高速卷烟包装机多轨迹空间凸轮的工艺设计与探究.docx

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1、高速卷烟包装机多轨迹空间凸轮的工艺设计与探究高速卷烟包装机多轨迹空间凸轮的工艺设计与探究jinyue导语：本文通过对多轨迹空间凸轮在高速卷烟包装机中的作用与构造功能分析，发现了机械加工的难题，采取了相应的解决措施，应用机械加工的理论与理论经历，制定出具有可操纵性和经济性的多轨迹空间凸轮工艺设计方案。摘要：本文通过对多轨迹空间凸轮在高速卷烟包装机中的作用与构造功能分析，发现了机械加工的难题，采取了相应的解决措施，应用机械加工的理论与理论经历，制定出既科学公道又具有可操纵性和经济性的多轨迹空间凸轮工艺设计方案。经工艺试制和新产品YB47高速卷烟包装机550包/分的试运转，验证了多轨迹空间凸轮工艺设

2、计方案的科学性、公道性、可靠性和经济性。为探究高精度复杂构造的多轨迹空间凸轮在超高速卷烟包装机中的开发应用奠定工艺设计根底。关键词：高速多轨迹空间凸轮数控程序四轴四联动高速卷烟包装机多轨迹空间凸轮的工艺设计与探究朱亦茹上海烟草机械有限责任公司技术开发部,机械传动1序言空间凸轮最重要的用处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开展，新型包装机在包装形式、包装质量等方面有完善和进步之外，最重要的参数之一是包装速度有了明显的进步。从原来的500包/分以下中

3、速卷烟包装机开展到如今的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太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开展与空间凸轮，十分是多轨迹空间凸轮分度机构的应用有着极为亲密的必然联络，是其它机构无法替换的。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X3000700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.

4、1多轨迹空间凸轮构造的比拟与分析当空间凸轮转速n500r/min那么为高速空间凸轮。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YB45400包/分中的YB45.11.08448和YB47550包/分中的1BBG41002400空间凸轮，通过比拟得出以下不同处：a.转速分别为n=400r/min和n=550r/min，转速进步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，而中速空间凸轮那么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0.020m

5、m，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1EE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构造刚性差，轻易变形。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HRC5862，因此凸轮轨迹需磨削加工。如YB45卷烟包装机中的YB45.11.08448和YB47中的1BBG4

6、1002400空间凸轮材料为20CrMnTi，热处理：T215S0.5C58。没有磨削功能的专用数控加工设备是无法知足空间凸轮的加工要求，因此多轨迹空间凸轮主要依靠进口或者委外加工。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者凸轮数控铣磨机床。机床的选择那么根据凸轮的构造、轨迹精度、热处理状态、加工装夹方式、加工效率及加工本钱等因素确定。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。由于凸轮在加工经过中始终处于悬臂受力状态，受切削力的作用轻易产生振动，导致凸轮轨迹精度和轨迹的外表粗糙度不易保证。由于我公司目前的空间凸轮

7、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，因此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一样，刀具稍有磨损即不能知足加工要求，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才能的对照。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12毫米/刀，导致消费周期长。因此采用四轴四联动的数控镗铣床加工本钱高。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，保证凸轮在加工经过中始终处于

8、良好的受力状态，进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外表粗糙度要求。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，所以切削量也大为进步，不同的材料切削量可达815毫米/刀。机床的另一特点是数控操纵系统具有刀具或者磨轮自动补偿功能，即只要刀具或者磨轮直径小于滚轮直径均能加工，并且磨损的刀具或者磨轮经刃磨或者修正后可重复使用，因此加工本钱明显下降。综合比拟装夹方式、机床精度、加工性能和加工才能，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

9、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才能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SFK25Sx.y.z0.005mmC5secx.y.z0.003mmC3sec铣、磨高压恒定低温11kw数控镗铣床WF72Cx.y.z0.012mmC15secx.y.z0.006mmC8sec铣常规冷却7.5kw2.2.3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

10、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展最优化光顺处理，保证加工的轨迹在精度上完全到达设计要求。如图5图6所示，在参数化数控程序编制程经过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，不仅进步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纵系统作了重大的改良和开发，机床的数控操纵系统在加工空间凸轮时具有刀具或者磨轮自动补偿功能，根本解决了数控镗铣床加工空间凸轮时刀具或者磨轮不能补偿的难题

11、。即对加工空间凸筋凸轮或者空间槽凸轮所使用的刀具或者磨轮直径没有严格的要求，只要刀具或者磨轮直径小于滚轮直径均可用于加工。图5图62.2.4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空间凸轮的构造见图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EE剖面的截面厚薄不均，从热处理角度判定属易变形零件。这种构造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，十分是凸轮轨迹经粗加工后，零件在构造上产生的应力分布不均匀，

12、部分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，进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，能保证零件在加热经过中受热均匀，并减少了氧化和脱碳现象的发生，淬硬后凸轮外表硬度均匀，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。假设平放加热，凸轮槽处于程度状态，淬硬后易引起凸轮槽口的收缩或者扩大，导致后道工序因变形过大而无法加工。因此，淬硬

13、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、外表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、精细、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5001000mm/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外形误差，进步加工精度，一次修整可

14、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确实定与控制工艺设计的科学性、先进性、公道性、可操纵性和经济性是工艺设计才能和程度的综合表达。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空间凸轮的构造分析和变外形况的预测，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构造内部应力，进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、淬火工序中那么强调采用盐浴炉加热淬硬方式和淬硬时凸轮必须垂直吊

