轮槽曲线表达式 经过数学分析建立 UG 表达式 运用 UG 软件的功能建立三维实体 模型 按照圆柱凸轮的用途及要求讨论整个加工工艺过程的决策 设计重要加工工序 的装夹方式 并使用 AUTOCAD 绘制装配图 采用 UG CAM 技术针对具体凸轮的重要加 工工序完成加工程序和刀路仿真 分别使用曲线驱动与曲面驱动两种方式加工凸轮 槽 对于精度要求不高的圆柱凸轮精加工可以采用曲线驱动方式等径加工 即刀具直 径与槽宽相等 精度要求高的圆柱凸轮精加工采用非等径加工 后处理生成机床可 以直接使用的 NC 代码 关键词 圆柱凸轮 数控加工 UG CAM 工艺 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 V V 页 Abstract Cylindrical cam is a kind of space cam mechanism that used in high speed interval toe index The outline of cylindrical conjugate meshed Compared with planar cam cylindrical cam has such advantages smaller volume compact structure stronger rigidity trusted dependability and so on then compared to the traditional intermittence mechanism take ratchet wheel mechanism and scored pulley for examples the cylindrical cam is special at high degrees and precision altogether with superior dynamics performace Nowadays cylindrical cams have been widely used in fields range from packing machinery to can packed machinery as well as automatic machineries Flatness of cam contour are such complex space curved surface the processing quality of them are strightly influence on the cylindrical cam s function As the technology of the round about is rather complex In the past time we usually adopt the method such as handwork point dot fitting outline rough shinning on milling machine and handwork exact shinning but such would take rather hard time and long cycle what s more the products precision and reliability stays at a low level that can hardly meet our meets In this paper we took cylindrical cam as our object of study choose the cam for example according to the basic calculate expression of principle of machinery on cylindrical cam Then through the mathematical analysis found the UG expression take use of the soft ware UG set up the three dimensional full scale model We discuss the case about slove working technology course on the cam of course it should according the useage of the cam We design the key steps of the working on clamping then use AUTOCAD software to draw the installation diameter We adopt the UG CAM system to do the emulation on the detail kep steps of the working coure on cam s course In the course we take both curved shape driving and curved surface driving ways