［摘要］：本文通過對(duì)多軌跡空間凸輪在高速卷煙包裝機(jī)中的作用與結(jié)構(gòu)功能分析，發(fā)現(xiàn)了機(jī)械加工的難題，采取了相應(yīng)的解決措施，應(yīng)用機(jī)械加工的理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，制定出既科學(xué)合理又具有可操作性和經(jīng)濟(jì)性的多軌跡空間凸輪工藝設(shè)計(jì)方案。經(jīng)工藝試制和新產(chǎn)品YB47高速卷煙包裝機(jī)（550包/分）的試運(yùn)轉(zhuǎn)，驗(yàn)證了多軌跡空間凸輪工藝設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性、合理性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。為探索高精度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多軌跡空間凸輪在超高速卷煙包裝機(jī)中的開發(fā)應(yīng)用奠定工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。
［關(guān)鍵詞］：高速　多軌跡空間凸輪　數(shù)控程序　四軸四聯(lián)動(dòng) 高速卷煙包裝機(jī)多軌跡空間凸輪的工藝設(shè)計(jì)與探索 朱亦茹 上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司技術(shù)開發(fā)部 ,機(jī)械傳動(dòng)
　
      1 序言

　　空間凸輪最重要的用途之一是作為自動(dòng)機(jī)械的間歇轉(zhuǎn)位即空間分度，主要用于把連續(xù)圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為間歇圓周運(yùn)動(dòng)，即作為空間凸輪分度機(jī)構(gòu)應(yīng)用。空間凸輪分度機(jī)構(gòu)在各類高速卷煙包裝機(jī)中被廣泛運(yùn)用。隨著卷煙包裝機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，新型包裝機(jī)在包裝形式、包裝質(zhì)量等方面有完善和提高之外，最重要的參數(shù)之一是包裝速度有了明顯的提高。從原來的500包/分以下中速卷煙包裝機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在的500包/分以上的高速機(jī)，國(guó)外已開發(fā)出了800包/分的超高速卷煙包裝機(jī)。高速卷煙包裝機(jī)的包裝動(dòng)作主要是通過多軌跡空間凸輪分度機(jī)構(gòu)高速運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)的，因此多軌跡空間凸輪作為關(guān)鍵零件在高速卷煙包裝機(jī)分度機(jī)構(gòu)中起著極為重要的關(guān)鍵作用。高速卷煙包裝機(jī)技術(shù)的發(fā)展與空間凸輪，特別是多軌跡空間凸輪分度機(jī)構(gòu)的應(yīng)用有著極為密切的必然聯(lián)系，是其它機(jī)構(gòu)無法替代的。在我公司新產(chǎn)品YB47高速卷煙包裝機(jī)中（500包/分）就采用了G.D公司X3000（700包/分）卷煙包裝機(jī)的多軌跡空間凸輪分度機(jī)構(gòu)。高精度空間凸輪作為高副機(jī)構(gòu)零件其加工制造的復(fù)雜性，對(duì)工藝設(shè)計(jì)提出了全新的要求。

      2 多軌跡空間凸輪的工藝設(shè)計(jì)

　　2.1　多軌跡空間凸輪結(jié)構(gòu)的比較與分析
　　當(dāng)空間凸輪轉(zhuǎn)速n＞500r/min則為高速空間凸輪。空間凸輪分度機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速越高，動(dòng)載荷越大，因此產(chǎn)生的慣性力、沖擊力和振動(dòng)也增大，對(duì)機(jī)構(gòu)的分度精度、運(yùn)動(dòng)傳遞的平穩(wěn)性造成很大的影響。圖1和圖2分別為卷煙包裝機(jī)YB45（400包/分）中的YB45.11.084—48和YB47（550包/分）中的1BBG41002400空間凸輪，通過比較得出以下不同處：