15、放的工艺要求，保证零件受热均匀，控制凸轮槽的变形量，减少氧化和脱碳现象发生，使凸轮外表硬度均匀。而加工余量那么在参照工艺标准的前提下充分考虑零件构造的特殊性、工艺要求和经济性确定的。加工余量的过大既轻易使零件产生切削变形和应力集中现象又缺乏经济性，但加工余量偏小又难以保证热处理工序后因变形而不能知足铣削和磨削工序的加工余量的要求，造成零件报废。由此得出关键工序和加工余量间的关系即通过热处理工序控制变形，保证后续工序的加工余量，而适当的加工余量又能弥补热处理工序的缺乏，因此两者是互补的。综合各个因素后确定凸轮轨迹精加工铣余量为11.5mm，磨削加工余量为0.30.35mm3工艺设计方案确实定工艺

16、设计方案的科学性、先进性、公道性、可操纵性与经济性对于零件最终能否知足设计要求有必然的联络。综合空间凸轮的构造、技术要求、加工装夹方式、加工设备、变外形况、热处理的措施、加工余量、消费周期及加工本钱等因素的分析，根本确定空间凸轮的工艺设计方案为：铸造正火车削调质车削铣削数控铣削粗铣凸轮轨迹去应力车削数控铣削精铣凸轮轨迹渗碳划线钻削盐浴淬硬、喷砂内磨平磨万磨数控磨精磨凸轮轨迹钳工。4多轨空间凸轮的工艺试制工艺试制是对重要零件的工艺设计方案的鉴定，也是调整工艺设计方案的经过，验证加工分析提出的工艺问题和解决措施的准确性。在工艺试制经过中，重点关注关键工序的控制和加工余量与变外形态的互相关系，确保凸

17、轮轨迹在各工序中的加工余量。对关键工序热处理去应力和渗碳、淬产生的变形均做严格检测。表2为凸轮轨迹热处理变形量的记录，结果显示变外形况符合上述加工分析预测，变形量完全控制在预期要求中。凸轮加工完毕经检验各项技术参数均符合设计要求，工艺试制得以完美成功。表2凸轮轨迹热处理变形量记录工序加工余量热处理后的变形量去应力11.5mm0.30.45mm渗碳、盐浴淬火0.30.35mm0.10.15mm5经济性比拟分析与将来空间凸轮工艺设计的探究由于受加工设备和软件的局限，X1、X2卷烟包装机中的空间凸轮过去多以进口为主或者委外加工。在YB47高速卷烟包装机开发试制经过中，首次实现了多轨迹空间凸轮的国产化

18、自制加工，并获得成功。填补了公司在新产品样机开发试制阶段只能依靠进口不能自制加工的空白，不仅在加工精度上知足了设计要求，而且摆脱了G.D公司长期在加工技术和消费周期上的控制，使公司的消费方案和装配周期完全处于主动地位。更重要的是多轨迹空间凸轮的国产化试制成功，不仅对新产品YB47高速卷烟包装机试制开发成功具有重大的现实作用，就公司可持续开展的战略目的而言，对开发超高速卷烟包装机更具深远的历史意义，为构造更复杂、精度更高的多轨迹空间凸轮奠定了工艺设计和加工根底。空间凸轮的国产化试制成功使消费本钱得到明显下降。表3为进口与国产化空间凸轮的本钱统计比照以卷烟包装机ZB45中的YB45.11.0844

19、8空间凸轮为例。1997年YB45.11.08448空间凸轮的进口价为德国马克1861.03DM，按当时汇率计算折合人民币10235.67元。国产化本钱价为2626.97元，只有进口价的25.66%，与进口价相比每个凸轮可节约人民币7608.87元。每年按生产35台套X2卷烟包装机，每台一件计，仅此一个凸轮一年可为公司节约人民币266310.45元和外汇65136.05DM德国马克。而新产品YB47高速卷烟包装机550包/分中的1BBG41002400多轨迹空间凸轮据报价约850欧元，按现行汇率折合人民币13132.5元。国产化本钱价为3058.18元，只有进口价的23.29%，与进口价相比每

20、个凸轮可节约10074.82元。按目前消费才能每年生产5台套YB47卷烟包装机，每台两件计，每年可为公司节约人民币100743.2元和外汇8500欧元。随市场需求的不断增加其经济效益将更为显著。表3进口与国产化自制空间凸轮的本钱比照件号进口价折合人民币自制本钱节约本钱节约率YB45.11.084481861.03DM10235.672626.97元7608.87元74.34%1BBG41002400约850欧元13132.5元3058.18元10074.82元76.71%6完毕语本文运用理论与理论相结合方法，对新产品YB47高速卷烟包装机中的1BBG41002400多轨迹空间凸轮的构造、加工作

21、了综合分析。通过工艺试制，验证工艺设计方案，解决了多轨迹空间凸的加工难题，经新产品试运转证实各项参数完全到达了设计要求。首次实现了进口关键零件在新产品开发试制阶段的国产化自制，这不仅表达了我公司国产化才能的进步和加强，而且为构造更复杂的高速、高精度多轨迹空间凸轮奠定了工艺设计和高速磨削加工的根底。但在不断进步多轨迹空间凸加工质量和加工效率上还可作进一步探究。今后还将通过对高速磨削的机理研究，优化高速磨削的工艺参数，以获得更佳的磨削效果，进步磨削质量和加工效率。【参考文献】1、成大先主编，机械零件设计手册单行本机构，化学工业出版社，2004年。2、李伯民赵波主编，当代磨削技术，机械工业出版社，2004年。3、赵如福主编，金属机械加工工艺人员手册第三册上海科学技术出版社，1990年。4、彭国勋肖正扬编，自动机械的凸轮机构设计，机械工业出版社，1990年。5、安运铮主编，热处理工艺学，机械工业出版社，1983年。0