圆柱凸轮加工方法及应用

西 南 交 通 大 学

本科毕业设计（论文）

圆柱凸轮加工方法及应用

年 级：2005级

学 号：20055355

姓 名：商飞

专 业：制造工程

指导老师：彭新宇

2009年6月

院 系 机械工程学院 专 业 制造工程 年 级 2005级 姓 名 商飞

题 目 圆柱凸轮加工方法及应用

指导教师

评 语

指导教师 (签章)

评 阅 人

评 语

评 阅 人 (签章) 成 绩

答辩委员会主任 (签章)

年 月 日

毕业设计（论文）任务书

班级 2005制造工程一班学生姓名商飞学号 20055355

发题日期：2009 年 3 月 5 日完成日期：2009年 6 月 15 日 题目圆柱凸轮加工方法及应用

1、本论文的目的、意义空间凸轮是空间凸轮机构中的关键零件，其传统方法加工难度大，周期长，加工精度低，对操作工人技术水平要求高。本文研究了采用CAD/CAM技术采用数控机床进行空间凸轮加工的方法。讨论整个加工工艺过程的决策。并采用UG/CAM技术针对具体凸轮的重要加工工序完成了加工程序和刀路仿真，并针对该重要工序设计夹具。通过对本课题的研究，能让学生深刻理解当前进行此类产品进行加工工艺决策的理论，有助于将其在几年大学所学习知识与实践结合并得到综合运用。使其初步具备从事技术和科研工作的能力。

2、学生应完成的任务收集并吸收关于此类产品的加工工艺决策理论的资料，深刻理解基于CAD/CAM的数控编程技术，将二者有机的结合在一起并运用于空间凸轮重要工序的加工程序编制并设计夹具（提供NC程序及电子或纸质夹具图）。

3、论文各部分内容及时间分配：（共 15 周）

第一部分 收集资料，吸收消化 ( 3周)

第二部分 确定技术路线，整理论文思路 (1 周)

第三部分 完成论文初稿 ( 6周)

第四部分 修改论文 ( 1周)

第五部分 定稿及其他 ( 1周)

评阅及答辩 ( 周)

备 注

指导教师： 年 月 日

审 批 人： 年 月 日

摘要

圆柱凸轮机构是一种用于高速间歇分度的空间凸轮机构，圆柱凸轮轮廓面与分度盘上均布的圆柱滚子共轭啮合。圆柱凸轮机构与平面凸轮机构相比,具有体积小、结构紧凑、刚性好、运转可靠、传动转矩大等优点,与传统的间歇机构如棘轮机构、槽轮机构等相比 ,具有分度精度高、动力学性能好等优点 ,目前已广泛用于包装机械、罐装机械等自动机械中。圆柱凸轮轮廓面属于空间复杂曲面，它的加工品质的高低直接影响圆柱分度凸轮机构的性能。圆柱凸轮槽曲线的加工较为复杂,过去通常采用手工描点、拟合轮廓、铣床粗铣和手工精锉等方法加工,不仅难度大、周期长,且加工后零件精度低、可靠性差,已难以满足对加工效率和精度的要求。

本文以等速圆柱凸轮为研究对象，通过一个圆柱凸轮实例，根据机械原理计算凸轮轮槽曲线表达式，经过数学分析建立UG表达式，运用UG软件的功能建立三维实体模型。按照圆柱凸轮的用途及要求讨论整个加工工艺过程的决策。设计重要加工工序的装夹方式，并使用AUTOCAD绘制装配图。采用UG/CAM技术针对具体凸轮的重要加工工序完成加工程序和刀路仿真。分别使用曲线驱动与曲面驱动两种方式加工凸轮槽，对于精度要求不高的圆柱凸轮精加工可以采用曲线驱动方式等径加工（即刀具直径与槽宽相等），精度要求高的圆柱凸轮精加工采用非等径加工。后处理生成机床可以直接使用的NC代码。

关键词：圆柱凸轮 数控加工 UG/CAM 工艺

Abstract

Cylindrical cam is a kind of space cam mechanism that used in high-speed interval toe index. The outline of cylindrical conjugate meshed. Compared with planar cam, cylindrical cam has such advantages: smaller volume, compact structure, stronger rigidity, trusted dependability and so on, then compared to the traditional intermittence mechanism take ratchet wheel mechanism and scored pulley for examples, the cylindrical cam is special at high degrees and precision, altogether with superior dynamics performace. Nowadays, cylindrical cams have been widely used in fields range from packing machinery to can packed machinery as well as automatic machineries. Flatness of cam contour are such complex space curved surface, the processing quality of them are strightly influence on the cylindrical cam’s function. As the technology of the round about is rather complex. In the past time, we usually adopt the method such as handwork point dot, fitting outline, rough shinning on milling machine and handwork exact shinning, but such would take rather hard time and long cycle, what’s more ,the products ‘ precision and reliability stays at a low level that can hardly meet our meets.