to work on cam manger To those working on cams not very at a high precision we could take way of curved shape drving equal diameter To those working insist a high precision we could take way of none equal diameter in the after treatment generate machine tool we strightly use the NC code key wordskey words Cylindrical cam NC machining UG CAM Technology 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 VIVI 页 目 录 摘 要 ABSTRACT V 第 1 章 绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 凸轮机构的分类及凸轮廓面加工方法研究概况 3 1 2 1 凸轮机构的分类 3 1 2 2 凸轮廓面加工方法研究概况 4 1 3 本文研究的主要内容 6 第 2 章 三维模型建立 7 2 1 圆柱凸轮参数 7 2 2 数学模型的建立 7 2 3 推导 UG表达式 7 2 4 生成凸轮轮廓曲线和凸轮实体 9 第 3 章 数控加工工艺 12 3 1 圆柱凸轮的加工工艺分析 12 3 2 凸轮材料及热处理 13 3 3 圆柱凸轮的加工工艺过程 14 3 3 1 数控加工设备 14 3 3 2 工装设计 14 3 3 3 工序设计和加工参数选择 18 3 3 4 走刀方式 18 3 3 UG加工 20 3 3 1 曲线驱动方式 20 3 3 2 曲面驱动方式 25 结论 30 致谢 31 参考文献 32 附录 1 曲线驱动方式加工代码 33 附录 2 曲面驱动方式加工代码 47 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 1 1 页 第 1 章 绪论 1 1 课题背景 凸轮机构与齿轮机构和连杆机构等都是机械传动的常用机构 凸轮机构或包含 凸轮机构的组合机构可以实现几乎所有简单的 复杂的重复性机械动作 因此凸轮 机构是机械化 自动化生产设备中的关键零部件 凸轮机构由凸轮 从动件或从动 件系统 机架等组成 一般情况下 凸轮做匀速回转运动 从动件做预期的输出运 动 凸轮机构具有结构紧凑 性能可靠 传动扭矩大等诸多优点 在纺织机械 烟 草机械 玻璃机械 包装机械 农业机械 印刷机械 数控机床 加工中心 自动 办公设备 自动化仪表 电子元件自动加工机械 服装加工机械以及其他各种轻工 自动机械领域应用十分普遍 它们在实现间歇运动 分度运动 较大升程运动要求 及其它复杂运动要求方面具有很强的适应性 图 1 1 1 2 1 3 所示是比较典型的凸轮零件的应用 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 2 2 页 凸轮机构之所以能在上述自动机械中获得如此广泛的应用 是因为它兼有传动 导向及控制机构的各种功能 当凸轮机构用作传动机构时 可以产生复杂的运动规 律包括变速范围较大的非等速运动 乃至暂时停留或各种步进运动 凸轮机构也适 宜于用作导向机构 使工作机构产生复杂的运动轨迹 当凸轮机构用作控制机构时 可以控制执行机构的自动工作循环 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 3 3 页 1 2 凸轮机构的分类及凸轮廓面加工方法研究概况 1 2 1 凸轮机构的分类 凸轮机构可以按照输入 输出运动的类型 从动件形状 从动件安装位置和凸 轮形状来对凸轮机构进行分类 1 按输入一输出运动类型分类 1 回转凸轮与直动式从动件机构 2 回转凸轮与摆动式从动件机构 3 移动凸轮与直动式从动件机构 4 固定凸轮与直动式从动件机构 5 固定凸轮与摆动式从动件机构 2 按从动件形状分类 1 尖端从动件 2 滚子从动件 3 平底从动件或倾斜的平底从动件 4 球面从动件 3 按从动件的安装位置分类 1 对心从动件 从动件的中心线通过凸轮轴的中心线 2 偏置从动件 从动件的中心线不通过凸轮轴的中心线 它们之间的距离就是 偏心距 由于偏置使从动件上的侧向受力减小 4 按凸轮形状分类 1 直线移动平板式凸轮 2 径向盘形凸轮 3 圆柱凸轮及桶状或锥形凸轮 4 球形凸轮 5 端面凸轮 6 三维空间凸轮 本课题主要研究圆柱凸轮 圆柱凸轮是在圆柱体的表面上开有槽沟 或是端面 具有特定的形状 圆柱体绕本身轴线回转 但其曲面不是在半径方向变化 而是在 轴向方向上变化 从而使从动件作摆动或沿其轴线方向作直线运动 圆柱凸轮属空 间凸轮的一种 其基体呈圆柱状 分为槽形和突缘形 脊形 两种 圆柱凸轮机构是 一种用于高速间歇分度的空间凸轮机构 圆柱凸轮廓面与分度盘上均布的圆柱滚子 共轭啮合 圆柱凸轮机构与平面凸轮机构相比 具有体积小 结构紧凑 刚性好 运转可靠 传动转矩大等优点 与传统的间歇机构如棘轮机构 