空間凸輪在刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置中的設(shè)計(jì)和加工工藝
2024-1-30 來(lái)源：空間凸輪 刀庫(kù) 自動(dòng)換刀裝置 加工工藝 作者：卞澤宇
摘 要：主要針對(duì)空間凸輪在刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置中的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行分析，并對(duì)其加工工藝設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)的描述，此次研究不僅能夠讓換刀裝置的加工效率得到提升，而且還能讓加工工藝體系得到優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：空間凸輪 刀庫(kù) 自動(dòng)換刀裝置 加工工藝
引言
近年來(lái)，隨著我國(guó)機(jī)械化水平的不斷發(fā)展，性能優(yōu)越的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。其中最為突出的便是弧面凸輪機(jī)構(gòu)。我國(guó)的弧面凸輪機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)一定程度的改進(jìn)，在加工制造方面主要采用范成法技術(shù)。通過(guò)對(duì)加工不同型號(hào)的弧面凸刀具進(jìn)行精確的數(shù)值法求解，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，最終確定加工不同型號(hào)的弧面凸輪的專用數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)的轉(zhuǎn)角大小。
1、空間凸輪在刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置中的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
1.1 空間凸輪在刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)方式
目前，弧面凸輪的主要的加工方式有三種：二軸聯(lián)動(dòng)加工、四軸聯(lián)動(dòng)加工、以及五軸聯(lián)動(dòng)加工。我國(guó)對(duì)弧面凸輪的加工機(jī)床是專門進(jìn)過(guò)改造的針對(duì)弧面凸輪的專用加工機(jī)床。其中的代表機(jī)床是山東輕工業(yè)學(xué)院研發(fā)的五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床。這種機(jī)床主要針對(duì)空間弧面凸輪的加工，其優(yōu)勢(shì)在于機(jī)床可采用小中心距對(duì)大中心距的弧面凸輪進(jìn)行加工。
在磨削加工方面，我國(guó)摒棄了外國(guó)的五坐標(biāo)磨削的加工方式，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)專業(yè)人士的自主研究，最終陜西科技大學(xué)研制了 QMT 型短外伸端高速氣動(dòng)磨頭，這種精密裝置對(duì)孤眠凸輪的磨削在磨具的選擇上，主要采用聚晶立方氮化硼磨砂。其優(yōu)勢(shì)在于磨削的凸輪輪廓精度可達(dá)到 0.002 mm。但是，該裝置在進(jìn)行范成法磨削的過(guò)程中，由于砂輪與滾子的半徑相同，在磨砂過(guò)程中容易出現(xiàn)相互干涉的現(xiàn)象。其次，機(jī)床主軸的震動(dòng)幅度相對(duì)較大，在加工表面的熱效應(yīng)性能差[1]。
由此可以看出，采用范成法對(duì)凸輪廓進(jìn)行磨削操作時(shí)，如果砂輪與滾字的半徑相同，如果是凹槽式的凸輪廓面的話會(huì)造成砂輪在磨削過(guò)程中被擠碎的概率變得特別大，加工表面的熱效應(yīng)降低，機(jī)床的主軸的震動(dòng)大。
1.2 空間凸輪在刀庫(kù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)體系的優(yōu)化
凸輪廓面在磨削加工時(shí)利用范成法，選用的砂輪和滾子半徑相同，因?yàn)橥馆喞娴陌疾凼浇Y(jié)構(gòu)，砂輪在加工過(guò)程中非常容易被擠碎；還會(huì)燒傷表面；如果兩邊的余量不均勻，則易使砂輪進(jìn)行偏移；砂輪半徑得不到有效的補(bǔ)償，其磨損將會(huì)對(duì)加工精度造成很大的影響。所以，行星式的磨削方法成為比較先進(jìn)的磨削方式。為了對(duì)生產(chǎn)方式進(jìn)行升級(jí)，國(guó)外新型的五坐標(biāo)數(shù)控磨床，采用了行星式磨削工藝，彌補(bǔ)了普通磨削過(guò)程中的許多不足，再也不需要多次更換砂輪。
此外，弧面凸輪機(jī)也值得被我們注意和研究。在這一方面，我國(guó)起步較晚，在加工制造方面主要采用的還是范成法。
2、空間凸輪在刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置中的工藝設(shè)計(jì)
目前空間凸輪主要采用與滾子在動(dòng)件曲面幾何特征參數(shù)一致的工具，采用范成法來(lái)進(jìn)行弧面凸輪廓面的加工，也就是說(shuō)，刀具主軸的運(yùn)動(dòng)軌跡和滾子的運(yùn)動(dòng)軌跡一樣。銑削和磨削是弧面凸輪加工的兩個(gè)步驟。在銑削加工完成之后，還要對(duì)凸輪零件來(lái)進(jìn)行磨削加工。這兩個(gè)步驟的走刀軌跡一致但是凸輪加工尺寸有變化，所以這兩個(gè)步驟需要各自進(jìn)行不同的胎具裝卡[2]。
2.1 弧面凸輪廓面工藝模型設(shè)計(jì)
2.1.1 坐標(biāo)系的選取方法
弧面凸輪機(jī)構(gòu)上建立四組指教坐標(biāo)系。一般情況下，其可以利用平面體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定。其弧面凸輪廓運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)如下頁(yè)圖 1 所示。
圖 1 弧面凸輪廓運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)圖
結(jié)合上面的坐標(biāo)體系結(jié)構(gòu)，我們大致可以從兩個(gè)方面進(jìn)行分析。其分別為連定坐標(biāo)與機(jī)架坐標(biāo)的體系結(jié)合。