In this paper, we took cylindrical cam as our object of study, choose the cam for example, according to the basic calculate expression of principle of machinery on cylindrical cam. Then through the mathematical analysis, found the UG expression, take use of the soft ware-UG., set up the three dimensional full-scale model. We discuss the case about slove working technology course on the cam, of course, it should according the useage of the cam. We design the key steps of the working on clamping, then use AUTOCAD software to draw the installation diameter. We adopt the UG/CAM system to do the emulation on the detail kep steps of the working coure on cam’s course. In the course, we take both curved shape driving and curved surface driving ways to work on cam manger. To those working on cams not very at a high precision, we could take way of curved shape drving equal diameter. To those working insist a high precision, we could take way of none-equal diameter. in the after-treatment generate machine tool, we strightly use the NC code.

key words： Cylindrical cam NC machining UG/CAM Technology

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西南交通大学本科毕业设计(论文)

目录

摘要ⅣABSTRACT V 第1章 绪论1 1.1课题背景 1 1.2凸轮机构的分类及凸轮廓面加工方法研究概况 3

1.2.1 凸轮机构的分类 3

1.2.2 凸轮廓面加工方法研究概况 4 1.3本文研究的主要内容 6第2章 三维模型建立7 2.1圆柱凸轮参数 7 2.2数学模型的建立 7 2.3推导UG表达式 7 2.4生成凸轮轮廓曲线和凸轮实体 9第3章 数控加工工艺 12 3.1圆柱凸轮的加工工艺分析 12 3.2凸轮材料及热处理 13 3.3圆柱凸轮的加工工艺过程 14

3.3.1数控加工设备 14

3.3.2工装设计 14

3.3.3工序设计和加工参数选择 18

3.3.4走刀方式 18 3.3UG加工 20

3.3.1曲线驱动方式 20

3.3.2曲面驱动方式 25结论30致谢31参考文献 32附录1：曲线驱动方式加工代码 33附录2：曲面驱动方式加工代码 47

第1章 绪论

1.1课题背景

凸轮机构与齿轮机构和连杆机构等都是机械传动的常用机构。凸轮机构或包含凸轮机构的组合机构可以实现几乎所有简单的、复杂的重复性机械动作。因此凸轮机构是机械化、自动化生产设备中的关键零部件。凸轮机构由凸轮、从动件或从动件系统、机架等组成。一般情况下，凸轮做匀速回转运动，从动件做预期的输出运动。凸轮机构具有结构紧凑、性能可靠、传动扭矩大等诸多优点，在纺织机械、烟草机械、玻璃机械、包装机械、农业机械、印刷机械、数控机床、加工中心、自动办公设备、自动化仪表、电子元件自动加工机械、服装加工机械以及其他各种轻工自动机械领域应用十分普遍。它们在实现间歇运动、分度运动、较大升程运动要求及其它复杂运动要求方面具有很强的适应性。

图 1－1、1－2、1－3 所示是比较典型的凸轮零件的应用。

凸轮机构之所以能在上述自动机械中获得如此广泛的应用，是因为它兼有传动导向及控制机构的各种功能。当凸轮机构用作传动机构时，可以产生复杂的运动规律包括变速范围较大的非等速运动，乃至暂时停留或各种步进运动。凸轮机构也适宜于用作导向机构，使工作机构产生复杂的运动轨迹。当凸轮机构用作控制机构时，可以控制执行机构的自动工作循环。

1.2 凸轮机构的分类及凸轮廓面加工方法研究概况

1.2.1 凸轮机构的分类

凸轮机构可以按照输入，输出运动的类型、从动件形状、从动件安装位置和凸轮形状来对凸轮机构进行分类。

(1)按输入一输出运动类型分类

1)回转凸轮与直动式从动件机构；

2)回转凸轮与摆动式从动件机构；

3)移动凸轮与直动式从动件机构；

4)固定凸轮与直动式从动件机构；

5)固定凸轮与摆动式从动件机构；

(2)按从动件形状分类

1)尖端从动件；

2)滚子从动件；

3)平底从动件或倾斜的平底从动件；

4)球面从动件；

(3)按从动件的安装位置分类

1)对心从动件；从动件的中心线通过凸轮轴的中心线。

2)偏置从动件；从动件的中心线不通过凸轮轴的中心线，它们之间的距离就是偏心距。由于偏置使从动件上的侧向受力减小。

(4)按凸轮形状分类

1)直线移动平板式凸轮；

2)径向盘形凸轮；

3)圆柱凸轮及桶状或锥形凸轮;