槽轮机构等相比 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 4 4 页 具有分度精度高 动力学性能好等优点 目前已广泛用于包装机械 罐装机械等自 动机械中 它们在实现间隙分度运动 较大运动升程方面具有很强的适应性 圆柱 凸轮的种类很多 按从动件的形状可分为圆柱滚子和圆锥滚子圆柱凸轮两种 圆柱 凸轮还有移动从动件和摆动从动件之分 1 2 2 凸轮廓面加工方法研究概况 凸轮加工的关键是型面加工 加工凸轮型面的方法可分为两类 一类是用手工 机床挂轮和数控机床等直接加工 另一类是用仿形法间接加工 仿形法生产率高 适于成批大量生产 由于按靠模仿形时 靠模的制造误差和仿形过程的误差 都会 影响到工件加工精度 所以凸轮的直接加工法一般要比间接加工法容易控制加工精 度 生产率一般较低 多用于单件 小批生产 但数控机床加工也用于中批生产 凸轮加工的关键是型面加工 加工凸轮型面的方法可分为两类 一类是用手工 机 床挂轮和数控机床等直接加工 另一类是用仿形法间接加工 一 直接加工法 1 按划线加工 按划线加工是指加工好凸轮基准面后 由钳工划出凸轮工作 型面线 然后按线粗铣或钻孔后锯开 最后由钳工修挫成形 用金属板划线后按线 检验 此法生产率低 只适宜单件生产精度较低的凸轮 2 在铣床上用分度头及挂轮铣 凸轮工作型面为阿基米德螺旋线和渐开线 时 可在铣床上利用分度头和挂轮铣削 如图 1 4 所示 加工时 工件装在分度头 上 并与水平线倾斜 角 工作台由丝杠挂轮传动 随着分度头的旋转 分度头与 工作台带动凸轮坯逐渐向铣刀靠近 从而铣出各种型面曲线 分度头主轴倾斜角是 为了确定挂轮齿数时便于计算和利用一套挂轮铣出多种曲线而设的 这种凸轮型面 加工方法因受传动精度等影响 型面精度不很高 主要用于不淬硬凸轮的加工和型 面磨削前的预加工 3 用数控机床加工 随着数控机床的日益发展和普及 中小批量凸轮越来越 多地利用数控机床进行加工 在数控机床上加工凸轮型面时 先根据凸轮型面的参 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 5 5 页 数编制程序 输入到数控装置中 控制机床的纵横进给运动 完成凸轮型面的自动 加工 其精度和可靠性大为提高 二 仿型加工法 仿型加工法也叫复制加工 它是按靠模或样板凸轮的原型加工 广泛应用 于凸轮的中批及大批生产中 属于仿形法加工的有 靠模车削 仿形铣削和仿形磨削 现代的凸轮仿形 法加工 多用液压仿形铣床 光电跟踪仿形铣床和伤形磨床等加工 1 靠模车凸轮 在普通车床上 利用仿形装置可以加工具有封闭轮廓的 盘形和圆柱形的凸轮 如图 1 5 所示 图中在普通车床上安装了带有滚子的靠模装置 通过靠模 2 把凸轮工作表 面尺寸转换到刀具的运动上去 横拖板上的滚子 3 借助于弹簧的作用始终保持与靠 模接触 切削时纵向进给自动 或手动 进行 而横向进给由靠模控制 从而加上出 成型工作表面 2 仿形铣凸轮 利用靠模夹具铣削凸轮的工作情况可参见图 1 6 机械式仿形加工凸轮时 靠模磨损快 加工精度低 现代的仿形铣 床 采用液压或电液仿形系统 光电跟踪仿形系统等 采用液压或电液仿形铣床时 由于靠模所受压力极小 使用寿命长 因而可以采用铸铁 铝合金 木材 石膏等 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 6 6 页 容易加工的材料制造 采用光电跟踪仿形时 由于光电系统可跟踪白色背景上的黑 线 工艺人员只需绘制凸轮的轮廓图 就可按图进行轮廓仿形加工 3 仿形磨削凸轮 仿形磨削用于加工凸轮型面已淬硬且粗糙度 要求小 轮廓功线的向径精度要求较高的凸轮 仿形磨削可在通用机床上安装仿形装置和磨头进行加工 亦可 在专门的仿形磨床上加工 它们的构造与工作原理基本上与仿形铣削相同 使用数控机床加工凸轮目前渐渐增多 是一种较新的加工方 法 三 用专用靠模 专用夹具枉普通立铣床上铣削 在立铣床上松开刀架横向进给的螺丝 靠配通产生的力迫使滚于一直靠紧靠 模 这种方法在工厂既没靠模铣床 又没有数控机床的条件下而生产批量又较大 的场合下使用 四 在万能铣床上加工 从动杆作匀速运动的凸轮 盘状凸轮的轮廓曲线是阿基米德螺线 圆柱凸轮 的槽展开图为一斜直线 这两种凸轮的轮廓曲线可以在万能铣床上加工 只要计 算好配换齿轮 刀具即能按上述曲线运动 加工比较方便 1 3 本文研究的主要内容 空间凸轮是空间凸轮机构中的关键零件 圆柱凸轮槽曲线的加工较为复杂 过 去通常采用手工描点 拟合轮廓 铣床粗铣和手工精锉等方法加工 不仅难度大 周期长 且加工后零件精度低 可靠性差 已难以满足对加工效率和精度的要求 当 圆柱凸轮槽宽度不大时 可以找到相应直径的立铣刀沿槽腔中心线进行加工 比较 容易加工出符合上述要求的圆柱凸轮槽 由于这种方法有太多的局限性 给实际铣 削加工带来许多困难 一是一旦找不到与槽宽尺寸相等的标准刀具时 就必须对刀 具进行改制 对于槽宽尺寸较大的圆柱凸轮槽 很难找到直径与槽宽相等的标准刀 具 即使有相应的刀具 还要考虑机床主轴输出功率及主轴和工装夹具刚度的限制 特别是机床主轴结构对刀具的限制 二是凸轮槽的表面质量和尺寸精度不易控制 三是实际加工过程中很难实现宽槽的加工 