第２８卷第４期 沈阳航空航天大学学报 ＶＯ１．２８ Ｎｏ．４ ２ ０ １ １年８月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ａｕｇ．２ ０ １ １ ，＋ ＋”＋ ＋“、 文章编号：２０９５—１２４８（２０１１）０４－００４７—０５ ＋机械工程十 ｋ ＋一＋ ＋”＋－ 推力槽形凸轮零件的数控加工工艺及数值处理 王鑫 ，郭建烨 ，于超 （１．三一重型装备有限公司，辽宁沈阳１１００２７；２．沈阳航空航天大学机电工程学院，辽宁沈阳１１０１３６） 摘要：以一种双面推力槽形凸轮为研究对象，主要研究了该零件的数控加工工艺及数值处理过 程。在工艺处理方面主要确定了工件的安装方式、加工坐标系、切削刀具和相关工艺参数以及走 刀路线等内容。在数值处理方面主要说明了计算编程轨迹基点坐标的过程，并以专用运算程序完 成了相关基点坐标的计算。基于本文结果编制的数控程序完全可以应用于实际生产，同时该研究 结果为相似凸轮类零件的数控加工提供了理论依据，并具有一定的实际参考价值。 关键词：数控加工；凸轮；工艺处理；数值处理；走刀路线 中图分类号：ＴＨ１６２ 文献标志码：Ｂ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５—１２４８．２０１１．０４．０１１ Ｏｎ ｔｈｅ ＮＣ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｔｈｒｕｓｔ ｇｒｏｏｖｅ ｃａｍ ＷＡＮＧ Ｘｉｎ ，ＧＵＯ Ｊｉａｎ—ｙｅ ，ＹＵ Ｃｈａｏ （１．ＳＡＮＹ Ｈｅａｖｙ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｌｔｄ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１００２７；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ ｎａｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １０１３６） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ＮＣ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｄｏｕｂｌｅ—ｓｉｄｅｄ ｔｈｒｕｓｔ ｇｒｏｏｖｅ ｃａｍ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ，ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｃｏｏｒｄｉ— ｎａｔｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｏｏｌｓ，ｔｈｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｅｅｄ ｐａｔｈｗａｙ ｍａｉｎｌｙ ｄｅｔｅｒ— ｍｉｎｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ ｏｆ ｂａｓｉｃ ｐｏｉｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏ— ｇｒａｍｍｉｎｇ ｌｏｃｕｓ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｒｅｌａｔｅｄ ｂａｓｉｃ ｐｏｉｎｔｓ ａｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｗｉｈｔ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ．Ｔｈｅ ＮＣ ｐｒｏｇｒａｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅ— ｓｕｉｔｓ ｐｒｏｖｅｓ ｔｏ ｂｅ ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ＮＣ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆｔｈｅ ｓｉｍｉｌａｒ ｃａｍ ｐａｒｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＮＣ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｃａｍ；ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｆｅｅｄ ｐａｔｈｗａｙ 数控加工在现代机械制造业中已经被广泛应 序编制的关键，合理的处理过程和结果是保证获 用。数控程序的编制是数控加工中的主要工作， 得正确数控程序的基础¨ 。本文以一种双面推 程序编制的结果就是将加工过程中刀具的轨迹、 力槽形凸轮为研究对象，重点分析了该零件在进 工艺参数等信息用数控系统所能识别的代码来表 行数控加工时的工艺及数值处理过程，基于处理 示，程序编制得正确与否将直接影响着数控加工 结果所编制出来的数控加工程序完全可以应用于 的质量。其中，数控加工的工艺及数值处理是程 该零件的实际生产。 收稿日期：２０１１—０４—２０ 作者简介：王鑫（１９８１一），男，辽宁北镇人，助理工程师，主要研究方向：机械加工及装配工艺，Ｅ．ｍａｉｌ：ｗｘ７２１５２１＠１６３．ｔｏｍ。 沈阳航空航天大学学报 第２８卷 直接影响到数控加工质量、生产效率及加工成 １ 凸轮零件的设计结构 本论文所研究的推力槽形凸轮属于双面结 本 。在加工本文所研究的凸轮凹槽时，选择在 配有ＦＡＮＵＣ ０ｉ—ＭＡ控制系统的ＶＭＣ．１０００立式 加工中心上进行。下面就以加工第一面凹槽曲线 轮廓为例，说明工艺处理过程主要完成的几方面 工作。 构，它为油田采油设备上的专用零件，其材料为灰 铸铁Ｈ＇Ｉ３００，该零件的生产类型为小批量生产。 凸轮零件的具体结构如图１所示。本文主要研究 该凸轮零件在数控铣削凹槽时的工艺及数值处理 过程，所以在进行数控加工之前，零件的其它表面 均已加工完毕。 ２．１工件的安装 由于数控机床是按照程序自动加工零件的， 在机床空间内刀具与零件之间总是存在一定的位 置关系。为了保证二者处于正确的位置，要求每 一个工件在夹具上的装夹必须精确定位，加工中 ２数控加工的工艺处理 数控加工工艺处理是编制数控程序首要解决 的问题，它也是编制数控程序的依据。无论是采 用手工编程方式还是自动编程方式，编程工作都 要从工艺处理开始。工艺处理过程是否合理，将 不允许变形，而且力求减少工件的装卸时间 ］。 根据数控加工的特点及对工件安装的要求，确定 此凸轮零件加工中采用专用夹具安装工件，以第 二面、孔 ３５＋０．０２５ｍｍ（Ｈ７）和键槽作为定位基 准，并采用开口垫圈配合螺母夹紧的方式。 ＜／ ／一． ＼ 图１推力槽形凸轮零件图 ２．２建立加工坐标系 在建立加工坐标系时，主要考虑加工坐标系 处理等工况合理选用加工刀具。另外，还应合理 选用切削用量及断屑槽形状与尺寸等以保证零件 的加工质量 。 原点尽量与设计基准重合，这样便于进行数值计 算 。由零件图可知，孔椰５＋０．０２５ ｎｌｌｌｌ的中 心为凹槽曲线的设计基准，故将工件坐标系原点 Ｄ（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ）选在孔 ３５＋０．