［摘要］：本文通過對多軌跡空間凸輪在高速卷煙包裝機中的作用與結構功能分析，發現了機械加工的難題，采取了相應的解決措施，應用機械加工的理論與實踐經驗，制定出既科學合理又具有可操作性和經濟性的多軌跡空間凸輪工藝設計方案。經工藝試制和新產品YB47高速卷煙包裝機（550包/分）的試運轉，驗證了多軌跡空間凸輪工藝設計方案的科學性、合理性、可靠性和經濟性。為探索高精度復雜結構的多軌跡空間凸輪在超高速卷煙包裝機中的開發應用奠定工藝設計基礎。
［關鍵詞］：高速　多軌跡空間凸輪　數控程序　四軸四聯動 高速卷煙包裝機多軌跡空間凸輪的工藝設計與探索 朱亦茹 上海煙草機械有限責任公司技術開發部 ,機械傳動
　
      1 序言

　　空間凸輪最重要的用途之一是作為自動機械的間歇轉位即空間分度，主要用于把連續圓周運動轉換為間歇圓周運動，即作為空間凸輪分度機構應用。空間凸輪分度機構在各類高速卷煙包裝機中被廣泛運用。隨著卷煙包裝機技術的迅速發展，新型包裝機在包裝形式、包裝質量等方面有完善和提高之外，最重要的參數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發展到現在的500包/分以上的高速機，國外已開發出了800包/分的超高速卷煙包裝機。高速卷煙包裝機的包裝動作主要是通過多軌跡空間凸輪分度機構高速運動中實現的，因此多軌跡空間凸輪作為關鍵零件在高速卷煙包裝機分度機構中起著極為重要的關鍵作用。高速卷煙包裝機技術的發展與空間凸輪，特別是多軌跡空間凸輪分度機構的應用有著極為密切的必然聯系，是其它機構無法替代的。在我公司新產品YB47高速卷煙包裝機中（500包/分）就采用了G.D公司X3000（700包/分）卷煙包裝機的多軌跡空間凸輪分度機構。高精度空間凸輪作為高副機構零件其加工制造的復雜性，對工藝設計提出了全新的要求。

      2 多軌跡空間凸輪的工藝設計

　　2.1　多軌跡空間凸輪結構的比較與分析
　　當空間凸輪轉速n＞500r/min則為高速空間凸輪。空間凸輪分度機構的轉速越高，動載荷越大，因此產生的慣性力、沖擊力和振動也增大，對機構的分度精度、運動傳遞的平穩性造成很大的影響。圖1和圖2分別為卷煙包裝機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.轉速分別為n=400r/min和n=550r/min，轉速提高37.5%。
　　b.高速空間凸輪采用雙軌跡（A軌跡、B軌跡）、雙滾輪傳遞運動，而中速空間凸輪則用單軌跡單滾輪傳遞運動。
　　c.中速空間凸輪軌跡至定位基準的精度為±0.020mm，高速空間凸輪軌跡至定位基準的精度為±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構剛性差，容易變形。
　　2.2　多軌跡空間凸輪的加工分析
　　2.2.1　加工現狀
　　多軌跡空間凸輪分度機構是高副機構，運動中凸輪與滾輪之間是線接觸。凸輪長期高速運轉后軌跡面磨損嚴重，凸輪材料須滲碳淬硬處理，硬度達HRC58～62，因此凸輪軌跡需磨削加工。如YB45卷煙包裝機中的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控加工設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口或委外加工。
　　2.2.2　加工方式和加工設備的選擇
　　空間凸輪的加工通常采用四軸四聯動的數控鏜銑床或凸輪數控銑磨機床。機床的選擇則根據凸輪的結構、軌跡精度、熱處理狀態、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是凸輪在兩種機床上的裝夾方式。圖3是四軸四聯動的數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，受切削力的作用容易產生振動，導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瞬時被轉換到凸輪坐標系中的接觸線的集合，在建立三維數學模型的上具有一定的困難，因而不能用刀具補償方式在數控鏜銑床上加工空間凸輪，所以在精加工凸輪軌跡時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是數控鏜銑床和數控凸輪銑磨機的精度參數和加工能力的對照。由表1可知數控鏜銑床的主軸功率較小（WF72C是我公司數控鏜銑床設備中主軸功率最大的），又因裝夾方式的原因，加工時的切削量很小，其值為1～2毫米/刀，導致生產周期長。因此采用四軸四聯動的數控鏜銑床加工成本高。圖4是凸輪銑磨機床的加工裝夾方式。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，從而能消除受切削力的作用而產生的振動，保證凸輪軌跡精度和軌跡表面粗糙度要求。該機床具有銑削和磨削雙重加工功能，由表1可知，與四軸四聯動數控鏜銑床相比其機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8～15毫米/刀。機床的另一特點是數控操作系統具有刀具或磨輪自動補償功能，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刃磨或修正后可重復使用，因此加工成本明顯下降。綜合比較裝夾方式、機床精度、加工性能和加工能力，只有采用德國KOPP公司制造的當今世界上最為先進的FSK25S數控凸輪銑磨專用機床才能加工出符合高速卷煙包裝機設計要求的多軌跡空間凸輪。