将 CAD CAM 技术应用于圆柱凸轮的数 控编程加工 能有效提高产品的制造精度和加工效率 本文研究采用 CAD CAM 技术 采用数控机床进行空间凸轮加工的方法 讨论整个加工工艺过程的决策 并采用 UG CAM 技术针对具体凸轮的重要加工工序完成了加工程序和刀路仿真 通过对本课 题的研究 能深刻理解当前进行此类产品进行加工工艺决策的理论 有助于将几年 大学所学习知识与实践结合并得到综合运用 初步具备从事技术和科研工作的能 力 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 7 7 页 第 2 章 三维模型建立 2 1 圆柱凸轮参数 圆柱半径 r 0 50mm 圆柱高 H 100mm 从动件行程 h 40mm 曲线槽宽 b 16mm 槽深 v 16mm 凸轮中心孔直径 50mm 键槽宽 8mm 深度 4mm 已知推杆 的运动规律为 1 当凸轮转过 1 2 0 时从动件按余弦加速度运动规律推程 h 2 凸轮再转 6 0 时从动件停止不动 3 凸轮又转过 1 2 0 时从动件按余弦加速度运动规律回程 h 4 最后凸轮转过 6 0 时从动件又停止不动 根据以上条件设计凸轮的实际轮廓曲线 并生成凸轮的三维实体 2 2 数学模型的建立 根据机械原理知识 圆柱凸轮理论轮廓曲线参数方程为 x rcos j 0 y rsin j 0 z s 式中 x y z 表示曲线上任意点坐标 s 表示升程 r表示基圆半径 j 表示凸 轮的转角 由此看来 绘制凸轮理论轮廓曲线的关键是计算升程 s 0 根据运动特性 各段升程计算如下 1 推程阶段 推程运动角 a n g l e l 1 2 0 行程 s h 2 1 c o s l 8 0 t 2 远休止阶段 远休止角 a n g l e 2 6 0 行程 s h 2 1 c o s l 8 0 h 3 回程阶段 回程运动角 a n g l e 3 1 2 0 行程 s h 2 1 cos 1 8 0 t 1 8 0 4 近休止阶段 近休止角 a n g l e 4 6 0 行程 s h 2 1 c o s 0 0 其中 t 为 UG 系统变量 0 t 1 2 3 推导 UG 表达式 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 8 8 页 根据以上数学分析及 U G 表达式的创建要求 凸轮各工作段的 U G 表达式如 下 1 已知驱动参数 h 40 凸轮升程 mm r 50 圆柱半径 mm 0 b 16 凹槽宽度 mm v 16 凹槽深度 mm c 100 圆柱高度 mm t 0 U G 规律曲线系统变量 2 推程余弦加速理论曲线 A B 段 a n g l e l 1 2 0 凸轮推程运动角 j1 a n g l e l t 推程角变量 s h 2 1 cos l 8 0 t 从动件按余弦加速度运动规律推程升程变量 mm 1 x1 r0cos j1 推程理论曲线 x 坐标值 mm y1 r0sin j1 推程理论曲线 y 坐标值 mm z1 s1 推程理论曲线 z 坐标值 mm 3 远休止过程理论曲线 B C 段 angle2 60 凸轮远休止角 j angle1 angle2 t 远休止角变量 2 s h 2 1 cos l 8 0 从动件远休止升程 mm 2 x r0cos j 远休止理论曲线 坐标值 mm 22 y r0sin j 远休止理论曲线 Y 坐标值 mm 22 z s 远休止理论曲线 z 坐标值 mm 22 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 9 9 页 4 回程余弦加速理论曲线 C D 段 angle3 120 凸轮回程运动角 j angle1 angle2 angle3 t 回程角变量 3 s h 2 1 cos 1 8 0 t 1 8 0 从动件按余弦加速度运动规律回程升程 变量 mm x3 r cos j 回程理论曲线 坐标值 mm 03 y3 r sin j 回程理论曲线 Y 坐标值 mm 03 z s 回程理论曲线 z 坐标值 mm 33 5 近休止过程理论曲线 D A 段 angle4 60 凸轮近休止角 j angle1 angle2 angle3 angle4 t 近休止角变量 4 s h 2 1 c o s 0 从动件近休止升程 mm 4 x r0cos j 近休止理论曲线 坐标值 mm 44 y r0sin j 近休止理论曲线 Y 坐标值 mm 44 z s 近休止理论曲线 z 坐标值 mm 44 2 4 生成凸轮轮廓曲线和凸轮实体 1 在 U G 建模环境下输入以上表达式 包括驱动参数 通过曲线 规律 曲线命令绘制理论轮廓曲线 图 2 1 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 1010 页 图 2 1 圆柱凸轮槽曲线 2 将工作坐标系沿 z 轴负方向移动 30 mm 画半径 r 50 mm 的圆 图 2 2 然后对圆进行拉伸成型操作 拉伸起始值为 0 结束值为 c 成形圆柱体 再对整 个轮廓曲线进行拉伸成型操作 拉伸起始值为 0 结束值为 b 并偏置 v v 为凹 