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1 概述

弧面分度凸輪機(jī)構(gòu) ( 如圖 1 所示 ) 不僅分度精度高、傳動(dòng)平穩(wěn)，而且結(jié)構(gòu)緊湊，傳遞扭矩大，特別適用于高速、高精度分度。因其分度運(yùn)動(dòng)曲線，可設(shè)計(jì)成適于各種工作場合的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)曲線，從而在運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、降噪、延長機(jī)構(gòu)使用壽命等方面都具有良好性能。改變凸輪的分度角以調(diào)整動(dòng)停比，很容易滿足停歇運(yùn)動(dòng)階段所需要的時(shí)間。

1. 擺頭 2. 磨頭 3. 頂尖 4. 凸輪毛坯 5. 芯軸 6. 分度頭
圖 1 弧面分度凸輪示意圖

由于弧面分度凸輪輪廓面為一空間不可展開的螺旋面 ( 見圖 3) ，目前國內(nèi)對該零件的加工，仍舊停留在數(shù)控成型銑削 + 修研裝配的工藝水平上。該工藝的主要缺點(diǎn)是精度低、零件修配工作量大，難以形成批量生產(chǎn)，加工質(zhì)量也難以得到保證。國外解決的辦法是采用五坐標(biāo)磨削加工中心進(jìn)行加工，但該方案設(shè)備投資巨大，加工成本也很高，其價(jià)格國內(nèi)絕大多數(shù)用戶很難接受。為此，我們設(shè)計(jì)了 QMT 型短外伸端高速氣動(dòng)磨頭 ( 專利申請?zhí)?95218369.7) ，將其安裝在專用數(shù)控銑床的主軸上 ( 見圖 2) ，利用聚晶復(fù)合材料長壽砂輪成功地對弧面分度凸輪輪廓面進(jìn)行了磨削加工，其主要原理是利用 QMT 型短外伸端高速氣動(dòng)磨頭來增加機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速，使之滿足高速磨削時(shí)的轉(zhuǎn)速要求。若機(jī)床參數(shù)調(diào)整得當(dāng)，其效果接近數(shù)控磨床，有效地?cái)U(kuò)大了數(shù)控銑床的使用范圍，把數(shù)控銑床變?yōu)閿?shù)控磨床。

圖 2 弧面分度凸輪輪廓面加工示意

2 磨削方法及主要工藝參數(shù)

弧面分度凸輪輪廓面磨削工藝實(shí)驗(yàn)是在西北輕工業(yè)學(xué)院 CAD/CAM 工程研究中心的 XK5001 專用數(shù)控銑床上進(jìn)行的。將自制的 QMT 型短外伸端高速氣動(dòng)磨頭直接裝入該機(jī)床主軸端部并加以固定，用最新研制的聚晶復(fù)合材料 PCBN 砂輪 ( 代替銑刀 ) 做磨具，按修正正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律編制 NC 程序，對弧面分度凸輪輪廓面進(jìn)行磨削，磨削軌跡為一不可展空間曲面，參見附圖 3 。由于 QMT 型短外伸端高速氣動(dòng)磨頭是以壓縮空氣為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)主軸作高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)砂輪進(jìn)行磨削的，它以壓縮空氣作為冷卻，磨削中無需加冷卻液。在整個(gè)磨削區(qū)，采用微量油霧籠罩，來控制磨削區(qū)溫度場，并起到防塵作用。由于聚晶立方氮化硼 PCBN 砂輪磨削時(shí)無脫落，鐵屑比重大不易飛揚(yáng)，整個(gè)磨削過程基本無粉塵污染。 8

圖 3 實(shí)體造型中提取的單側(cè)輪廓面特征

主要工藝參數(shù)如下：

砂輪材質(zhì)：聚晶立方氮化硼 PCBN;
砂輪粒度： 120 ～ 140;
砂輪直徑： 10mm ；
工作氣壓： 0.3 ～ 0.6MPa;
砂輪速度： 25000r/min;
進(jìn)給速度： (9 ～ 60)r/min;
安裝方式：莫式 3# 錐柄；
工件硬度： HRC60 ～ 62;
冷卻條件：氣冷；
環(huán)境溫度： 18 ℃ 。