０２５ｍｍ的中心线 结合凸轮零件的实际情况，在加工中选用两 把ｑ￣２５ｍｍ六刃高速钢立铣刀，分别用于粗加工、 半精加工（７３）和精加工（７４）。为了保证顺利加 工出所要求的凹槽深度，先用ｑ￣２５ｍｍ钻头（ｎ） 钻出底孔，然后再用￣２５ｍｍ的键槽铣刀（ ）将 与凸轮第一面的交点处。这样，可以根据夹具上 的圆柱销和定位平面，很容易找出加工坐标系原 点在机床坐标系中的坐标值，然后将该值用ＭＤＩ 方式输入到Ｇ５５对应的偏置寄存器中，在程序中 直接调用Ｇ５５命令即可建立该加工坐标系。 孔底铣平。在进行粗加工（开槽）时分两次走刀 完成，以避免ｚ向吃刀过深；而在进行半精加工 和精加工时一次走刀完成。粗加工与半精加工过 ２．３确定刀具及工艺参数 数控加工对刀具材料的硬度与耐磨性、强度 与韧性、耐热性等方面有较高要求，应根据工件材 程中可不必区分逆铣和顺铣方式，但是为保证表 面质量在精加工过程中要采用顺铣方式。具体的 刀具选择及工艺参数如表１所示。 料的切削加工性、粗精加工要求及冲击振动与热 第４期 王 鑫，等：推力槽形凸轮零件的数控加工工艺及数值处理 ４９ ２．４确定走刀路线 走刀路线是指数控加工过程中刀位点相对于 被加工工件的运动轨迹。走刀路线包括切削加工 的路径及刀具引入、返回等非切削空行程。确定 走刀路线时，首先要考虑保证加工质量，其次要使 数值计算简单，另外就是要使走刀路线尽量 短Ｅ ３，６－７］。 过程中才能建立或撤销刀补。在粗加工和半精加 工过程中，钻头（／＇１）和键槽铣刀（／２）在 点处 加工出预制孔，然后立铣刀（乃）从此处下刀开始 加工。根据表１确定的工艺参数，在进行刀具半 径左补偿和右补偿时，补偿量都选为２．２ ｍｍ，并 都为精加工留０．３ ｍｉｌｌ余量；在精加工过程中，为 保证表面质量都采用顺铣的加工方式。根据前面 工序加工的半径补偿量及加工余量值，此过程中 的半径补偿量都选为２．５ ｍｉｎ。另外，为了避免在 工件表面上留下刀具转接痕迹，在刀具对凹槽铣 削一周后要多走一段距离再离开加工表面。具体 的走刀路线及加工过程如表２所示。 结合零件结构图ｌ，编程轨迹为凹槽的中心 线轨迹，凹槽的内外侧表面可通过设置刀具半径 补偿的形式加工出来，这样可以大大提高编程效 率并简化编程过程。需要注意的是，本论文中所 采用的机床只有在快进（Ｇ００）或直线进给（Ｇ０１） 表２走刀路线具体规划 现将求解 和Ｄ 的坐标值及其过渡圆弧半径 ３数控加工的数值处理 数控加工中数值处理的目的是计算出编制程 序时要输入的刀具加工轨迹坐标值。本论文所研 究的凸轮凹槽轮廓是由直线和圆弧直接构成的曲 值 的计算过程介绍如下，依据此过程同样可以 求得ＴＡ 和Ｄ 的坐标值。 首先根据凸轮零件结构图对加工轨迹进行轮 廓分析。可以看到，圆弧Ｐ Ｐ 的半径为１０７ ｎ．１ｉｎ， 圆弧Ｐ Ｐ 的半径为７３ ｍｉｌｌ，它们的圆心坐标都为 Ｏ（Ｘｏ，ｒｏ）；直线Ｐ１ ＴＡ 与圆弧Ｐ１Ｐ３相切于Ｐ１ 点，过渡圆弧Ｐ ＴＡ 与圆弧Ｐ：Ｐ４相切于Ｐ 点，并 线，插补过程中不涉及曲线的拟合，所以数值处理 的主要任务就是计算出各个基点的坐标值 Ｉ９ Ｊ。 对于本凸轮的凹槽加工轨迹，需要计算坐标 与直线尸 相切于 ，点；同样，直线Ｐ，ＴＡ 与 值的基点为Ｐ。、Ｐ２、Ｐ３、ＰＶ４、ＴＡ 和 ，并且需计 圆弧Ｐ Ｐ，相切于Ｐ，点，过渡圆弧Ｐ４ ：与圆弧 Ｐ：Ｐ４相切于Ｐ４点，并与直线Ｐ，ＴＡ 相切于 算过渡圆弧圆心Ｄ，和Ｄ 的坐标值，而数值处理 的关键就是计算出 ，、 、Ｄ，和Ｄ 的坐标值。 点。因此，所加工的轮廓曲线是由四段圆弧和两 ５０ 段直线构成的。 沈阳航空航天大学学报 第２８卷 又因为０．点在直线ＯＰ 上，设直线ＯＰ 的 设，．。与 分别为尸。