槽深度 形成凸轮凹槽实体最后通过布尔运算获得圆柱凸轮实体 图 2 3 0 图 2 2 圆柱凸轮槽曲线及圆柱底面投影 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 1111 页 图 2 3 圆柱凸轮槽 进入 xy 草图在底面画直径 50mm 的圆并拉伸作布尔减运算形成凸轮内孔 进入 xy 草图 画长宽分别为 29mm 8mm 的矩形 完成草图 拉伸 100mm 做布尔减运算形 成键槽如图 4 所示 至此 三维模型完成 图 2 4 圆柱凸轮实体 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 1212 页 第 3 章 数控加工工艺 3 1 圆柱凸轮的加工工艺分析 由于圆柱凸轮轮廓面为三维空间曲面 故采用展成法加工圆柱凸轮 图 1 其 原理是 一方面将要加工的凸轮毛坯模拟其在工作中的旋转运动 沿其中心轴线 另一方面让铣刀中心模拟圆盘上的某一个滚子中心轨迹运动 两模拟运动协调动作 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 1313 页 即可加工出圆柱凸轮 而要使这两方面的模拟动作协调运动 用普通加工方法很难 实现 一般最少需要三坐标 如 x 轴 Y 轴 机床回转轴中 的数控机床 3 2 凸轮材料及热处理 1 凸轮的材料和毛坯 低速轻载凸轮常用灰铸铁 如 HT 20 40 球墨铸铁 如 QT 50 1 5 调质 后的45钢制成 中速中栽凸轮常用45铜和40Cr钢制造 表面高频淬火至HRC40445 或 HRC52 58 也可用 20Cr 和 20CrMn 钢制造 表面渗碳淬火至 HRC 56 62 对于 高速重载凸轮 可用 GCrl5 淬火至 HRC 丰 60 或用 3Q CrMoAlA 等材料 氮化至 HV700 900 约合 HRC 60 67 后使用 当凸轮的尺寸较大且结构比较复杂时 锻造困难 可采用铸钢毛年 生产批量 较小 中等尺寸而强度要求较高时 采用锻造毛坯 铸造和锻造毛坯在机械加工前 必须热处理 以消除毛坯中的残余应力及改善机械加工的切削性能 直径较小的钢 质凸轮可直接采用轧制棒料 材料一般为 45 号钢 或 30 号钢即可 采用调质处理 其硬度为 22 25HRC 毛坯常用铸件 棒料 板料和锻件 对于高速重载的凸轮 最好采用锻件 凸轮热处理 在凸轮加工时 根据凸轮的使用目的和寿命要求不同 其加工精度热处理和表 面处理的方法也不相同 凸轮的最终形状精度与其他机械零件一样 受热处理的影 响很大 由于机械加工工艺之间要进行热处理 所以凸轮的轮廓形状将发生热处理 变形 根据解决热处理变形方法的不同 凸轮的制造工艺也不一样 当然凸轮的最 终精度也不相同 为了制造高精度凸轮 消除热处理变形的方法是热处理之后进行 磨削加工 如果热处理后凸轮变形很小 不影响整机的性能时 少做一点手工处理 即可 2 热处理工序的安排 凸轮一般要求在轮廓表面淬硬 使之耐磨 有下列几种情况 a 承受冲击力较大的凸轮采用低碳钢 低碳合金钢等经渗碳处理后表面淬 火 磨凸轮表面安排于最后一道工序 热处理安排在铣之后 磨之前 若精度要求 一般 在表面淬火后不进行磨削加工 表面淬火为最后一道工序 则表面淬火后的 精度按降低一级计算 b 承受冲击力较小的凸轮可采用中碳钢 中碳合金钢作整体淬火 这时热处 理安排在车 铣之后 在热处理后安排磨凸轮槽及内孔 在车加工时要留出磨内孔 的余量 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 1414 页 3 3 圆柱凸轮的加工工艺过程 3 3 1 数控加工设备 一般来说 多采用加工中心或数控铣床来加工凸轮 也可用数控切割机床加工 平面凸轮 当然 加工中心的效率比线切割机床要高的多 加工中心有卧式和立式 两大类 需要在带数控回转台的数控机床上进行加工 为此 本文考虑考虑采用 TR6340 柔性加工单元 图 3 2 作为加工机床 该机床为具有三个直线轴 X Y Z 和一个 B 轴 绕 Y 轴旋转 联动功能的四轴卧式加工中心 3 3 2 工装设计 3 3 2 工装设计 3 3 2 1 铣床夹具设计特点 一 铣床夹具的主要类型及结构形式 铣床夹具主要用于加工零件上的平面 凹槽 键槽 花键 缺口及各种成形面 由于铣削加工通常是夹具随工作台一起作进给运动 按进给方式不同铣床夹具可分 为直线进给式 圆周进给式和靠模进给式三种类型 1 直线进给式铣床夹具 这类铣床用得最多 夹具安装在铣床工作台上 加工中随工作台按直线进给方 式运动 根据工件质量 结构及生产批量 将夹具设计成单件多点 多件平行和多件连 续依次夹紧的联动方式 有时还要采用分度机构 均为了提高生产效率 2 圆周进给式铣床夹具 圆周进给铣削方式在不停车的情况下装卸工件 一般是多工位 在有回转工作 台的铣床上使用 这种夹具结构紧凑 操作方便 机动时间与辅助时间重叠 是高效铣床夹具 使用于大批量生产 3 靠模铣床夹具 这种带有靠模的铣床夹具用在专用或通用铣床上加工各种非圆曲面 靠模的作 用是使工件获得辅助运动 形成仿形运动 按主进给运动方式 靠模铣床夹具可分 为直线进给和圆周进给两种 二 铣床夹具的设计要点 