浅谈凸轮轴凸轮加工的工艺分析
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【摘要】 凸轮轴加工难点主要是确保凸轮升程公差及凸轮表面硬度，在凸轮进行最终淬火前将凸轮升程公差控制在较小尺寸内就能保证凸轮表面硬度。可以说，保证了凸轮型线半精加工精度就能保证最终型线尺寸和凸轮表面硬度。本文主要阐述一种分析凸轮型线的方法。
凸轮轴加工难点主要是确保凸轮升程公差及凸轮表面硬度，在凸轮进行最终淬火前将凸轮升程公差控制在较小尺寸内就能保证凸轮表面硬度。常见凸轮轴凸轮粗加工一般为传统靠模仿形类车、铣削加工方案及数控车、铣削加工方案。前者前期投资少，后期随着靠模的增加成本会逐步增加，适合大批量小品种作业要求，但这种粗加工方法精度差，稳定性不高，一般需在淬火前进行半精磨来确保凸轮轴硬度层均匀。后者精度比较高，前期投资较大，根据产品不同需要投资三轴以上联动的立、卧式加工中心，或者三轴以上联动的车铣加工中心。这种加工方式可省下后期不菲的靠模制造成本及维护成本。基本一套粗、精刀具可适用于多种型号的凸轮，加工效率高、制造精度高，稳定性好，适合小批量多品种作业要求。采用数控机床加工凸轮，关键点是凸轮型线的编程，编程不是难点，难点是得到型线的坐标。作为一名通用冷加工工程师，在不具备专业凸轮型线计算知识的情况下，如何进行凸轮型线的转化即为本文讨论的重点。下面本文将以在车铣加工中心上进行加工为例子展开讨论。
一般采用车铣加工中心加工凸轮有两种方式，采用端面铣刀和平头铣刀。在使用端面铣刀铣外圆轮廓时，如果轮廓已经给出，则只需要一个C轴的运动和一个X轴的运动。沿着加工轨迹以及在外部拐角处，铣刀的形状都不重要，因为这种特殊的几何形状保证了铣刀会始终和待加工的表面垂直。需要注意的只有加工点上的铣刀半径。然而，如果用平头铣刀来铣轮廓的话，则会发生轮廓的扭曲。铣刀的形状和半径不同扭曲的情况也不同。这是因为在这种加工中刀具表面上的加工点不是静止的。为了避免这种加工点的畸变，必须建立接触点上的法线，然后以这个法线作X轴、C轴定位的基准，这样铣刀就又会和工件垂直了。按照这样的方法，即使使用不同半径的铣刀和不同形状的铣刀进行加工，轮廓也不会出现任何失真变形。下面我们通过选取平头铣刀来进一步讨论。
一般凸轮图纸都会给出在指定滚轮大小下，凸轮升程的坐标，一般为极坐标形式。选取平头铣刀加工凸轮时，所需要的实际凸轮型线坐标为凸轮理论轮廓线的坐标，即滚轮大小为0时凸轮型线坐标。此项通过计算得出较为复杂，我们通过作图法很容易得出我们需要的坐标。推荐使用CAXA电子图版软件进行绘制。
首先，根据图纸给出的升程可以作出滚轮中心在凸轮上滚动时的位置曲线，用样条曲线连接滚轮中心各点形成一条包络曲线（图2）。
在样条曲线上作法线，法线长度为滚轮半径。用样条曲线连接各法线端点，所得下图3紫色样条曲线即为凸轮实际轮廓曲线，测量后即可得到编程时所需坐标值。
注意，这种用样条拟合凸轮实际轮廓的方法，会使部分点出现曲率为负的情况。在实际加工中，负曲率会使刀盘出现小角度回摆的情况，加工出的凸轮表面不圆滑及尺寸超差。所以所得轮廓线需进行小角度修正。修正时可采用如下方法。
将图纸转化后用Pro/E打开，分析曲率找到曲率为负的点（图4），然后回CAXA进行修正。修正时一般有两种方法，一是用直线趋近，二用圆弧趋近。直线趋近较为简单，但可能造成与理论轮廓线相差较大，一般凸轮轴淬火前型线公差需控制在0.1mm内，所以趋近后公差在0.1mm内即可。修正完毕后回Pro/E进行验证。图5为用直线进行修正，修正后公差最大处为0.09mm。
在三维图及二维图都有的情况下手工或是软件编程都比较简单，这里程序就不再赘述。
结语：现在市面上关于凸轮型线的计算器都比较多，但计算时直接让滚轮从一定大小变为0所得结果与通过上面方法所得结果相差很大。采用平头铣刀时，铣刀即可看做滚轮，只需挑选合适的铣刀，通过计算器直接计算即可。本文主要是给各位在分析产品时提供一种解题思路，分享于各位，供各位借鉴。