4)球形凸轮；

5)端面凸轮；

6)三维空间凸轮；

本课题主要研究圆柱凸轮，圆柱凸轮是在圆柱体的表面上开有槽沟，或是端面具有特定的形状。圆柱体绕本身轴线回转，但其曲面不是在半径方向变化，而是在轴向方向上变化，从而使从动件作摆动或沿其轴线方向作直线运动。圆柱凸轮属空间凸轮的一种,其基体呈圆柱状,分为槽形和突缘形(脊形) 两种。圆柱凸轮机构是一种用于高速间歇分度的空间凸轮机构，圆柱凸轮廓面与分度盘上均布的圆柱滚子共轭啮合。圆柱凸轮机构与平面凸轮机构相比,具有体积小、结构紧凑、刚性好、运转可靠、传动转矩大等优点, 与传统的间歇机构如棘轮机构、槽轮机构等相比 ,

具有分度精度高、动力学性能好等优点 ,目前已广泛用于包装机械、罐装机械等自动机械中。它们在实现间隙分度运动、较大运动升程方面具有很强的适应性。圆柱凸轮的种类很多,按从动件的形状可分为圆柱滚子和圆锥滚子圆柱凸轮两种,圆柱凸轮还有移动从动件和摆动从动件之分。

1.2.2 凸轮廓面加工方法研究概况

凸轮加工的关键是型面加工。加工凸轮型面的方法可分为两类：一类是用手工、机床挂轮和数控机床等直接加工；另一类是用仿形法间接加工。仿形法生产率高，适于成批大量生产。由于按靠模仿形时，靠模的制造误差和仿形过程的误差，都会影响到工件加工精度，所以凸轮的直接加工法一般要比间接加工法容易控制加工精度，生产率一般较低，多用于单件、小批生产。但数控机床加工也用于中批生产。凸轮加工的关键是型面加工。加工凸轮型面的方法可分为两类：一类是用手工、机床挂轮和数控机床等直接加工；另一类是用仿形法间接加工。

一:直接加工法

(1)按划线加工 按划线加工是指加工好凸轮基准面后，由钳工划出凸轮工作型面线，然后按线粗铣或钻孔后锯开，最后由钳工修挫成形，用金属板划线后按线检验。此法生产率低，只适宜单件生产精度较低的凸轮。

(2)在铣床上用分度头及挂轮铣 凸轮工作型面为阿基米德螺旋线和渐开线时，可在铣床上利用分度头和挂轮铣削，如图1-4所示。加工时，工件装在分度头上，并与水平线倾斜。角，工作台由丝杠挂轮传动。随着分度头的旋转，分度头与工作台带动凸轮坯逐渐向铣刀靠近，从而铣出各种型面曲线。分度头主轴倾斜角是为了确定挂轮齿数时便于计算和利用一套挂轮铣出多种曲线而设的。这种凸轮型面加工方法因受传动精度等影响，型面精度不很高，主要用于不淬硬凸轮的加工和型面磨削前的预加工

(3)用数控机床加工 随着数控机床的日益发展和普及，中小批量凸轮越来越多地利用数控机床进行加工。在数控机床上加工凸轮型面时，先根据凸轮型面的参

数编制程序，输入到数控装置中，控制机床的纵横进给运动，完成凸轮型面的自动加工。其精度和可靠性大为提高。

二：仿型加工法

仿型加工法也叫复制加工，它是按靠模或样板凸轮的原型加工。广泛应用于凸轮的中批及大批生产中。

属于仿形法加工的有：靠模车削、仿形铣削和仿形磨削。现代的凸轮仿形法加工，多用液压仿形铣床、光电跟踪仿形铣床和伤形磨床等加工。

（1）靠模车凸轮 在普通车床上，利用仿形装置可以加工具有封闭轮廓的盘形和圆柱形的凸轮，如图1-5所示。

图中在普通车床上安装了带有滚子的靠模装置，通过靠模2把凸轮工作表面尺寸转换到刀具的运动上去，横拖板上的滚子3借助于弹簧的作用始终保持与靠模接触。切削时纵向进给自动(或手动)进行，而横向进给由靠模控制，从而加上出成型工作表面。