由于铣削加工切削用量及切削力较大 又是多刃断续切削 加工时易产生振动 因此设计铣床夹具时应注意 夹紧力要足够且反行程自锁 夹具的安装要准确可靠 即安装及加工时要正确使用定向键 对刀装置 夹具体要有足够的刚度和稳定性 结构要合理 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 1515 页 1 定向键 定向键也称定位键 安装在夹具底面的纵向槽中 一般用两个 安在一条直线 上 其距离越远 导向精度越高 用螺钉紧固在夹具体上 定向键通过与铣床工作台上的形槽配合确定夹具在机床上的正确位置 还能承 受部分切削扭矩 减轻夹紧螺栓的负荷 增加夹具的稳定性 因此平面夹具及有些 专用钻镗床夹具也常使用 定向键有矩形和圆形两种 定向精度要求高或重型夹具不宜采用定向键 而是在夹具体上加工出一窄长面 作为找正基面来校正夹具的安装位置 2 对刀装置 对刀装置由对刀块和塞尺组成 用来确定夹具和刀具的相对位置 对刀装置的 结构形式取决于加工表面的形状 对刀块常用销钉和螺钉紧固在夹具体上 其位置应便于使用塞尺对刀 不妨碍 工件装卸 对刀时 在刀具与对刀块之间加一塞尺 避免刀具与对刀块直接接触而 损坏刀刃或造成对刀块过早磨损 塞尺有平塞尺和圆柱形塞尺两种 其厚度和直径 为 3 5mm 制造公差 h6 对刀块和塞尺均已标准化 设计时可查阅相关手册 使 用时 夹具总图上应标明塞尺尺寸及对刀块工作表面与定位元件之间的位置 对刀 装置应设置在便于对刀而且是工件切入的一端 3 夹具体设计 为提高铣床夹具在机床上安装的稳固性 减轻其断续切削可能引起的振动 夹具体不仅要有足够的刚度和强度 其高度和宽度比也应恰当 一般有 H B 1 1 25 以降低夹具重心 使工件加工表面尽量靠近工作台面 此外 还要合理地设 置加强筋和耳座 若夹具体较宽 可在同一侧设置两个与铣床工作台 T 形槽间等距的耳座 对重型铣床夹具 夹具体两端还应设置吊装孔或吊环等以便搬运 在铣削加工时 往往把夹具安装在铣床工作台上 工件连同夹具随工作台作进 给运动 根据工件的进给方式 一般可将铣床夹具分为下列二种类型 在铣削加工时 往往把夹具安装在铣床工作台上 工件连同夹具随工作台作进 给运动 根据工件的进给方式 一般可将铣床夹具分为下列二种类型 在铣削加工 时 往往把夹具安装在铣床工作台上 工件连同夹具随工作台作进给运动 根据工 件的进给方式 一般可将铣床夹具分为下列二种类型 在铣削加工时 往往把夹具 安装在铣床工作台上 工件连同夹具随工作台作进给运动 根据工件的进给方式 一般可将铣床夹具分为下列二种类型 1 直线进给式铣夹具 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 1616 页 这类夹具在铣削加工中随铣床工作台作直线进给运动 如图 3 4 所示为双工位 直线进给铣床夹具 夹具 1 2 安装在双工位转台 3 上 当夹具 1 工作时 可以在 夹具 2 上装卸工件 夹具 1 上的工件加工完毕 可将工作台 5 退出 然后将工位转 台转 180 这样可以对夹具 2 上的工件进行加工 同时在夹具 1 上装卸工件 2 圆周进给铣床夹具 这类夹具常用于具有回转工作台的铣床上 工件连同夹具随工作台作连续 缓 慢的回转进给运动 不需停车就可装卸工件 如图 3 5 所示为一圆周进给的铣床夹 具 工件 1 依次装夹在沿回转工件台 3 圆周位置安装的夹具上 铣刀 2 不停地铣削 回转工作台 3 作连续的回转运动 将工件依次送入切削 此例是用一个铣刀头加工 的 根据加工要求 也可用两个铣刀头同时进行粗 精加工 铣削加工是平面 键槽 齿轮以及各种成形面的常用加工方法 在铣床上加工 工件时 一般采用以下几种装夹方法 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 1717 页 直接装夹在铣床工作台上大型工件常直接装夹在工作台上 用螺柱 压 板压紧 这种方法需用百分表 划针等工具找正加工面和铣刀的相对位置 如图 3 6a 所示 用机床用平口虎钳装夹工件对于形状简单的中 小型工件 一般可装夹 在机床用平口虎钳中 如图 3 6b 所示 使用时需保证虎钳在机床中的正确位置 用分度头装夹工件如图 3 6c 所示 对于需要分度的工件 一般可直接 装夹在分度头上 另外 不需分度的工件用分度头装夹加工也很方便 用 V 形架装夹工件这种方法一般适用于轴类零件 除了具有较好的对中 性以外 还可承受较大的切削力 如图 3 6d 所示 用专用夹具装夹工件专用夹具定位准确 夹紧方便 效率高 一般适用 于成批 大量生产中 3 3 2 2 夹具的选择 工件装夹方法的确定 圆柱凸轮槽是环绕在圆柱面上的等宽槽 其加工时沿圆周表面铣削的范围往往 大于 360 根据圆柱凸轮的实际结构 选用带键的心轴作凸轮加工时径向和周向 定位基准 以心轴的台肩根据圆柱凸轮的实际结构 本设计采用刚性心轴作为定位 元件 该心轴带有凸肩并与工件间隙配合 键作凸轮加工时径向和周向定位基准 以心轴的台肩作轴向定位基准 并用心轴前端部的螺纹通过螺母压紧圆柱凸轮 心 轴两端设有顶尖孔 加工时将凸轮固定在心轴上 有数控分度头夹住心轴 另一端 顶尖 心轴及装配图如下图 3 7 3 8 所示 