高速卷烟包装机多轨迹空间凸轮的工艺设计与探索

1　序言 　　空间凸轮最重要的用途之一是作为自动机械的间歇转位即空间分度，主要用于把连续圆周运动转换为间歇圆周运动，即作为空间凸轮分度机构应用。空间凸轮分度机构在各类高速卷烟包装机中被广泛运用。随着卷烟包装机技术的迅速发展，新型包装机在包装形式、包装质量等方面有完善和提高之外，最重要的参数之一是包装速度有了明显的提高。从原来的500包/分以下中速卷烟包装机发展到现在的500包/分以上的高速机，国外已开发出了800包/分的超高速卷烟包装机。高速卷烟包装机的包装动作主要是通过多轨迹空间凸轮分度机构高速运动中实现的，因此多轨迹空间凸轮作为关键零件在高速卷烟包装机分度机构中起着极为重要的关键作用。高速卷烟包装机技术的发展与空间凸轮，特别是多轨迹空间凸轮分度机构的应用有着极为密切的必然联系，是其它机构无法替代的。在我公司新产品YB47高速卷烟包装机中（500包/分）就采用了G.D公司X3000（700包/分）卷烟包装机的多轨迹空间凸轮分度机构。高精度空间凸轮作为高副机构零件其加工制造的复杂性，对工艺设计提出了全新的要求。 2　多轨迹空间凸轮的工艺设计 　　2.1　多轨迹空间凸轮结构的比较与分析 　　当空间凸轮转速n＞500r/min则为高速空间凸轮。空间凸轮分度机构的转速越高，动载荷越大，因此产生的惯性力、冲击力和振动也增大，对机构的分度精度、运动传递的平稳性造成很大的影响。图1和图2分别为卷烟包装机YB45（400包/分）中的YB45.11.084—48和YB47（550包/分）中的1BBG41002400空间凸轮，通过比较得出以下不同处： 　　a.转速分别为n=400r/min和n=550r/min，转速提高37.5%。 　　b.高速空间凸轮采用双轨迹（A轨迹、B轨迹）、双滚轮传递运动，而中速空间凸轮则用单轨迹单滚轮传递运动。 　　c.中速空间凸轮轨迹至定位基准的精度为±0.020mm，高速空间凸轮轨迹至定位基准的精度为±0.015。中速空间凸轮两轨迹之间的尺寸精度为±0.015mm，高速空间凸轮两轨迹之间的尺寸精度为±0.010mm。 　　d.由于高速空间凸轮的双轨迹在轨迹面上（见图1E—E剖视）上下分布，因此轨迹面加工深度是中速空间凸轮的3倍以上。 　　d.高速空间凸轮比中速空间凸轮的结构刚性差，容易变形。 　　2.2　多轨迹空间凸轮的加工分析 　　2.2.1　加工现状 　　多轨迹空间凸轮分度机构是高副机构，运动中凸轮与滚轮之间是线接触。凸轮长期高速运转后轨迹面磨损严重，凸轮材料须渗碳淬硬处理，硬度达HRC58～62，因此凸轮轨迹需磨削加工。如YB45卷烟包装机中的YB45.11.084—48和YB47中的1BBG41002400空间凸轮材料为20CrMnTi，热处理：T215—S0.5—C58。没有磨削功能的专用数控加工设备是无法满足空间凸轮的加工要求，因此多轨迹空间凸轮主要依赖进口或委外加工。 　　2.2.2　加工方式和加工设备的选择 　　空间凸轮的加工通常采用四轴四联动的数控镗铣床或凸轮数控铣磨机床。机床的选择则根据凸轮的结构、轨迹精度、热处理状态、加工装夹方式、加工效率及加工成本等因素确定。图3和图4是凸轮在两种机床上的装夹方式。图3是四轴四联动的数控镗铣床的加工装夹方式。由于凸轮在加工过程中始终处于悬臂受力状态，受切削力的作用容易产生振动，导致凸轮轨迹精度和轨迹的表面粗糙度不易保证。由于我公司目前的空间凸轮轮廓曲面是各个瞬时被转换到凸轮坐标系中的接触线的集合，在建立三维数学模型的上具有一定的困难，因而不能用刀具补偿方式在数控镗铣床上加工空间凸轮，所以在精加工凸轮轨迹时所使用的刀具直径必须与滚轮直径相同，刀具稍有磨损即不能满足加工要求，刀具的消耗量很大。表1是数控镗铣床和数控凸轮铣磨机的精度参数和加工能力的对照。由表1可知数控镗铣床的主轴功率较小（WF72C是我公司数控镗铣床设备中主轴功率最大的），又因装夹方式的原因，加工时的切削量很小，其值为1～2毫米/刀，导致生产周期长。因此采用四轴四联动的数控镗铣床加工成本高。图4是凸轮铣磨机床的加工装夹方式。其采用的一夹一顶装夹方式，保证凸轮在加工过程中始终处于良好的受力状态，从而能消除受切削力的作用而产生的振动，保证凸轮轨迹精度和轨迹表面粗糙度要求。该机床具有铣削和磨削双重加工功能，由表1可知，与四轴四联动数控镗铣床相比其机床定位精度高主轴功率大，所以切削量也大为提高，不同的材料切削量可达8～15毫米/刀。机床的另一特点是数控操作系统具有刀具或磨轮自动补偿功能，即只要刀具或磨轮直径小于滚轮直径均能加工，并且磨损的刀具或磨轮经刃磨或修正后可重复使用，因此加工成本明显下降。