　　a.轉(zhuǎn)速分別為n=400r/min和n=550r/min，轉(zhuǎn)速提高37.5%。
　　b.高速空間凸輪采用雙軌跡（A軌跡、B軌跡）、雙滾輪傳遞運(yùn)動(dòng)，而中速空間凸輪則用單軌跡單滾輪傳遞運(yùn)動(dòng)。
　　c.中速空間凸輪軌跡至定位基準(zhǔn)的精度為±0.020mm，高速空間凸輪軌跡至定位基準(zhǔn)的精度為±0.015。中速空間凸輪兩軌跡之間的尺寸精度為±0.015mm，高速空間凸輪兩軌跡之間的尺寸精度為±0.010mm。
　　d.由于高速空間凸輪的雙軌跡在軌跡面上（見圖1E—E剖視）上下分布，因此軌跡面加工深度是中速空間凸輪的3倍以上。
　　d.高速空間凸輪比中速空間凸輪的結(jié)構(gòu)剛性差，容易變形。
　　2.2　多軌跡空間凸輪的加工分析
　　2.2.1　加工現(xiàn)狀
　　多軌跡空間凸輪分度機(jī)構(gòu)是高副機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)中凸輪與滾輪之間是線接觸。凸輪長(zhǎng)期高速運(yùn)轉(zhuǎn)后軌跡面磨損嚴(yán)重，凸輪材料須滲碳淬硬處理，硬度達(dá)HRC58～62，因此凸輪軌跡需磨削加工。如YB45卷煙包裝機(jī)中的YB45.11.084—48和YB47中的1BBG41002400空間凸輪材料為20CrMnTi，熱處理：T215—S0.5—C58。沒有磨削功能的專用數(shù)控加工設(shè)備是無法滿足空間凸輪的加工要求，因此多軌跡空間凸輪主要依賴進(jìn)口或委外加工。
　　2.2.2　加工方式和加工設(shè)備的選擇
　　空間凸輪的加工通常采用四軸四聯(lián)動(dòng)的數(shù)控鏜銑床或凸輪數(shù)控銑磨機(jī)床。機(jī)床的選擇則根據(jù)凸輪的結(jié)構(gòu)、軌跡精度、熱處理狀態(tài)、加工裝夾方式、加工效率及加工成本等因素確定。圖3和圖4是凸輪在兩種機(jī)床上的裝夾方式。圖3是四軸四聯(lián)動(dòng)的數(shù)控鏜銑床的加工裝夾方式。由于凸輪在加工過程中始終處于懸臂受力狀態(tài)，受切削力的作用容易產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致凸輪軌跡精度和軌跡的表面粗糙度不易保證。由于我公司目前的空間凸輪輪廓曲面是各個(gè)瞬時(shí)被轉(zhuǎn)換到凸輪坐標(biāo)系中的接觸線的集合，在建立三維數(shù)學(xué)模型的上具有一定的困難，因而不能用刀具補(bǔ)償方式在數(shù)控鏜銑床上加工空間凸輪，所以在精加工凸輪軌跡時(shí)所使用的刀具直徑必須與滾輪直徑相同，刀具稍有磨損即不能滿足加工要求，刀具的消耗量很大。表1是數(shù)控鏜銑床和數(shù)控凸輪銑磨機(jī)的精度參數(shù)和加工能力的對(duì)照。由表1可知數(shù)控鏜銑床的主軸功率較小（WF72C是我公司數(shù)控鏜銑床設(shè)備中主軸功率最大的），又因裝夾方式的原因，加工時(shí)的切削量很小，其值為1～2毫米/刀，導(dǎo)致生產(chǎn)周期長(zhǎng)。因此采用四軸四聯(lián)動(dòng)的數(shù)控鏜銑床加工成本高。圖4是凸輪銑磨機(jī)床的加工裝夾方式。其采用的一夾一頂裝夾方式，保證凸輪在加工過程中始終處于良好的受力狀態(tài)，從而能消除受切削力的作用而產(chǎn)生的振動(dòng)，保證凸輪軌跡精度和軌跡表面粗糙度要求。該機(jī)床具有銑削和磨削雙重加工功能，由表1可知，與四軸四聯(lián)動(dòng)數(shù)控鏜銑床相比其機(jī)床定位精度高主軸功率大，所以切削量也大為提高，不同的材料切削量可達(dá)8～15毫米/刀。機(jī)床的另一特點(diǎn)是數(shù)控操作系統(tǒng)具有刀具或磨輪自動(dòng)補(bǔ)償功能，即只要刀具或磨輪直徑小于滾輪直徑均能加工，并且磨損的刀具或磨輪經(jīng)刃磨或修正后可重復(fù)使用，因此加工成本明顯下降。綜合比較裝夾方式、機(jī)床精度、加工性能和加工能力，只有采用德國(guó)KOPP公司制造的當(dāng)今世界上最為先進(jìn)的FSK25S數(shù)控凸輪銑磨專用機(jī)床才能加工出符合高速卷煙包裝機(jī)設(shè)計(jì)要求的多軌跡空間凸輪。