1）與機(jī)架相連的定坐標(biāo)系 S-XYZ，X 軸沿轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)中心和凸輪中心的連線，X 軸與 Y 軸組成的平面平行。Z 軸與轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線是重合的，按右手法則知道 Z 垂直紙平面向外。
2）與機(jī)架相連的定坐標(biāo)系 S-XYZ，坐標(biāo)系 S 的原點(diǎn) O 與凸輪的中心重合，Z 軸與凸輪軸線重合，Y軸按右手法則確定。
2.1.2 出刀入刀以及出刀角的機(jī)械運(yùn)動(dòng)分析
間歇傳動(dòng)是弧面凸輪機(jī)的傳動(dòng)方式，在弧面凸輪勻速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，分度段輪廓推動(dòng)滾子讓從動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)凸輪運(yùn)轉(zhuǎn)到停歇階段時(shí)，在轉(zhuǎn)盤上的兩個(gè)相近的滾子跨夾在凸輪的環(huán)面突脊上面。這時(shí)候從動(dòng)盤就會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖 2 所示，從動(dòng)件在第一個(gè)分度期的以 90°的位置進(jìn)行位移，在此期間滾子 2 在從動(dòng)盤滾子和弧面凸輪運(yùn)動(dòng)期間分離出來(lái)，然后滾子4 在這個(gè)時(shí)候進(jìn)入從動(dòng)盤滾子和弧面的凸輪之間。
至此形成一個(gè)出刀角和一個(gè)入刀角。在第二期的位移中，位移的角度呈現(xiàn) 180°，嚙合運(yùn)動(dòng)中 1 和 4 作出刀，3 和 2 作入刀。最終形成兩個(gè)入刀角和兩個(gè)出刀角。
圖 2 弧面凸輪機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
2.2 弧面凸輪廓面加工工藝設(shè)計(jì)
在進(jìn)行整體的加工過(guò)程中，其通常需要對(duì)凸輪面的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。然后對(duì)刀架的整體旋轉(zhuǎn)度進(jìn)行不同程度的變化。一般情況下，其第一分度期與第二分度期的數(shù)值有一定的共同性，在第三分度期的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)件的位移位置是 -90°方向，嚙合運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中 2 做出刀，4 做進(jìn)刀。最終形成一個(gè)入刀角和一個(gè)出刀角。根據(jù)上述所得，當(dāng)一個(gè)弧面凸輪做完一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期便會(huì)形成四個(gè)入刀角和四個(gè)出刀角。因此，我們?cè)谟?jì)算時(shí)需要將八個(gè)角全部進(jìn)行計(jì)算，最后選擇最大的角度作為機(jī)床工作臺(tái)的轉(zhuǎn)角[3-4]。
3、空間凸輪在刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置中的參數(shù)計(jì)算
3.1 出刀入刀以及出刀角的計(jì)算分析
成法加工方式的作為經(jīng)常使用的操作加工方式，其工作原理采用與滾子相同尺寸的刀具進(jìn)行加工，形成與滾子軌跡相一致的刀具軌跡，最后通過(guò)對(duì)刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)研究滾子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。因此在實(shí)際計(jì)算分析的過(guò)程中，我們可以將刀具假設(shè)為不同的滾子和凸輪廓面的嚙合，在進(jìn)行加工的過(guò)程中便可以對(duì)刀具切入和切出的位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位。為了保障零件輪廓的過(guò)渡的平滑性，刀具在切出和切入的過(guò)程中應(yīng)該沿著輪廓切線的方向進(jìn)行。在實(shí)際的加工過(guò)程中，難點(diǎn)在于計(jì)算刀具進(jìn)入工件的切入角以及切出時(shí)的切出角。這兩個(gè)角度的確定直接關(guān)系到加工凸輪的專用數(shù)控工作臺(tái)轉(zhuǎn)角參數(shù)的大小。
3.2 空間凸輪在刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置中的幾何參數(shù)確定
空間凸輪在刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置中的幾何參數(shù)確定時(shí)，需要結(jié)合整個(gè)裝置的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行全面分析。首先其需要結(jié)合凸輪的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分度周期的模型確定。
旋轉(zhuǎn)角度的確定以及凸輪空間量的變化情況可以采用自動(dòng)化編程進(jìn)行維護(hù)，從而達(dá)到較好的效果。由于機(jī)電系統(tǒng)的耦合性，通常利用各種凸輪曲線實(shí)現(xiàn)機(jī)械的數(shù)字控制。如西門子公司的 ST-700 電子凸輪控制器設(shè)置了 32 種凸輪曲線，通過(guò)位置檢測(cè)器檢測(cè)軸的角位置，對(duì)軸部零件精準(zhǔn)地檢測(cè)以及定位。從而及時(shí)地確定軸部件維護(hù)中所需要的參數(shù)，從而讓空間凸輪在刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置中的幾何參數(shù)更為精確合理[5]。
4、結(jié)語(yǔ)
弧面凸輪作為凸輪自動(dòng)換刀裝置的重要組成部分，為刀庫(kù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化換刀裝置發(fā)揮著至關(guān)重要要的作用，本文針對(duì)刀庫(kù)裝置中的空間凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行深入研究，對(duì)自動(dòng)換刀裝置的工作原理以及弧面凸輪廓面教學(xué)模型進(jìn)行系統(tǒng)的分析，加深對(duì)刀庫(kù)的全面了解，為今后的改進(jìn)和研究作出貢獻(xiàn)。
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