基于四轴联动加工中心的双向凸轮加工

基于四轴联动加工中心的双向凸轮加工
1.引言
进入21世纪,我国机床制造业既面临着提升机械制造业水平的需求,也遭遇到高精度、进行复杂零件及模具的加工的压力。

从技术层面上来讲,加速推进数控技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。

数控机床及由数控机床组成的制造系统是改造传统产业、构建数字化企业的重要基础装备,它的发展一直备受人们关注。

数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目,它开创了机械产品向机电一体化发展的先河,因此数控技术成为了先进制造技术中的一项核心技术。

另一方面,通过持续的研究,信息技术的深化应用也促进了数控机床的进一步提升。

2.四轴联动数控铣床简介
2.1.四轴联动数控铣床的结构
数控铣床一般由以下几部分组成:
(1)主轴箱包括主轴箱体和主轴传动系统。

(2)进给伺服系统由进给电动机和进给执行机构组成。

(3)控制系统是数控铣床运动控制中心,执行数控加工程序控制机床进行加工。

(4)辅助装置如液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。

(5)机床基础件指底座、立柱、横梁等,是整个机床的基础和框架。

(6)工作台包括旋转工作台
2.2.夹具的选择
四轴联动数控铣床的工件装夹方法与普通三轴联动铣床一样,所使用的夹具只要求有简单的定位、夹紧机构就可以,但要将加工部位敞开。

选择夹具时,应注意减少装夹次数,尽量做到在一次安装中能把零件上所有要加工的表面都加工出来。

2.3.机床床身特点
机床为纵床身,可旋转式工作台,单立柱立式加工中心铣床。

2.4.换刀机构
刀库为24把刀臂式A TC装置的刀库,刀盘运转快速、平稳、可靠。

这些刀具通过换刀机构自动调用和更换。

3.四轴联动铣床的工作原理及特性
3.1.四轴联动加工中心与普通数控机床的区别
四轴联动加工中心与普通数控机床的最大区别是具有一个自动“刀库”,可以自动换不同的刀具进行工件加工,以及有一个回转工作台B轴,能够与X、Y、Z 轴进行联动,从而实现四轴联动加工中心,对零件上的孔、槽或者连续曲面,可以实现等分和不等分的加工。

3.2.回转工作台的结构原理
图1为自动换刀数控床的回转工作台。

它的进给、分度转位和定位锁紧都是由给定的指令进行控制的。

工作台的运动是由伺服电动机,经齿轮减速后由蜗杆1传给蜗轮2。

为了消除蜗杆副的传动间隙,采用了双螺距渐厚蜗杆,通过移动蜗杆的轴向位置来调整间隙。

这种蜗杆的左右两侧面具有不同的螺距,因此蜗杆齿厚从头到尾逐渐厚。

但由于同一侧的螺距是相同的,所以仍然可以保持正常的啮合。

3.3.回转工作台特性
回转台也是加工中心的一大要素,工作台的回转采用双导程变齿厚蜗杆蜗轮副方式。

加工中心的圆周进给由回转工作台完成,称为加工中心的第四轴,回转工作台可以与X、Y、Z三个坐标轴联动,从而实现四轴联动加工出各种球、圆弧曲面等。

回转工作台可以实现精确的自动分度,扩大了数控机床加工范围。

4.该机床加工的零件的优点
4.1.箱体类零件
该机床主要适宜于加工复杂、工序少、要求较高、和众多刀具,且经多次装夹和调整才能完成加工的零件。

其加工的主要对象有箱体类零件、复杂曲面、异形件、盘套板类零件加工等四类。

箱体类零件一般是指具有一个或一个以上需要等分或不等分孔系,内部有型腔,在长、宽、高方向有一定比例的零件。

这类零件在机床、汽车、飞机制造等行业用的较多。

箱体类零件一般都需要进行多孔系及曲面加工,公差要求较高,特别是形位公差要求较为严格,通常要经过铣、钻、扩、镗、铰、锪,攻丝等工序,需要刀具较多,在普通机床上加工难度大,工装套数多,费用高,加工周期长,需多次
装夹、找正,手工测量次数多,加工时必须频繁地更换刀具,工艺难以制定,更重要的是精度难以保证。

加工箱体类零件的加工中心,当加工工位较多,需工作台多次旋转角度才能完成的零件,因此就需要有回转工作台的加工中心。

4.2.复杂曲面
复杂曲面在机械制造业,特别是航天航空工业中占有特殊重要的地位。

复杂曲面采用普通机加工方法是难以甚至无法完成的。

在我国,传统的方法是采用精密铸造,可想而知其精度是低的。

复杂曲面类零件如:各种叶轮,导风轮,球面,各种曲面成形模具,螺旋桨以及水下航行器的推进器,以及一些其它形状的自由曲面。

4.3.异形件
异形件是外形不规则的零件,大都需要点、线、面多工位混合加工。

异形件的刚性一般较差,夹压变形难以控制,加工精度也难以保证,甚至某些零件的有的加工部位用普通机床难以完成。

用四轴联动加工中心加工时应采用合理的工艺措施,一次或二次装夹,利用加工中心工作台旋转的特点,完成多道工序或全部的工序内容。

4.4.盘、套、板类
零件带有键槽,或径向孔,或端面分布有等分和不等分的孔系,曲面的盘套或轴类零件,还有具有较多孔加工的板类零件,如各种电机盖等。

宜选择带回转工作台的立式加工中心。

5.回转面加工方法的选择
每一种回转面都有很多加工方法,具体选择时应根据零件的材料、毛坯种类、结构形状、尺寸、加工精度、粗糙度、技术要求、生产要求、生产类型及工厂的生产条件等因素来决定,以确保加工质量和降低生产成本。