综合比较装夹方式、机床精度、加工性能和加工能力，只有采用德国KOPP公司制造的当今世界上最为先进的FSK25S数控凸轮铣磨专用机床才能加工出符合高速卷烟包装机设计要求的多轨迹空间凸轮。 图3　数控镗铣床 图4　凸轮铣磨机 表1　数控镗铣床和数控凸轮铣磨机的精度参数和加工能力的对照 加工设备 轴定位精度 重复定位精度 加工 方式 冷却方式 主轴功率 凸轮铣磨机SFK25S x.y.z≤0.005 mm C≤±5sec x.y.z≤0.003 mm C≤±3sec 铣、磨 高压恒定低温 11kw 数控镗铣床 WF72C x.y.z≤0.012 mm C≤±15sec x.y.z≤0.006 mm C≤±8sec 铣 常规冷却 7.5kw 　　2.2.3　加工软件 　　FSK25S数控凸轮铣磨机床是德国K00P公司制造的当今世界上最为先进的高精度凸轮加工专用机床，具备铣削和磨削双重功能。其CNC数控系统采用最新的西门子840D系统，加工软件是该公司最新研发成功的当今世界上最为先进的参数化编程的凸轮加工专用软件（K0PPS0FTWARE），它具有自动复校凸轮参数拟合形成的轨迹是否符合加工要求并对凸轮轨迹自动进行最优化光顺处理，保证加工的轨迹在精度上完全达到设计要求。如图5图6所示，在参数化数控程序编制程过程中只需输入必须的技术参数即能自动计算并显示出空间凸轮轨迹的旋向、角度、主轴的进给速率等参数，不仅提高程序的准确性和可靠性，而且给数控程序编制工作带来极大的便利。该软件的最大优点是在西门子840D数控系统上对机床的数控操作系统作了重大的改进和开发，机床的数控操作系统在加工空间凸轮时具有刀具或磨轮自动补偿功能，基本解决了数控镗铣床加工空间凸轮时刀具或磨轮不能补偿的难题。即对加工空间凸筋凸轮或空间槽凸轮所使用的刀具或磨轮直径没有严格的要求，只要刀具或磨轮直径小于滚轮直径均可用于加工。 图　5 图　6 　　2.2.4　加工变形及控制措施 　　通过对新产品YB47高速卷烟包装机中1BBG41002400空间凸轮的结构（见图1）及各主要尺寸分析可以看出，由于轨迹面加工深度达37mm，两轨迹面形成的凸筋最厚处18mm而最薄处约12mm，凸轮在槽部位（E—E剖面）的截面厚薄不均，从热处理角度判断属易变形零件。这种结构的零件给机械加工尤其对热处理工序能否有效控制变形量是极为困难的。该零件的材料利用率仅为33%，零件的机械加工切削量较大，特别是凸轮轨迹经粗加工后，零件在结构上产生的应力分布不均匀，局部位置易产生应力集中现象，造成热处理工序渗碳和淬硬后产生更大的变形，难以保证后道工序的尺寸要求和加工控制。因此在凸轮轨迹面粗加工后须增加去应力热处理工序，使材料内部的应力得以降低甚至消除，从而在最大程度上减少加工变形。由于该凸轮是易变形零件，经热处理淬硬后，产生变形的部位主要集中在凸轮槽。采用盐浴炉加热淬硬方式，能保证零件在加热过程中受热均匀，并减少了氧化和脱碳现象的发生，淬硬后凸轮表面硬度均匀，同时强调在淬硬时凸轮必须垂直吊放，即加热时凸轮槽处于垂直状态，以控制凸轮槽的变形量。若平放加热，凸轮槽处于水平状态，淬硬后易引起凸轮槽口的收缩或扩大，导致后道工序因变形过大而无法加工。因此，淬硬后产生的变形量，应控制在预先设定的加工余量中，从根本上有效控制凸轮在机械加工和热处理后的变形量，同时又保证热处理的质量。 　　2.2.5　磨轮材料的选择 　　磨轮材料的选择对凸轮轨迹面尺寸精度、表面粗糙度及加工效率有直接的影响。FSK25S凸轮铣磨机的磨削具有高速、精密、高效的磨削特点，其主轴转速50000r/min，砂轮线速度可达104.72m/s。在高速磨削中，CBN（立方氮化硼）砂轮的磨除率可达2000mm/s，而普通砂轮的磨除率为500～1000mm/s。使用BCN（立方氮化硼）砂轮不仅可以加工各种材料而且在高速磨削中明显改善轨迹面的磨削质量，降低磨削力，获得较小的尺寸误差和形状误差，提高加工精度，一次修整可加工多个零件，因此砂轮使用寿命长。 　　2.2.6　关键工序和加工余量的确定与控制 　　工艺设计的科学性、先进性、合理性、可操作性和经济性是工艺设计能力和水平的综合体现。关键工序确定和加工余量的设定，不仅在工序间起承上启下的作用，而且是确保零件精度要求的一个极为重要的工艺设计环节。通过对新产品YB47高速卷烟包装机中1BBG41002400空间凸轮的结构分析和变形状况的预测，确定去应力和渗碳、淬硬热处理工序为关键工序，重点控制。使其在最大程度上降低甚至消除粗加工后产生的零件结构内部应力，从而有效控制零件加工变形对后道加工工序的影响。在热处理渗碳、淬火工序中则强调采用盐浴炉加热淬硬方式和淬硬时凸轮必须垂直吊放的工艺要求，保证