圖3　數控鏜銑床

圖4　凸輪銑磨機

表1　數控鏜銑床和數控凸輪銑磨機的精度參數和加工能力的對照

加工設備 軸定位精度 重復定位精度 加工
方式 冷卻方式 主軸功率
凸輪銑磨機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
數控鏜銑床
WF72C x.y.z≤0.012
mm
C≤±15sec x.y.z≤0.006
mm
C≤±8sec 銑 常規冷卻 7.5kw

　　2.2.3　加工軟件
　　FSK25S數控凸輪銑磨機床是德國K00P公司制造的當今世界上最為先進的高精度凸輪加工專用機床，具備銑削和磨削雙重功能。其CNC數控系統采用最新的西門子840D系統，加工軟件是該公司最新研發成功的當今世界上最為先進的參數化編程的凸輪加工專用軟件（K0PPS0FTWARE），它具有自動復校凸輪參數擬合形成的軌跡是否符合加工要求并對凸輪軌跡自動進行最優化光順處理，保證加工的軌跡在精度上完全達到設計要求。如圖5圖6所示，在參數化數控程序編制程過程中只需輸入必須的技術參數即能自動計算并顯示出空間凸輪軌跡的旋向、角度、主軸的進給速率等參數，不僅提高程序的準確性和可靠性，而且給數控程序編制工作帶來極大的便利。該軟件的最大優點是在西門子840D數控系統上對機床的數控操作系統作了重大的改進和開發，機床的數控操作系統在加工空間凸輪時具有刀具或磨輪自動補償功能，基本解決了數控鏜銑床加工空間凸輪時刀具或磨輪不能補償的難題。即對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沒有嚴格的要求，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
　　通過對新產品YB47高速卷煙包裝機中1BBG41002400空間凸輪的結構（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。這種結構的零件給機械加工尤其對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%，零件的機械加工切削量較大，特別是凸輪軌跡經粗加工后，零件在結構上產生的應力分布不均勻，局部位置易產生應力集中現象，造成熱處理工序滲碳和淬硬后產生更大的變形，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力熱處理工序，使材料內部的應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，經熱處理淬硬后，產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象的發生，淬硬后凸輪表面硬度均勻，同時強調在淬硬時凸輪必須垂直吊放，即加熱時凸輪槽處于垂直狀態，以控制凸輪槽的變形量。若平放加熱，凸輪槽處于水平狀態，淬硬后易引起凸輪槽口的收縮或擴大，導致后道工序因變形過大而無法加工。因此，淬硬后產生的變形量，應控制在預先設定的加工余量中，從根本上有效控制凸輪在機械加工和熱處理后的變形量，同時又保證熱處理的質量。
　　2.2.5　磨輪材料的選擇
　　磨輪材料的選擇對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凸輪銑磨機的磨削具有高速、精密、高效的磨削特點，其主軸轉速50000r/min，砂輪線速度可達104.72m/s。在高速磨削中，CBN（立方氮化硼）砂輪的磨除率可達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零件，因此砂輪使用壽命長。
　　2.2.6　關鍵工序和加工余量的確定與控制
　　工藝設計的科學性、先進性、合理性、可操作性和經濟性是工藝設計能力和水平的綜合體現。關鍵工序確定和加工余量的設定，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極為重要的工藝設計環節。通過對新產品YB47高速卷煙包裝機中1BBG41002400空間凸輪的結構分析和變形狀況的預測，確定去應力和滲碳、淬硬熱處理工序為關鍵工序，重點控制。使其在最大程度上降低甚至消除粗加工后產生的零件結構內部應力，從而有效控制零件加工變形對后道加工工序的影響。在熱處理滲碳、淬火工序中則強調采用鹽浴爐加熱淬硬方式和淬硬時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，減少氧化和脫碳現象發生，使凸輪表面硬度均勻。而加工余量則在參照工藝標準的前提下充分考慮零件結構的特殊性、工藝要求和經濟性確定的。加工余量的過大既容易使零件產生切削變形和應力集中現象又缺乏經濟性，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，造成零件報廢。由此得出關鍵工序和加工余量間的關系即通過熱處理工序控制變形，保證后續工序的加工余量，而適當的加工余量又能彌補熱處理工序的不足，因此兩者是互補的。綜合各個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 工藝設計方案的確定