（2）仿形铣凸轮 利用靠模夹具铣削凸轮的工作情况可参见图1-6。

机械式仿形加工凸轮时，靠模磨损快，加工精度低。现代的仿形铣床，采用液压或电液仿形系统，光电跟踪仿形系统等。采用液压或电液仿形铣床时，由于靠模所受压力极小，使用寿命长，因而可以采用铸铁、铝合金、木材、石膏等

容易加工的材料制造。采用光电跟踪仿形时，由于光电系统可跟踪白色背景上的黑线、工艺人员只需绘制凸轮的轮廓图，就可按图进行轮廓仿形加工。

（3）仿形磨削凸轮 仿形磨削用于加工凸轮型面已淬硬且粗糙度要求小，轮廓功线的向径精度要求较高的凸轮。

仿形磨削可在通用机床上安装仿形装置和磨头进行加工，亦可在专门的仿形磨床上加工，它们的构造与工作原理基本上与仿形铣削相同。

使用数控机床加工凸轮目前渐渐增多，是一种较新的加工方法。

三：用专用靠模、专用夹具枉普通立铣床上铣削

在立铣床上松开刀架横向进给的螺丝，靠配通产生的力迫使滚于一直靠紧靠模。这种方法在工厂既没靠模铣床， 又没有数控机床的条件下而生产批量又较大的场合下使用。

四：在万能铣床上加工

从动杆作匀速运动的凸轮，盘状凸轮的轮廓曲线是阿基米德螺线，圆柱凸轮的槽展开图为一斜直线。 这两种凸轮的轮廓曲线可以在万能铣床上加工，只要计算好配换齿轮，刀具即能按上述曲线运动，加工比较方便。

1.3本文研究的主要内容

空间凸轮是空间凸轮机构中的关键零件，圆柱凸轮槽曲线的加工较为复杂,过去通常采用手工描点、拟合轮廓、铣床粗铣和手工精锉等方法加工,不仅难度大、周期长,且加工后零件精度低、可靠性差,已难以满足对加工效率和精度的要求。当圆柱凸轮槽宽度不大时，可以找到相应直径的立铣刀沿槽腔中心线进行加工，比较容易加工出符合上述要求的圆柱凸轮槽。由于这种方法有太多的局限性，给实际铣削加工带来许多困难。一是一旦找不到与槽宽尺寸相等的标准刀具时，就必须对刀具进行改制。对于槽宽尺寸较大的圆柱凸轮槽，很难找到直径与槽宽相等的标准刀具。即使有相应的刀具，还要考虑机床主轴输出功率及主轴和工装夹具刚度的限制，特别是机床主轴结构对刀具的限制。二是凸轮槽的表面质量和尺寸精度不易控制。三是实际加工过程中很难实现宽槽的加工。将CAD/ CAM技术应用于圆柱凸轮的数控编程加工,能有效提高产品的制造精度和加工效率。本文研究采用CAD/CAM技术采用数控机床进行空间凸轮加工的方法。讨论整个加工工艺过程的决策。并采用UG/CAM技术针对具体凸轮的重要加工工序完成了加工程序和刀路仿真。通过对本课题的研究，能深刻理解当前进行此类产品进行加工工艺决策的理论，有助于将几年大学所学习知识与实践结合并得到综合运用。初步具备从事技术和科研工作的能力。

第2章 三维模型建立

2.1圆柱凸轮参数

=50mm，圆柱高 H=100mm，从动件行程 h=40mm，曲线槽宽 圆柱半径r

b=16mm，槽深 v=16mm,凸轮中心孔直径50mm，键槽宽8mm深度4mm已知推杆的运动规律为：

( 1 ) 当凸轮转过 1 2 0° 时从动件按余弦加速度运动规律推程h ；

( 2 ) 凸轮再转6 0°时从动件停止不动；

( 3 ) 凸轮又转过 1 2 0°时从动件按余弦加速度运动规律回程 h ；

( 4 ) 最后凸轮转过6 0°时从动件又停止不动。

根据以上条件设计凸轮的实际轮廓曲线，并生成凸轮的三维实体。

2.2数学模型的建立

根据机械原理知识,圆柱凸轮理论轮廓曲线参数方程为

x= r cos j

y= r sin j

z=s

式中：x、y、z表示曲线上任意点坐标；s表示升程；r表示基圆半径j表示凸

轮的转角。由此看来，绘制凸轮理论轮廓曲线的关键是计算升程s 。

根据运动特性，各段升程计算如下：

( 1 ) 推程阶段 推程运动角 a n g l e l=1 2 0°，行程 s =( h／2 ) ( 1-c o s l 8 0 t )

