数控机床用弧面分度凸轮设计与制造研究

张 明

（绵阳职业技术学院，四川 绵阳 621000）

弧面分度凸轮的基本轮廓是在空间中不可伸展的曲面，老式的制造方式已经满足不了凸轮在精度上的要求。 通过对现有制造工艺和手法的了解， 可应用范成法的原理对弧面分度凸轮进行加工制造，并且结合渗碳方法对凸轮进行热处理。本文对弧面分度凸轮的发展历程、工作原理以及设计制造进行了研究，制定出一套完善的设计制造理念， 以期为弧面分度凸轮的实际应用贡献力量。

1 弧面分度凸轮的发展历程

弧面分度凸轮的开创是由美国人于1920年间完成的，并且进行了大量的生产加工。 在此之后，世界上许多国家（英国、匈牙利、日本等）也对弧面分度凸轮进行了研究，由于具有很高的实用性， 所以各个国家都成立了相应的研究机构和生产加工工厂。 英国的研究机构最先对弧面分度凸轮的运动、几何学方面进行研究，运用的技术为微分几何以及包络的原理。 其他欧洲国家以及日本已经完成对弧面分度凸轮的设计和制造， 实现了大规模生产[1]。在加工制造的方法上，国外大部分地区都选用范成法，以数控机床为载体进行加工制造。 范成法的广泛使用说明其基础理论以及技术都已经非常完善，满足各地区的设计制造要求。弧面分度凸轮的大规模生产，促进了对其实用面扩展进行研究，国外的许多研究者正加大力度对弧面分度凸轮的应用进行研究。

由于独特的国情，我国入手研究弧面分度凸轮的时间比较晚，在开创完成的五十多年后我国才开始注意，但通过三十多年的不断研究，我国已经基本掌握了弧面分度凸轮的设计、制造技术，并且在此基础上进行了完善，满足更高要求。 与其他各国相同，我国制造弧面分度凸轮的方法也选用范成法，虽然我国还对两重包络法以及自由曲面法进行了大量的研究， 研究结果仅满足于简单的弧面分度凸轮， 没有相应的技术手段满足复杂弧面分度凸轮的研制和运用， 所以我国仍然需要花费巨额的资金引进技术。

弧面分度凸轮的运用能够为设备提供较高的传动速度、精准的分度、较强的动力学性能以及良好的可靠性，所以该技术适合于多种自动化机械，例如餐饮、化工、烟草等需要做间歇性工作的生产机械。 总的来说，弧面分度凸轮的研究成果可以推动我国生产机械自动化技术的发展。

2 弧面分度凸轮的工作原理

如图1 所示为弧面分度凸轮的结构图。 从图中可知，弧面分度整体机构由弧面分度凸轮、 分度盘以及安装在分度盘上的滚子组成。 弧面分度凸轮的顶部平面（Z0）与分度盘轴线（y2）垂直， 该设计的用意是构建一个垂直交错轴之间高速间歇运动的机制。

当弧面分度凸轮以恒定角速度周期性运转时，分度盘上的滚子经凸轮弧面的带动，使从动的分度盘进行转位，方向由凸轮弧面决定。 当凸轮转动到平滑弧面时（停歇段），分度盘上的滚子会卡在凸轮的两侧，从而使凸轮转位，这时分度盘保持不动。 通过这样的工作原理，来实现上文所述的间歇性工作[2]。

图1 弧面分度凸轮平面结构图

3 弧面分度凸轮在设计上的主要参数

在弧面分度的凸轮结构中， 假设转盘的分度期是在0°～120°的旋转角度之间，转盘的运动改进了正旋的加速度曲线，分度角是45°，均匀地分布了八个工位。转盘的间歇期在120°～360°之间，这期间转盘会停止旋转。 凸轮的转速n=250r/min，保持匀速旋转， 中心距离c=180mm。 根据这些条件确定了几何设计参数，如表1 所示。

表1 几何设计参数

根据这些几何尺寸，在NX7.0 Modeling 的模块中，利用表达式的模块，并且根据三维造型的具体方法，最终做成了分度凸轮，如图2 所示。

图2 弧面分度凸轮模型图

4 弧面分度凸轮在数控机床中的设计与制造

4.1 CAM 技术的运用

弧面分度凸轮的实际空间构造极其复杂，而且对参数有着极高的要求，尤其是弧面分度凸轮的工作弧面。所以在选择编译数控制造程序的方法上，就有了更加苛刻的要求。 现如今的数控编译程序方法中，只有CAM 软件满足条件，并且还要通过计算机数控编程技术进行完善，以确保加工程序的准确生成[3]。 CAM软件可以根据弧面分度凸轮的三维模型直接生成加工程序，对于较为复杂的曲面，可以运用多轴数控编程技术，以编译精确性要求较高的程序， 配合弧面分度凸轮加工程序的完成。 而且CAM 软件技术可以与CAD 技术完美融合，二者互不干预，现实数据满足任何一种模块，无需做出调整，从而大幅度减少了由于数据频繁转换造成的误差。

4.2 制造工艺的规划

图3 弧面分度凸轮在机床上的固定方式

图4 部件及毛坯示意图

弧面分度凸轮的制造是以五轴联动数控机床为载体完成的，弧面分度凸轮在机床上的固定方式如图3 所示，固定的器件通常选择心轴以及螺母。 图4 所示为部件及毛坯示意图（着色为部件，线框表示毛坯），由图中的部件结构得知，弧面分度凸轮主要由工作弧面、间歇弧面构成，所以在加工过程中，这两部分的精度控制是整个加工环节的核心，必须选择CAM 软件辅助工件的加工。 结合对各方面因素的分析对制造工艺进行规划是生产的前提。 首先，应该对工件进行初级粗加工。 具体的操作是使用D20R0.8 的端铣刀对多余部分进行切除，完成一次开粗，在此基础上使用D10 的立铣刀对工件的余量部分进行切除， 达到二次开粗的目的。 然后对工件进行半细加工，由于凸轮的底面以及两个弧面都是直纹面，所以应该选取可变轮廓铣的方式，为加工刀路[3]的生成提供便利。

5 总结

弧面分度凸轮是一种形态相当复杂并且加工精度要求很高的零部件，可利用CAM 这一软件生成这种复杂零件的三维模型，并且可以根据这种模型编写多轴数控的相关程序，这既能提高生产产品的质量，又能节省开发需要的周期。 这种方法适合那些需要建立准确三维模型并且形态非常复杂， 需要用多轴机床加工的产品零部件， 以成产那些不能用具体数学模型表达出来的产品，但是毕竟这类产品很少，所以这种方法并未得到广泛应用。

[1]金作成，陈龙宝.圆柱分度凸轮机构的设计及凸轮的数控加工[J].机械传动，2011（4）:50-52.

[2]杨延峰.用于数控机床的弧面分度凸轮的设计与制造[D].北京:北京工业大学，2010（16）:5-7.

[3]余振华，许朝山，陈丽华.基于UG 软件的弧面分度凸轮的3D 建模与传动固有频率分析[J].机械传动，2011，35（9）:18-20.

[4]机械设计手册联合编写组.机械设计手册（中册）[M].北京:化学工业出版社，2010（39）:112-130.