圖3　數(shù)控鏜銑床

圖4　凸輪銑磨機(jī)

表1　數(shù)控鏜銑床和數(shù)控凸輪銑磨機(jī)的精度參數(shù)和加工能力的對(duì)照

加工設(shè)備 軸定位精度 重復(fù)定位精度 加工
方式 冷卻方式 主軸功率
凸輪銑磨機(jī)SFK25S x.y.z≤0.005
mm
C≤±5sec x.y.z≤0.003
mm
C≤±3sec 銑、磨 高壓恒定低溫 11kw
數(shù)控鏜銑床
WF72C x.y.z≤0.012
mm
C≤±15sec x.y.z≤0.006
mm
C≤±8sec 銑 常規(guī)冷卻 7.5kw

　　2.2.3　加工軟件
　　FSK25S數(shù)控凸輪銑磨機(jī)床是德國(guó)K00P公司制造的當(dāng)今世界上最為先進(jìn)的高精度凸輪加工專用機(jī)床，具備銑削和磨削雙重功能。其CNC數(shù)控系統(tǒng)采用最新的西門子840D系統(tǒng)，加工軟件是該公司最新研發(fā)成功的當(dāng)今世界上最為先進(jìn)的參數(shù)化編程的凸輪加工專用軟件（K0PPS0FTWARE），它具有自動(dòng)復(fù)校凸輪參數(shù)擬合形成的軌跡是否符合加工要求并對(duì)凸輪軌跡自動(dòng)進(jìn)行最優(yōu)化光順處理，保證加工的軌跡在精度上完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。如圖5圖6所示，在參數(shù)化數(shù)控程序編制程過程中只需輸入必須的技術(shù)參數(shù)即能自動(dòng)計(jì)算并顯示出空間凸輪軌跡的旋向、角度、主軸的進(jìn)給速率等參數(shù)，不僅提高程序的準(zhǔn)確性和可靠性，而且給數(shù)控程序編制工作帶來極大的便利。該軟件的最大優(yōu)點(diǎn)是在西門子840D數(shù)控系統(tǒng)上對(duì)機(jī)床的數(shù)控操作系統(tǒng)作了重大的改進(jìn)和開發(fā)，機(jī)床的數(shù)控操作系統(tǒng)在加工空間凸輪時(shí)具有刀具或磨輪自動(dòng)補(bǔ)償功能，基本解決了數(shù)控鏜銑床加工空間凸輪時(shí)刀具或磨輪不能補(bǔ)償?shù)碾y題。即對(duì)加工空間凸筋凸輪或空間槽凸輪所使用的刀具或磨輪直徑?jīng)]有嚴(yán)格的要求，只要刀具或磨輪直徑小于滾輪直徑均可用于加工。