5.1.表面加工要求
表面加工的技术要求,在各种机械中,具有圆弧表面的零件占有很大的比重,例如箱体类、盘套类、叶片类等零件。

圆弧表面的技术要求包括:尺寸与形状精度,位
置精度,表面质量等。

利用四轴联动回转工作台的铣床加工保证了高精度、箱体类、盘套类、叶片类等复杂零件的加工
6.四轴联动加工对称曲面
6.1.双向凸轮的数控加工
从周向上看为盘形凸轮;从轴向上看为圆柱凸轮,我们称之为双向凸轮。

该零件的关健是两种凸轮对称和相互位置必须保证在0.05mm以内,这给我们的加工带来相当大的难度。

由图2可知,该零件的加工难点是圆柱凸轮,因为加工圆柱凸轮时,不仅需要零件绕轴线作旋转运动,而且同时要求零件沿轴线方向作直线运动,靠三轴联动数控铣床和普通分度头无法满足加工要求。

为此我们采取数控四轴联动立铣床加数控分度头的加工方式。

首先,我们用千分表找正数控分度头径向、轴向跳动在0.02mm以内。

由于卡盘大,我们采用了宝塔式夹持法,即在大盘前夹了个小卡盘。

铣双向凸轮时,毛坯没有进行热处理,硬度不高,刀具选用常用普通高速工具钢铣刀。

为保证表面粗糙度、尺寸公差、减少消耗,采用用亚硝酸钠、肥皂、工业纯碱配制的切削液。

机床转速选1000r/mm。

我们采用了车毛坯→铣圆柱凸轮、钻螺纹底孔→铣盘形凸轮→攻螺纹的工艺过程。

圆柱凸轮和螺纹底孔一次装夹加工,然后以螺纹底孔作工艺孔,在螺纹底孔内放入一个定位销,另外在三爪自定心卡盘端面R19.4mm半径上钻一个R3mm定位销孔,销孔内放入定位销,挡住螺纹底孔内定位销。

这样当零件放在如图2位置时,盘形凸轮相对圆柱凸轮的位置惟一,且重复定位高。

这样就可以不用每一个零件加工一道工序一次分度头,大大提高了生产效率。

图3 (基点)
编程时根据基点图3,铣圆柱凸轮按圆柱凸轮最高点为起始点,从起始点转42°至凸轮最底点,依次转30°至圆柱凸轮的另一段的起始点,转108°至凸轮最高点。

接着转42°至凸轮最底点,然后转30°至圆柱凸轮另一段的起始点,再转108至凸轮最高点。

分度头转1°,钻螺纹底孔,然后转180°钻另一螺纹底孔,刀具回零位。

具体程序为:
圆柱凸轮:
T02
G40G49G80
G54X0Y0Z0B0
M03S1000
G90G0X20.5
G1Z-4.5F50
G90G1X27.15B42F100
G90B172
G90G1X20.5B180F100
X27.15B222
B252
X20.5B360
G0Z0
X0
M05
M30
铣盘形凸轮时,调整分度头方向,使零件轴线与刀具轴线平行。

装夹时,使圆柱凸轮朝下,两定位销靠紧后,夹紧零件,编程时以A点为起始点。

具体程序如下:
T02
G40G49G80
G54X0Y0Z0
M03S1000
G90G0X34.55Y15.75
Z-10
G1Z-16F100
G90G02X-29.9Y15.78R34.54F100
G1X-23.69Y27.15
G02X-2.68Y39.55R24
G02X34.55Y0R37.3
G02X29.97Y15.78R34.54
G1X23.69Y-27.15
G02X2.68Y-39.55R24
G02X29.97Y15.78R34.54
G0Z0
X0Y0
M05
M30
加工完成后,用专用量具检验凸轮的对称度在0.03～0.05mm范围内,经装配后试磨钻头,磨出的钻头钻孔精度为±0.05mm,达到了磨刀机的设计要求,应用此工艺不但避免了多次找中心的麻烦与寻刀误差,生产效率和加工精度都能得到保证。

7.结束语
随着我国机械工业的高速发展及当前市场多变的特点,每个机械制造厂只有生产高质量、低成本、多样化的产品,才能在市场上处在主动和有利的地位。

多轴加工中心的加工工艺和加工手段的出现与发展,为我国机械工业发展提供了一种经济可行高效的解决方案。