( 2 ) 远休止阶段 远休止角a n g l e 2= 6 0 °，行程s = ( h／2 ) ( 1-c o s l 8 0 )= h

( 3 ) 回程阶段 回程运动角 a n g l e 3=1 2 0°，行程 s = ( h／2 ) ( 1-cos( 1 8 0 t+1 8 0 ) )

( 4 ) 近休止阶段 近休止角 a n g l e 4= 6 0 °，行程 s = ( h／2 ) ( 1 -c o s 0 )=0

其中t 为 UG系统变量， 0≤t≤1 。

2.3推导 UG表达式

根据以上数学分析及 U G表达式的创建要求，凸轮各工作段的 U G表达式如下：

( 1 ) 已知驱动参数

h= 40 凸轮升程,mm

r= 50 圆柱半径，mm

b=16 凹槽宽度，mm

v=16 凹槽深度，mm

c =100 圆柱高度，mm

t = 0 U G规律曲线系统变量

( 2 ) 推程余弦加速理论曲线 A B段

a n g l e l=1 2 0 凸轮推程运动角， (°)

j

1

= a n g l e l* t 推程角变量， (°)

s=( h／2 ) ( 1-cos l 8 0 t ) 从动件按余弦加速度运动规律推程升程变量，mm 1

x 1= r

cos j

1

推程理论曲线x坐标值，mm

y 1= r

sin j

1

推程理论曲线y坐标值，mm

z 1=s

1

推程理论曲线z 坐标值，mm

( 3 ) 远休止过程理论曲线 B C段

angle2=60 凸轮远休止角， (°)

j=angle1+angle2*t 远休止角变量， (°)

2

s=( h／2 ) ( 1-cos l 8 0 ) 从动件远休止升程，mm 2

x= r

0cos j 远休止理论曲线 坐标值，mm

22

y= r

0sin j 远休止理论曲线Y坐标值，mm

22

z= s 远休止理论曲线 z 坐标值，mm 22

( 4 ) 回程余弦加速理论曲线 C D段

angle3=120 凸轮回程运动角， (°)

j=angle1+angle2+angle3*t 回程角变量， (°)

3

s =( h／2 ) ( 1- cos ( 1 8 0 t +1 8 0 ) 从动件按余弦加速度运动规律回程升程变量，mm

x

3=r cos j 回程理论曲线 坐标值，mm 03

y

3=r sin j 回程理论曲线 Y坐标值，mm 03

z=s 回程理论曲线 z 坐标值， mm

33

( 5 ) 近休止过程理论曲线 D A段

angle4=60 凸轮近休止角， (°)

j=angle1+angle2+angle3+angle4*t 近休止角变量， (°) 4

s=( h／2 ) ( 1-c o s 0) 从动件近休止升程， mm

4

x= r

0cos j近休止理论曲线 坐标值，mm

44

y= r

0sin j 近休止理论曲线 Y坐标值，mm

44

z= s 近休止理论曲线z 坐标值， mm

44

2.4生成凸轮轮廓曲线和凸轮实体

( 1 ) 在 U G建模环境下输入以上表达式(包括驱动参数) ，通过曲线〉规律曲线命令绘制理论轮廓曲线( 图2-1 ) 。

图2-1 圆柱凸轮槽曲线

( 2 ) 将工作坐标系沿z 轴负方向移动30 mm,画半径r 50 mm 的圆( 图2-2 )，然后对圆进行拉伸成型操作(拉伸起始值为0 ，结束值为 c) 成形圆柱体。再对整个轮廓曲线进行拉伸成型操作( 拉伸起始值为0，结束值为b )，并偏置v (v 为凹槽深度)形成凸轮凹槽实体最后通过布尔运算获得圆柱凸轮实体( 图2-3)

图2-2 圆柱凸轮槽曲线及圆柱底面投影

图2-3 圆柱凸轮槽

进入xy草图在底面画直径50mm的圆并拉伸作布尔减运算形成凸轮内孔，进入xy草图，画长宽分别为29mm，8mm的矩形，完成草图，拉伸100mm做布尔减运算形成键槽如图4所示，至此，三维模型完成

图2-4 圆柱凸轮实体

第3章 数控加工工艺

3.1圆柱凸轮的加工工艺分析

由于圆柱凸轮轮廓面为三维空间曲面，故采用展成法加工圆柱凸轮(图1)，其原理是：一方面将要加工的凸轮毛坯模拟其在工作中的旋转运动(沿其中心轴线)，另一方面让铣刀中心模拟圆盘上的某一个滚子中心轨迹运动，两模拟运动协调动作