圖　5

圖　6

　　2.2.4　加工變形及控制措施
　　通過對(duì)新產(chǎn)品YB47高速卷煙包裝機(jī)中1BBG41002400空間凸輪的結(jié)構(gòu)（見圖1）及各主要尺寸分析可以看出，由于軌跡面加工深度達(dá)37mm，兩軌跡面形成的凸筋最厚處18mm而最薄處約12mm，凸輪在槽部位（E—E剖面）的截面厚薄不均，從熱處理角度判斷屬易變形零件。這種結(jié)構(gòu)的零件給機(jī)械加工尤其對(duì)熱處理工序能否有效控制變形量是極為困難的。該零件的材料利用率僅為33%，零件的機(jī)械加工切削量較大，特別是凸輪軌跡經(jīng)粗加工后，零件在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的應(yīng)力分布不均勻，局部位置易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成熱處理工序滲碳和淬硬后產(chǎn)生更大的變形，難以保證后道工序的尺寸要求和加工控制。因此在凸輪軌跡面粗加工后須增加去應(yīng)力熱處理工序，使材料內(nèi)部的應(yīng)力得以降低甚至消除，從而在最大程度上減少加工變形。由于該凸輪是易變形零件，經(jīng)熱處理淬硬后，產(chǎn)生變形的部位主要集中在凸輪槽。采用鹽浴爐加熱淬硬方式，能保證零件在加熱過程中受熱均勻，并減少了氧化和脫碳現(xiàn)象的發(fā)生，淬硬后凸輪表面硬度均勻，同時(shí)強(qiáng)調(diào)在淬硬時(shí)凸輪必須垂直吊放，即加熱時(shí)凸輪槽處于垂直狀態(tài)，以控制凸輪槽的變形量。若平放加熱，凸輪槽處于水平狀態(tài)，淬硬后易引起凸輪槽口的收縮或擴(kuò)大，導(dǎo)致后道工序因變形過大而無法加工。因此，淬硬后產(chǎn)生的變形量，應(yīng)控制在預(yù)先設(shè)定的加工余量中，從根本上有效控制凸輪在機(jī)械加工和熱處理后的變形量，同時(shí)又保證熱處理的質(zhì)量。
　　2.2.5　磨輪材料的選擇
　　磨輪材料的選擇對(duì)凸輪軌跡面尺寸精度、表面粗糙度及加工效率有直接的影響。FSK25S凸輪銑磨機(jī)的磨削具有高速、精密、高效的磨削特點(diǎn)，其主軸轉(zhuǎn)速50000r/min，砂輪線速度可達(dá)104.72m/s。在高速磨削中，CBN（立方氮化硼）砂輪的磨除率可達(dá)2000mm/s，而普通砂輪的磨除率為500～1000mm/s。使用BCN（立方氮化硼）砂輪不僅可以加工各種材料而且在高速磨削中明顯改善軌跡面的磨削質(zhì)量，降低磨削力，獲得較小的尺寸誤差和形狀誤差，提高加工精度，一次修整可加工多個(gè)零件，因此砂輪使用壽命長(zhǎng)。
　　2.2.6　關(guān)鍵工序和加工余量的確定與控制
　　工藝設(shè)計(jì)的科學(xué)性、先進(jìn)性、合理性、可操作性和經(jīng)濟(jì)性是工藝設(shè)計(jì)能力和水平的綜合體現(xiàn)。關(guān)鍵工序確定和加工余量的設(shè)定，不僅在工序間起承上啟下的作用，而且是確保零件精度要求的一個(gè)極為重要的工藝設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。通過對(duì)新產(chǎn)品YB47高速卷煙包裝機(jī)中1BBG41002400空間凸輪的結(jié)構(gòu)分析和變形狀況的預(yù)測(cè)，確定去應(yīng)力和滲碳、淬硬熱處理工序?yàn)殛P(guān)鍵工序，重點(diǎn)控制。使其在最大程度上降低甚至消除粗加工后產(chǎn)生的零件結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力，從而有效控制零件加工變形對(duì)后道加工工序的影響。在熱處理滲碳、淬火工序中則強(qiáng)調(diào)采用鹽浴爐加熱淬硬方式和淬硬時(shí)凸輪必須垂直吊放的工藝要求，保證零件受熱均勻，控制凸輪槽的變形量，減少氧化和脫碳現(xiàn)象發(fā)生，使凸輪表面硬度均勻。而加工余量則在參照工藝標(biāo)準(zhǔn)的前提下充分考慮零件結(jié)構(gòu)的特殊性、工藝要求和經(jīng)濟(jì)性確定的。加工余量的過大既容易使零件產(chǎn)生切削變形和應(yīng)力集中現(xiàn)象又缺乏經(jīng)濟(jì)性，但加工余量偏小又難以保證熱處理工序后因變形而不能滿足銑削和磨削工序的加工余量的要求，造成零件報(bào)廢。由此得出關(guān)鍵工序和加工余量間的關(guān)系即通過熱處理工序控制變形，保證后續(xù)工序的加工余量，而適當(dāng)?shù)募庸び嗔坑帜軓浹a(bǔ)熱處理工序的不足，因此兩者是互補(bǔ)的。綜合各個(gè)因素后確定凸輪軌跡精加工（銑）余量為1～1.5mm，磨削加工余量為0.3～0.35mm

