用数控铣床进行弧面分度凸轮轮廓面的精密磨削

1.摆头 2.磨头 3.顶尖 4.凸轮毛坯 5.芯轴 6.分度头
图1 弧面分度凸轮示意图

1 概述

弧面分度凸轮机构(如图1所示)不仅分度精度高、传动平稳，而且结构紧凑，传递扭矩大，特别适用于高速、高精度分度。因其分度运动曲线，可设计成适于各种工作场合的最优运动曲线，从而在运动平稳性、降噪、延长机构使用寿命等方面都具有良好性能。改变凸轮的分度角以调整动停比，很容易满足停歇运动阶段所需要的时间。

由于弧面分度凸轮轮廓面为一空间不可展开的螺旋面(见图3)，目前国内对该零件的加工，仍旧停留在数控成型铣削+修研装配的工艺水平上。该工艺的主要缺点是精度低、零件修配工作量大，难以形成批量生产，加工质量也难以得到保证。国外解决的办法是采用五坐标磨削加工中心进行加工，但该方案设备投资巨大，加工成本也很高，其价格国内绝大多数用户很难接受。为此，我们设计了QMT型短外伸端高速气动磨头(专利申请号95218369.7)，将其安装在专用数控铣床的主轴上(见图2)，利用聚晶复合材料长寿砂轮成功地对弧面分度凸轮轮廓面进行了磨削加工，其主要原理是利用QMT型短外伸端高速气动磨头来增加机床主轴转速，使之满足高速磨削时的转速要求。若机床参数调整得当，其效果接近数控磨床，有效地扩大了数控铣床的使用范围，把数控铣床变为数控磨床。

2 磨削方法及主要工艺参数

图2 弧面分度凸轮轮廓面加工示意

图3 实体造型中提取的单侧轮廓面特征

弧面分度凸轮轮廓面磨削工艺实验是在西北轻工业学院CAD/CAM工程研究中心的XK5001专用数控铣床上进行的。将自制的QMT型短外伸端高速气动磨头直接装入该机床主轴端部并加以固定，用最新研制的聚晶复合材料PCBN砂轮(代替铣刀)做磨具，按修正正弦运动规律编制NC程序，对弧面分度凸轮轮廓面进行磨削，磨削轨迹为一不可展空间曲面，参见附图3。由于QMT型短外伸端高速气动磨头是以压缩空气为动力驱动主轴作高速旋转，带动砂轮进行磨削的，它以压缩空气作为冷却，磨削中无需加冷却液。在整个磨削区，采用微量油雾笼罩，来控制磨削区温度场，并起到防尘作用。由于聚晶立方氮化硼PCBN砂轮磨削时无脱落，铁屑比重大不易飞扬，整个磨削过程基本无粉尘污染。

主要工艺参数如下：

砂轮材质：聚晶立方氮化硼PCBN;
砂轮粒度：120～140;
砂轮直径：10mm；
工作气压：0.3～0.6MPa;
砂轮速度：25000r/min;
进给速度：(9～60)r/min;
安装方式：莫式3#锥柄；
工件硬度：HRC60～62;
冷却条件：气冷；
环境温度：18℃。

试件为分度数10分度的弧面分度凸轮，工件材料为20CrMnTi,粗铣后经碳氮气体共渗后淬硬至HRC60～62。采用在压缩空气中加入少量润滑油，雾化后，直接喷罩在砂轮及磨削区的方法进行冷却与降尘。

4 实验结果

凸轮轮廓表面粗糙度(0.6～0.8)µm;

(0.006～0.125)mm;(0.002～0.038)mm;

凸轮槽宽尺寸误差凸轮轮廓停留段跳动凸轮机构静态分度精度见表1。

表1 凸轮机构静态分度测试记录数据表
输入轴角度	第1分度	第2分度	第3分度	第4分度	第5分度	第6分度	第7分度	第8分度	第9分度	第10分度
0°～180°	35.59.56	72.03.48	107.59.20	143.59.25	179.59.29	215.59.26	215.59.44	287.59.37	323.59.57	359.59.51
1	35.59.56	72.03.48	107.59.20	143.59.28	179.59.29	215.59.26	215.59.44	287.59.38	323.59.58	359.59.55
2	35.59.56	72.03.48	107.59.20	143.59.28	179.59.29	215.59.26	215.59.44	287.59.38	323.59.58	359.59.58
3	35.59.56	72.03.48	107.59.20	143.59.28	179.59.29	215.59.26	215.59.45	287.59.38	323.59.58	00.00.00
4	35.59.56	72.03.48	107.59.20	143.59.28	179.59.29	215.59.26	215.59.42	287.59.38	323.59.58	00.00.00
5	35.59.56	72.03.48	107.59.20	143.59.28	179.59.29	215.59.26	215.59.51	287.59.38	323.59.58	00.00.00
6	35.59.56	72.03.48	107.59.20	143.59.28	179.59.29	215.59.26	215.59.51	287.59.38	323.59.58	00.00.00

4 结果分析与讨论

磨削后的凸轮轮廓表面粗糙度值为(Ra0.6～Ra0.8)m,已达到设计给定的要求。如选用210～230号砂轮，表面粗糙度值可达(Ra0.2～Ra0.4)m,这已能满足其高速、高精度分度对表面粗糙度的要求。
凸轮槽宽尺寸误差：已达到0.01mm左右，比铣削尺寸精度高一倍以上，较好地满足了凸轮分度机构传动啮合上的要求。
从凸轮停留段跳动看，已达到(0.002～0.038)m,这与凸轮机构静态分度测试记录数据表相吻合。由表中的纵向数值看，磨削后的凸轮停留精度可稳定在1.5"左右，说明凸轮的该项指标已达到美、日等发达国家制定的小于0.005mm的标准。表中的横向数值则反映出从动盘的制造精度。而分度输出的稳定性与滚子的跳动精度密切相关。
从防尘效果看，在压缩空气中加入少量润滑油、使之雾化后形成微量油雾气氛，笼罩在砂轮和整个磨削区来控制磨削粉尘，方法简便且效果显著。PCBN砂轮自身几乎无脱落，尘屑小，用它磨下的铁屑呈纤维状，这种铁纤维不易飞扬，再加上油雾笼罩、使之集中在工作台面上很小的区域里，成功的解决了因磨屑散布到机床导轨上而影响机床工作寿命的难题。
从磨削区温度场的分度看，采用压缩空气冷却(属于干磨)效果显著。在环境温度为18℃时，砂轮的温升维持在27℃左右(工件温升仅为22℃)。由于磨削区的温度得到有效控制，不会产生磨削烧伤，更不会因磨削过热使工件变形而影响磨削精度，这对于高精度空间连续轨迹磨削至为重要。
另外，PCBN砂轮干磨时的法向磨削力与切向磨削力Fn、Ft均小于湿磨，而金属切除率Zw'大于湿磨。这也是选择气冷干磨成功的又一重要因素。

5 结论

利用通用数控铣床、配置高速气动磨头和聚晶立方氮化硼砂轮，对弧面分度凸轮轮廓面进行数控磨削，其方法简易可行，且成本低廉。
这种空间曲面数控磨削工艺，已能满足通用精度的淬硬曲面的磨削要求，若设备精良，其磨削效果可达到或接近数控磨削中心的加工精度。完全可以将其推广应用到其它数控机床上进行空间曲面的磨削。

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