　　工藝設計方案的科學性、先進性、合理性、可操作性與經濟性對于零件最終能否滿足設計要求有必然的聯系。綜合空間凸輪的結構、技術要求、加工裝夾方式、加工設備、變形狀況、熱處理的措施、加工余量、生產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計方案為：鍛造→正火→車削→調質→車削→銑削→數控銑削（粗銑凸輪軌跡）→去應力→車削→數控銑削（精銑凸輪軌跡）→滲碳→劃線→鉆削→鹽浴淬硬、噴砂→內磨→平磨→萬磨→數控磨（精磨凸輪軌跡）→鉗工。

      4 多軌空間凸輪的工藝試制

　　工藝試制是對重要零件的工藝設計方案的鑒定，也是調整工藝設計方案的過程，驗證加工分析提出的工藝問題和解決措施的準確性。在工藝試制過程中，重點關注關鍵工序的控制和加工余量與變形狀態的相互關系，確保凸輪軌跡在各工序中的加工余量。對關鍵工序（熱處理去應力和滲碳、淬）產生的變形均做嚴格檢測。表2為凸輪軌跡熱處理變形量的記錄，結果顯示變形狀況符合上述加工分析預測，變形量完全控制在預期要求中。凸輪加工結束經檢驗各項技術參數均符合設計要求，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
去應力 1～1.5mm 0.3～0.45mm
滲碳、鹽浴淬火 0.3～0.35mm 0.1～0.15mm
      5 經濟性比較分析與未來空間凸輪工藝設計的探索

　　由于受加工設備和軟件的局限，X1、X2卷煙包裝機中的空間凸輪過去多以進口為主或委外加工。在YB47高速卷煙包裝機開發試制過程中，首次實現了多軌跡空間凸輪的國產化自制加工，并取得成功。填補了公司在新產品樣機開發試制階段只能依賴進口不能自制加工的空白，不僅在加工精度上滿足了設計要求，而且擺脫了G.D公司長期在加工技術和生產周期上的控制，使公司的生產計劃和裝配周期完全處于主動地位。更重要的是多軌跡空間凸輪的國產化試制成功，不僅對新產品YB47高速卷煙包裝機試制開發成功具有重大的現實作用，就公司可持續發展的戰略目標而言，對開發超高速卷煙包裝機更具深遠的歷史意義，為結構更復雜、精度更高的多軌跡空間凸輪奠定了工藝設計和加工基礎。空間凸輪的國產化試制成功使生產成本得到明顯下降。表3為進口與國產化空間凸輪的成本統計對比（以卷煙包裝機ZB45中的YB45.11.084—48空間凸輪為例）。1997年YB45.11.084—48空間凸輪的進口價為德國馬克1861.03DM，按當時匯率計算折合人民幣10235.67元。國產化成本價為2626.97元，只有進口價的25.66%，與進口價相比每個凸輪可節約人民幣7608.87元。每年按出產35臺套X2卷煙包裝機，每臺一件計，僅此一個凸輪一年可為公司節約人民幣266310.45元和外匯65136.05DM德國馬克。而新產品YB47高速卷煙包裝機（550包/分）中的1BBG41002400多軌跡空間凸輪據報價約850歐元，按現行匯率折合人民幣13132.5元。國產化成本價為3058.18元，只有進口價的23.29%，與進口價相比每個凸輪可節約10074.82元。按目前生產能力每年出產5臺套YB47卷煙包裝機，每臺兩件計，每年可為公司節約人民幣100743.2元和外匯8500歐元。隨市場需求的不斷增加其經濟效益將更為顯著。

表3　進口與國產化自制空間凸輪的成本對比

件　號 進口價 折合人民幣 自制成本 節約成本 節約率
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 結束語
　　本文運用理論與實踐相結合方法，對新產品YB47高速卷煙包裝機中的1BBG41002400多軌跡空間凸輪的結構、加工作了綜合分析。通過工藝試制，驗證工藝設計方案，解決了多軌跡空間凸的加工難題，經新產品試運轉證明各項參數完全達到了設計要求。首次實現了進口關鍵零件在新產品開發試制階段的國產化自制，這不僅體現了我公司國產化能力的提高和加強，而且為結構更復雜的高速、高精度多軌跡空間凸輪奠定了工藝設計和高速磨削加工的基礎。但在不斷提高多軌跡空間凸加工質量和加工效率上還可作進一步探索。今后還將通過對高速磨削的機理研究，優化高速磨削的工藝參數，以獲得更佳的磨削效果，提高磨削質量和加工效率。

【參考文獻】
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