      3 工藝設(shè)計(jì)方案的確定

　　工藝設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性、先進(jìn)性、合理性、可操作性與經(jīng)濟(jì)性對(duì)于零件最終能否滿足設(shè)計(jì)要求有必然的聯(lián)系。綜合空間凸輪的結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求、加工裝夾方式、加工設(shè)備、變形狀況、熱處理的措施、加工余量、生產(chǎn)周期及加工成本等因素的分析，基本確定空間凸輪的工藝設(shè)計(jì)方案為：鍛造→正火→車削→調(diào)質(zhì)→車削→銑削→數(shù)控銑削（粗銑凸輪軌跡）→去應(yīng)力→車削→數(shù)控銑削（精銑凸輪軌跡）→滲碳→劃線→鉆削→鹽浴淬硬、噴砂→內(nèi)磨→平磨→萬磨→數(shù)控磨（精磨凸輪軌跡）→鉗工。

      4 多軌空間凸輪的工藝試制

　　工藝試制是對(duì)重要零件的工藝設(shè)計(jì)方案的鑒定，也是調(diào)整工藝設(shè)計(jì)方案的過程，驗(yàn)證加工分析提出的工藝問題和解決措施的準(zhǔn)確性。在工藝試制過程中，重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵工序的控制和加工余量與變形狀態(tài)的相互關(guān)系，確保凸輪軌跡在各工序中的加工余量。對(duì)關(guān)鍵工序（熱處理去應(yīng)力和滲碳、淬）產(chǎn)生的變形均做嚴(yán)格檢測(cè)。表2為凸輪軌跡熱處理變形量的記錄，結(jié)果顯示變形狀況符合上述加工分析預(yù)測(cè)，變形量完全控制在預(yù)期要求中。凸輪加工結(jié)束經(jīng)檢驗(yàn)各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)均符合設(shè)計(jì)要求，工藝試制得以完滿成功。

表2　凸輪軌跡熱處理變形量記錄

工　序 加工余量 熱處理后的變形量
去應(yīng)力 1～1.5mm 0.3～0.45mm
滲碳、鹽浴淬火 0.3～0.35mm 0.1～0.15mm
      5 經(jīng)濟(jì)性比較分析與未來空間凸輪工藝設(shè)計(jì)的探索