試件為分度數(shù) 10 分度的弧面分度凸輪，工件材料為 20CrMnTi, 粗銑后經(jīng)碳氮?dú)怏w共滲后淬硬至 HRC60 ～ 62 。采用在壓縮空氣中加入少量潤滑油，霧化后，直接噴罩在砂輪及磨削區(qū)的方法進(jìn)行冷卻與降塵。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

凸輪輪廓表面粗糙度 (0.6 ～ 0.8)μm;
(0.006 ～ 0.125)mm;(0.002 ～ 0.038)mm;

凸輪槽寬尺寸誤差凸輪輪廓停留段跳動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)靜態(tài)分度精度見表 1 。

表 1 凸輪機(jī)構(gòu)靜態(tài)分度測試記錄數(shù)據(jù)表  

4 結(jié)果分析與討論

磨削后的凸輪輪廓表面粗糙度值為 (Ra0.6 ～ Ra0.8)m, 已達(dá)到設(shè)計(jì)給定的要求。如選用 210 ～ 230 號砂輪，表面粗糙度值可達(dá) (Ra0.2 ～ Ra0.4)m, 這已能滿足其高速、高精度分度對表面粗糙度的要求。

凸輪槽寬尺寸誤差：已達(dá)到 0.01mm 左右，比銑削尺寸精度高一倍以上，較好地滿足了凸輪分度機(jī)構(gòu)傳動(dòng)嚙合上的要求。
從凸輪停留段跳動(dòng)看，已達(dá)到 (0.002 ～ 0.038)m, 這與凸輪機(jī)構(gòu)靜態(tài)分度測試記錄數(shù)據(jù)表相吻合。由表中的縱向數(shù)值看，磨削后的凸輪停留精度可穩(wěn)定在 1.5" 左右，說明凸輪的該項(xiàng)指標(biāo)已達(dá)到美、日等發(fā)達(dá)國家制定的小于 0.005mm 的標(biāo)準(zhǔn)。表中的橫向數(shù)值則反映出從動(dòng)盤的制造精度。而分度輸出的穩(wěn)定性與滾子的跳動(dòng)精度密切相關(guān)。

從防塵效果看，在壓縮空氣中加入少量潤滑油、使之霧化后形成微量油霧氣氛，籠罩在砂輪和整個(gè)磨削區(qū)來控制磨削粉塵，方法簡便且效果顯著。 PCBN 砂輪自身幾乎無脫落，塵屑小，用它磨下的鐵屑呈纖維狀，這種鐵纖維不易飛揚(yáng)，再加上油霧籠罩、使之集中在工作臺(tái)面上很小的區(qū)域里，成功的解決了因磨屑散布到機(jī)床導(dǎo)軌上而影響機(jī)床工作壽命的難題。

從磨削區(qū)溫度場的分度看，采用壓縮空氣冷卻 ( 屬于干磨 ) 效果顯著。在環(huán)境溫度為 18 ℃ 時(shí)，砂輪的溫升維持在 27 ℃ 左右 ( 工件溫升僅為 22 ℃ ) 。由于磨削區(qū)的溫度得到有效控制，不會(huì)產(chǎn)生磨削燒傷，更不會(huì)因磨削過熱使工件變形而影響磨削精度，這對于高精度空間連續(xù)軌跡磨削至為重要。

另外， PCBN 砂輪干磨時(shí)的法向磨削力與切向磨削力 Fn 、 Ft 均小于濕磨，而金屬切除率 Zw' 大于濕磨。這也是選擇氣冷干磨成功的又一重要因素。

5 結(jié)論

利用通用數(shù)控銑床、配置高速氣動(dòng)磨頭和聚晶立方氮化硼砂輪，對弧面分度凸輪輪廓面進(jìn)行數(shù)控磨削，其方法簡易可行，且成本低廉。

這種空間曲面數(shù)控磨削工藝，已能滿足通用精度的淬硬曲面的磨削要求，若設(shè)備精良，其磨削效果可達(dá)到或接近數(shù)控磨削中心的加工精度。完全可以將其推廣應(yīng)用到其它數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行空間曲面的磨削。 9