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 1818 页 3 3 3 工序设计和加工参数选择 工艺路线的制定对加工精度有着至关重要的影响 在拟定空间圆柱凸轮数控加工程序时遵循以下原则 1 工序集中原则 因为减少装夹次数可提高加工精度 同时也提高零件的 加工效率 故在一次装夹中应尽可能完成所有的工步内容 2 粗精加工分开原则 要达到一定的技术要求 应多次加工 粗精分开 分 层加工槽 由于在加工中心上加工时 有良好的润滑 冷却条件好 保证了切削的 散热与变形较小 可以一次装夹完成 根据上述原则拟定的空间圆柱凸轮数控加工 工序和工步如图 3 所示 凸轮毛坯要经过开槽 粗加工 半精加工 精加工等工序 在加工参数方面 选择合理的切削用量参数 尽量减少或降低受力恶劣时对精 度造成的影响 由于圆柱凸轮槽的底部在每一个截面上通常是等深的 我们选用直 柄立铣刀加工 其他工艺和加工参数如下所述 等径加工 刀具的特征几何参数与滚子的特征几何参数相一致 工艺过程 开 槽 我们选用刀具直径为 12mm 一次进刀开槽易造成刀具损坏 因此第一次开槽 的切削深度可为 5mm 以后以每次 5mm 的增量 2 次进刀完成加工 加工速度应不 宜太快 否则引起刀具振动 在加工后的廓面上留下波纹 加工实验中主轴转速取 800rpm 进给速度取 30mm min 在此之后的非等径加工中 主轴转速及进给速度 采用同样的数值 非等径加工 刀具的特征几何参数与滚子的特征几何参数不一致 工艺过程 由于凸轮槽太宽 除粗加工外 其他的工序必须要采用非等径加工方式 粗加工 10 高速钢直柄立铣刀 分 2 次进刀 同开槽 留 2mm 的加工余量 半精加工 8 高速钢直柄立铣刀 分 2 次进刀 同开槽 留 lmm 的加工余量 精加工 6 硬质合金直柄立铣刀 一次性进刀切槽 3 3 4 走刀方式 采用环线走刀 即刀具沿一定曲线轨迹包络加工出圆柱凸轮廓面 刀具绕圆柱 凸轮做旋转运动 相对运动 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 1919 页 图 3 7 圆柱凸轮数控铣夹具 图 3 8 装配图 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 2020 页 表 3 1 圆柱凸轮加工工艺卡片 表 3 1 圆柱凸轮加工工艺卡片 序 号 工序内容 定位基准 机床设备 1 下料 110mmL110mm 锯床 2 热处理 退火 热处理炉 3 铣两端面 打中心孔 毛坯外圆 铣端面 打顶尖孔专 用机器 4 粗车外圆 残余量 1 5 2mm 两端顶尖 卧式车床 5 精车外圆至要求 两端顶尖 卧式车床 6 磨两端面 外圆 平面磨床 7 钻 镗孔至要求 外圆 钻床 8 精车内圆至要求 外圆 车床 9 铣键槽至要求 外圆 键铣床 10 数控铣开槽 心轴两端顶尖 数控铣床 11 数控铣粗加工 心轴两端顶尖 数控铣床 12 数控铣精加工 心轴两端顶尖 数控铣床 13 钳轨迹光整 14 表面热处理渗碳淬火 热处理炉 15 清洗 16 终检 3 3 UG 加工 本文选择工序 10 采用曲线驱动方式加工并生成代码 选择工序 12 采用曲面驱 动方式加工并生成代码 3 3 1 曲线驱动方式 选择主菜单中 应用 加工 命令 选择 CAM 进程配置 cam general 和 CAM 设置 mill multi axis 初始化 1 创建几何体 类型设置为 mill multi axis 子类型中选择创建加工坐标系的 MCS 图标 名 称文本中输入加工坐标系名称 MCS 1 根据创建加工坐标系对话框需要的坐标系 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 2121 页 图 3 3 1 1 创建几何体 2 创建操作 创建操作 类型设置为多轴 子类型设置为 VARIABLE CONTOVR 在使用几何体 下拉列表中选择前面创建的几何体 其他默认 选择几何体 选择整个零件作为部件几何体 选择驱动方式 在 UG 加工中 驱动方法用来定义刀具路径的驱动点 在多轴加工中包括多种 驱动方法 驱动方法可以通过曲线来驱动 还可以通过曲面来进行驱动 在实际加 工中 应根据需要选择几何体 并根据加工表面的形状来选择合适的驱动方法 选择了和事的驱动方法不但可以提高效率 还可以提高零件的表面质量 驱动方式 设置为 曲线 点 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 2222 页 图 3 3 1 2 选择驱动方式 选择曲线为驱动几何体 图 3 3 1 3 选择驱动几何体 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 2323 页 投影矢量 投影式量用来指定驱动点如何投影在零件表面上 以及刀具与零件的哪一侧接 触 驱动是按照投影方向投影到零件表面上的 投影在零件表面的驱动点越多 加 工出来的零件精度就会越高 所以在设置投影矢量时要考虑好投影的方向 此零件 采用四周加工 所以将可将投影矢量设置为刀轴的形式 图 3 3 1 4 设置投影矢量 设置刀轴 在曲面驱动对话框中 