点的极径和极角，ｒ２与 分别为Ｐ 点的极径和极角，则Ｐ。（Ｘ ，ｙ１）和 Ｐ （ｘ２，ｙ２）的坐标值分别为： Ｘ￣ｒ２ｃｏｓｏ ｄ２斜率为ｋ ，则有下式成立： ｙ＾ Ｙｏ：ｋ２ＸＯ＝ Ａ２ ０ （４） 根据式（３）与式（４）即可解得Ｄ 点的坐标值 １ ＝ｒＹ１ ｓｉｎ ｌ ’ １ｒＥｓｉｎ ． ㈩ （ＸＯ，Ｙ０）。 由于直线ＯＰ 的斜率为：ｋ＝ｙＩ／ｘ。，则与之 垂直的切线Ｐ ＴＡ。斜率为：ｋ。＝一Ｘ ／ｙｌ，该切线 的方程可表示为： ａ１ ＋ｂｌＹ＋ｃｌ＝０ （２） 另外，直线０。ＴＡ 与直线ＯＰ 行，则直线 Ｄ。 的方程可表示为： Ｙ＝ｋｘ＋ｂ （５） 式中，ｂ＝Ｙ０一ｋｘｏ。 中：以１＝ｋｌ； ｌ＝一１；ｃｌ：Ｙ１一ｋｌＸ１。 根据式（２）与式（５）可得 点的坐标值 设０。点的坐标为（ ，Ｙ。），由于线段０。ＴＡ。 垂直于线段Ｐ ＴＡ。，且线段０。ＴＡ。的长度等于线 段０ Ｐ 的长度，所以有下式成立： （ 。，Ｙ。），从而计算出过渡圆弧半径尺。。同理可 计算出其它圆心和切点的坐标值。在实际的数值 处理中是通过编制一个专用程序来完成计算过程 的，输入值分别为Ｐ 点的极径ｒｌ和极角Ｏｔ。、Ｐ （ 一 ） ＋（ｙ。一ｙ ） ＝（ 一Ｉ厢（ ：２和极角Ｏｌ：，计算结果为过渡圆弧圆心 ）‘ 点的极径ｒ坐标值和切点（过渡圆弧起点）坐标值。其程序 计算结果如表３所示。 ㈩ 界面如图２所示¨ ，表１第一面各基点的坐标值 ）Ｊ 根据前面所得的结论，在确定相应的刀具、切 削用量、机床、夹具、工件材料及坯料后，可以对此 凸轮零件进行数控加工仿真分析，仿真所得的刀 具轨迹及凸轮第一面的加工结果如图３所示。 图２数值处理计算程序界面 ４数控程序的编制 根据已确定的加工步骤、走刀路线以及数值 处理结果，按数控指令要求即可编制出数控加工 程序。另外，由于加工过程中刀具在水平面内沿 编程轨迹要反复走刀，所以为了简化编程并考虑 到精加工时的顺铣要求，可编制两个子程序供主 程序调用。第一个子程序为顺圆子程序，刀具路 径可规划为：ＴＡｌ＿＋Ｐ２一十Ｐ４＿÷ ２＿÷Ｐ３＿÷尸１；第二 个子程序为逆圆子程序，刀具路径可规划为：Ｐ。 Ｐ，一 一Ｐ Ｐ： 。具体的数控程序内容 不再赘述。 — 图３零件数控￣ｊｗ－ｒ仿真图 第４期 王 鑫，等：推力槽形凸轮零件的数控加工工艺及数值处理 ５ｌ ５结论 主要研究了一种双面推力槽形凸轮的数控加 工工艺及数值处理过程。在工艺处理中，针对具 体的加工中心确定了工件的安装方式和定位基 准、加工坐标系以及切削刀具和相关工艺参数等 内容，并根据零件的结构特点和加工要求确定了 合理的走刀路线，从而为零件的数控加工奠定了 工艺基础。在数值处理中，以第一面的加工过程 为例，说明了计算凸轮凹槽编程轨迹基点坐标的 过程，并通过采用专门编制的运算程序完成了所 有基点坐标的计算，从而为加工程序的正确编制 提供了数据来源。本论文的研究结果为相似凸轮 类零件的数控加工提供了理论依据，并在制定各 种凸轮类零件数控加工工艺方面具有一定的实际 参考价值。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）： ［１］王永章．机床的数字控制技术［Ｍ］．哈尔滨：哈尔 滨工业大学出版社，１９９５． ［２］王仁德，赵春雨，张耀满。机床数控技术［Ｍ］．沈 阳：东北大学出版社，２００２． ［３］范炳炎．数控加工程序编制［Ｍ］．北京：航空工业 出版社，１９９５． ［４］王亚辉．平面槽形凸轮零件的数控加工［Ｊ］．工具 技术，￣２００９，４３（７）：７７—７９． ［５］王林鸿，刘品潇．盘状沟槽凸轮的数控加工［Ｊ］．机 械工程师，２００５（３）：４８—５０． 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