　　由于受加工設(shè)備和軟件的局限，X1、X2卷煙包裝機(jī)中的空間凸輪過去多以進(jìn)口為主或委外加工。在YB47高速卷煙包裝機(jī)開發(fā)試制過程中，首次實(shí)現(xiàn)了多軌跡空間凸輪的國(guó)產(chǎn)化自制加工，并取得成功。填補(bǔ)了公司在新產(chǎn)品樣機(jī)開發(fā)試制階段只能依賴進(jìn)口不能自制加工的空白，不僅在加工精度上滿足了設(shè)計(jì)要求，而且擺脫了G.D公司長(zhǎng)期在加工技術(shù)和生產(chǎn)周期上的控制，使公司的生產(chǎn)計(jì)劃和裝配周期完全處于主動(dòng)地位。更重要的是多軌跡空間凸輪的國(guó)產(chǎn)化試制成功，不僅對(duì)新產(chǎn)品YB47高速卷煙包裝機(jī)試制開發(fā)成功具有重大的現(xiàn)實(shí)作用，就公司可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)而言，對(duì)開發(fā)超高速卷煙包裝機(jī)更具深遠(yuǎn)的歷史意義，為結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、精度更高的多軌跡空間凸輪奠定了工藝設(shè)計(jì)和加工基礎(chǔ)?？臻g凸輪的國(guó)產(chǎn)化試制成功使生產(chǎn)成本得到明顯下降。表3為進(jìn)口與國(guó)產(chǎn)化空間凸輪的成本統(tǒng)計(jì)對(duì)比（以卷煙包裝機(jī)ZB45中的YB45.11.084—48空間凸輪為例）。1997年YB45.11.084—48空間凸輪的進(jìn)口價(jià)為德國(guó)馬克1861.03DM，按當(dāng)時(shí)匯率計(jì)算折合人民幣10235.67元。國(guó)產(chǎn)化成本價(jià)為2626.97元，只有進(jìn)口價(jià)的25.66%，與進(jìn)口價(jià)相比每個(gè)凸輪可節(jié)約人民幣7608.87元。每年按出產(chǎn)35臺(tái)套X2卷煙包裝機(jī)，每臺(tái)一件計(jì)，僅此一個(gè)凸輪一年可為公司節(jié)約人民幣266310.45元和外匯65136.05DM德國(guó)馬克。而新產(chǎn)品YB47高速卷煙包裝機(jī)（550包/分）中的1BBG41002400多軌跡空間凸輪據(jù)報(bào)價(jià)約850歐元，按現(xiàn)行匯率折合人民幣13132.5元。國(guó)產(chǎn)化成本價(jià)為3058.18元，只有進(jìn)口價(jià)的23.29%，與進(jìn)口價(jià)相比每個(gè)凸輪可節(jié)約10074.82元。按目前生產(chǎn)能力每年出產(chǎn)5臺(tái)套YB47卷煙包裝機(jī)，每臺(tái)兩件計(jì)，每年可為公司節(jié)約人民幣100743.2元和外匯8500歐元。隨市場(chǎng)需求的不斷增加其經(jīng)濟(jì)效益將更為顯著。

表3　進(jìn)口與國(guó)產(chǎn)化自制空間凸輪的成本對(duì)比

件　號(hào) 進(jìn)口價(jià) 折合人民幣 自制成本 節(jié)約成本 節(jié)約率
YB45.11.084—48 1861.03DM 10235.67 2626.97元 7608.87元 74.34%
1BBG41002400 約850歐元 13132.5元 3058.18元 10074.82元 76.71%

      6 結(jié)束語
　　本文運(yùn)用理論與實(shí)踐相結(jié)合方法，對(duì)新產(chǎn)品YB47高速卷煙包裝機(jī)中的1BBG41002400多軌跡空間凸輪的結(jié)構(gòu)、加工作了綜合分析。通過工藝試制，驗(yàn)證工藝設(shè)計(jì)方案，解決了多軌跡空間凸的加工難題，經(jīng)新產(chǎn)品試運(yùn)轉(zhuǎn)證明各項(xiàng)參數(shù)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。首次實(shí)現(xiàn)了進(jìn)口關(guān)鍵零件在新產(chǎn)品開發(fā)試制階段的國(guó)產(chǎn)化自制，這不僅體現(xiàn)了我公司國(guó)產(chǎn)化能力的提高和加強(qiáng)，而且為結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的高速、高精度多軌跡空間凸輪奠定了工藝設(shè)計(jì)和高速磨削加工的基礎(chǔ)。但在不斷提高多軌跡空間凸加工質(zhì)量和加工效率上還可作進(jìn)一步探索。今后還將通過對(duì)高速磨削的機(jī)理研究，優(yōu)化高速磨削的工藝參數(shù)，以獲得更佳的磨削效果，提高磨削質(zhì)量和加工效率。

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