将刀轴设置为 离开直线 选择 两个点 选择对话 框中 弧 椭圆 球中心 分别指定凸轮两端面的圆心点来创建曲线 图 3 3 1 5 设置刀轴 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 2424 页 创建刀具 加工次零件需要的刀具比较少 所以可以直接在组选项卡中创建刀具 选择铣 削类型 mill muti axis 设置刀具直径 10mm 及下半径 2 设置进给和速度 主轴转速设为 800RPM 其他默认 图 3 3 1 6 设置进给和速度 切削参数 选择多重深度切削 因为在多轴加工中没有选择毛坯 所以在多层切削中必须 给丁切削的材料 为了满足这个要求 设置部件余量偏置及增量 图 3 3 1 7 设置切削参数 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 2525 页 生成刀具路径 图 3 3 1 8 刀轨仿真 3 后处理 利用 UG 的后处理功能 选择四轴联动机床 生成代码并保存 代码详见附录 1 3 3 2 曲面驱动方式 曲面驱动方式的编程步骤与前面的曲线驱动方式大致相同 下面只介绍设置不 同的步骤 选择驱动方式 驱动方式设置为 曲面区域 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 2626 页 图 3 3 2 1 设置驱动方式 1 选择驱动几何体 单击 驱动几何体 下的 选择 过滤方式选为面 选择要加工的曲面 单 击确定 图 3 3 2 2 选择驱动几何体 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 2727 页 2 选择切削方向 选择驱动面后 曲面驱动对话框中的切削方向和材料侧将变为有效的可用状 态 选择曲面驱动对话框中的切削方向 选择如图的切削方向 图 3 3 2 3 选择切削方向 3 设置材料侧 单击显示 将显示零件的材料侧 这里的材料侧表示要切除的材料 图 3 3 2 4 设置材料侧 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 2828 页 4 设置走刀方式 为了保证零件的表面质量 设置好走刀方式非常重要 根据零件的形状选择合 适的走刀方式 如图所示 此方式为螺旋走刀 螺旋走刀的优点是零件整个加工只 有一条刀具路径 这样可以避免在零件表面上产生横向进刀痕 也就提高了零件的 表面质量 图 3 2 2 5 设置走刀方式 5 设置刀轴 在曲面驱动对话框中 将刀轴设置为 4 轴 与驱动体垂直 其他默认设置 确定 图 3 2 2 6 设置刀轴 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 2929 页 6 投影矢量 在曲面驱动对话框中 将投影矢量设置为刀轴的形式 7 生成刀具路径 图 3 2 2 7 刀轨仿真 8 后处理 后处理与前面介绍的曲线驱动方式相同 生成代码见附录 2 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 3030 页 结论 随着社会经济的发展 以计算机 控制 电子技术为基础的数控加工技术 已成为现代制造业发展的主要力量 成为关系国家经济建设和国防工业发展的 关键技术 当前 为了满足特殊功能的要求 越来越多的零件设计成自由曲面 这类零件由于形状复杂 加工质量和表面精度要求高 往往需要采用五坐标数 控机床来加工 近年来多轴联动数控加工成为国内外广泛关注和研究的热点 并成为代表制造业发展的方向和趋势的技术 多轴联动数控加工是一项庞大的 理论和技术体系 其涉及到计算机 控制 电子技术等方方面面的技术 特别 是针对复杂的自由曲面类零件 多轴数控加工是必须手段 加工质量 精度控 制和加工效率是多轴数控加工技术的关键和核心 其影响因素也非常多 由于 各方面原因 本文只是在刀具轨迹规划和后置处理方面进行了一些研究和探 索 在以后的研究工作中 还需要进一步完善 本文主要工作 1 计算凸轮草轨迹曲线 推导出圆柱凸轮轮廓面方程 可以用来对圆柱凸轮 进行设计和加工工作 2 在 UG 软件中建立三维实体模型 建立精确圆柱凸轮模型 可以用来参考建 立类似含有复杂曲面的三维实体模型 3 决策工艺并就关键工序确定装夹方式 装夹方式利用数控铣床自带的数控 分度头 简化了夹具 缩短了装夹时间 提高了效率 4 运用 UG CAM 加工凸轮槽 后处理生成 NC 代码 在此毕业设计中 采用了 曲线驱动与曲面驱动两种方式 对于精度要求不高的圆柱凸轮精加工可以采用 曲线驱动方式等径加工 即刀具直径与槽宽相等 精度要求高的圆柱凸轮精 加工采用非等径加工 但本研究还有以下方面有待于完善与提高 1 由于时间及实验条件的限制 我们只是进行了圆柱凸轮的仿真加工而没 有进行实际的圆柱凸轮铣加工实验 2 本课题只是针对等速圆柱凸轮进行了研究而没有包括其他类型的凸轮 其他类型的圆柱凸轮还有待进一步研究 西南交通大学本科毕业设计 论文 第 3131 页 致谢 经过半年的忙碌和工作 本次毕业设计已经接近尾声 作为一个本科生的毕业 设计 由于经验的匮乏 难免有许多考虑不周全的地方 如果没有导师的督促指导