自动车床凸轮设计详解.docx
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自动车床凸轮设计详解
自动车床凸轮设计详解
日志分类：
天下杂侃I发表于：
自动机床上有一种特别的轴叫凸轮轴，由安装在凸轮轴上的凸轮实现自动化.凸轮的运动决定加工顺序、加
工时间、工具的进刀、停止等，是不借助人力进行一系列加工的.
这样,在自动机床上凸轮发挥的作用就非常大了，凸轮设计的精确极大地影响作业效率和产品的品
质.尤其工程顺序，主轴旋转数，进刀量三要素成为凸轮设计的根本，给作业效率、产品品质带来直接地很大地影响.为了决定这些，必须充分地研究产品的形状、精度材质等条件
并且，该公司使用的自动机床一般是被叫作走心型自动机床.此文本凸轮设计需要的机械数据是以
T-7为基准作成的.
1.一般说明
2.凸轮的种类
3.不切削运转
4.切削运转
5.尺寸调整
6.设计书的作成
7.凸轮设计的实例
（附表）凸轮设计符号一览表
1.一般说明
1.切削原理
走心型万能自动机床，刀具仅在半径方向运转，材料一边旋转一边和主轴台共同向轴方向运转.两个组合在
一起运转，可以加工成各种各样的形状.以下是各种加工方式：
1.由刀具的移动切削（主轴台不动）如图
1
2.由主轴台的运转切削（刀具不动）如图
2
3.刀具和主轴台组合运动切削。
如图3
图1
图
2
图3
刀具台和主轴台，由各自的凸轮控制运转
，通常，
凸轮旋转一回就作成一个产品，因此凸轮的设计，计算刀具
和主轴的正确运转及其绕主轴360°旋转的正确分布两个作业要大致地区分开来.
2.运转的种类
刀具台和主轴台的旋转，包含以下几个意义.
（1）不切削运转非生产角
刀具一点也不接触工作物的运转.刀具和主轴台从最初的作业位置向其他作业位置移动运转，主轴台为进刀
作业前进，后退运转.弹簧的开闭伴随着此运转.这些运转和必要时间由机械的重要项目来决定.
不切削运转为了提高生产率，必须尽可能快速运转提速，把加工时间缩小到最小限度.
（2）切削运转生产角
是由一个或两个以上的刀具进行加工的运转.
这跟工作物的材质，精加工精度，切削面粗糙度，使用刀具的材质等有直接联系.
3.主轴台的运转HS凸轮
主轴台的前进是从板凸轮主轴推动进行，后退由一根弹簧进行.对于主轴台的运转，凸轮的设计可以从1:
1
到1:
3的任意值来设定.
为了减少不切削运转的时间，选择1:
1更好，但是短的产品和要求特别高精度的部品则选定1:
2
或者1:
3.高级精密的设计根据产品选1:
2的多.该公司通常使用1:
2.
4.刀具台的运转
（1）刀番
号
标准刀具台有5个如图4
称为1号刀具台，..5号刀具台.
（2）天平刀架
1号刀具台和2号刀具台安装在摆动杆上.此刀具的运转是凸轮运转高度的1/3,构造方面也比其他刀具台好
所以主要用于精度较高的重要部分的精加工切削.
并且凸轮的上升有使2号刀具台前进切入，同时使1号刀具台后退的作用.
凸轮的下降有与其相反的效果.因此除了主轴台以及1号刀具台的其他所有的刀具台随凸轮上升而前
进，（随凸轮）下降而后退.
但是，只有1号刀具台与此相反，1号刀具台前进凸轮下降，1号刀具台后退凸轮上升.这是在凸轮设计中必须要注意的事项.
（3）VT刀架刀具台
3,4,5号刀具台能够由各自的凸轮单独前进、后退运转.这些VT刀架刀具台主要用于粗加工，倒角，突切等
作业，必要的话也可以用于精加工切削.3号刀具台的杆比为1:
1（刀具和凸轮的运转相同），4,5号刀具台则变成1:
2（刀具的运转是凸轮运转的1/2）,根据情况调整杆比稍微变更也是可以的.
附件的杆比，除了特别的部品外一般为1:
1.
主轴台
HS
1:
1〜1:
3
天平刀架
NO1
1:
3
天平刀架
NO2
1:
3
VT刀架
NQ3
1:
1
VT刀架
NQ4
1:
2
VT刀架
NQ5
1:
2
5.原材料的选择
为了高效率地使用自动机床
原材料的选定是极为重要的.原材料的好坏支配着产品的精度、加工秒时、用
具的寿命.自动机床部品的量产中必须首先研究加工部品的被削性和原材料精度
为了保持良好的产品精度，原材料精度最好按下表的基准来选定.材料径为0.005〜0.02,根据制造商不同而
不同.该公司材料径精度为-0.005.
制品类别/材料胫
1〜3
3〜6
6〜10
精密部品
0〜-0.007
0〜-0.008
0~-0.009
一般部品
0〜-0.014
0〜-0.018
0〜-0.022
2.
凸轮
的种类
1.
凸轮的安装位置
（1）
使用2个同种凸轮时
从靠近蜗轮开始分
1.2（如H1,H2）
（2）（图5）的附件凸轮为一例，使用其他附件的情况，当然由不同的凸轮来变更.
（3）板凸轮的划线以轴承为界，左边的凸轮在左边描，右边的凸轮在右边描.
（4）在靠近中央部凸轮上安装装卸用的槽（打开）.
（5）凸轮的材质富有耐磨耗性，使用特殊高级铸铁以及浸硫窒化处理.并且也进行SUj2和淬火等试
验.
2.凸轮的形状和尺寸
限定为以下3种类，3轴用（YWBB的环形凸轮仅一个特别形状.如图6
KF---板凸轮---空白处不打开加工
KR---环凸轮---切割使用一部分
KB---碗凸轮
板凸轮环凸
轮碗凸轮
3.凸轮的划线
为了刀具按照计算正确地旋转，凸轮的划线必须依照图7的表.为此预备凸轮划线装置作为特殊附属品.并
且附件的横向运转用凸轮和前进后退用环形凸轮等不需要精确运转的，不用圆弧直线划线更好.如图8
设计凸轮时，想刀具台在停止位置为水平的话，以95mm为天平刀架凸轮的平均径.并且对于比较短的轴方向
精度严格的产品，主轴凸轮的平均径选100mm左右更好.（参照4的第5项）.
3.不切削运转
1.凸轮上升
为了提高生产量，不切削凸轮的伸岀最好尽可能快速倾斜，缩小角度a.另一方面，为了减少向上压力的损失
必须缓慢倾斜减小角度B。
如图9
这个思考方法虽然互相矛盾，但在实际的凸轮设计中，最小角度a.在表5~表12中。
并且，以直接形状表现了所要的凸轮上升的样板在图11〜图13中显
示.
＜例＞
生产量3个/分（凸轮轴3r.p.m）
让主轴台迅速前进5mm但杠杆比例为1:
2,凸轮以70mm为半径.主轴台前进5mm凸轮要上升10mm,所以如表5要求角度为9°.并且使用样板（图10）来描的话，同样要求角度为9°规定这个9°是以等速曲线连
接，但实际上依照样板或者以此相近的圆弧更好.
3.凸轮的下降
凸轮在下降的时候，常用弹簧向凸轮面压.因此为了减少下降所需要的时间，超过界限角度缩小a的话，顶尖就不依照凸轮面落下.这在凸轮旋转速度快，顶尖的下降运动赶不上凸轮的情况下也是一样的
此限界角度大体以顶尖的角度B决定，但要尽量避免为限界角度，顶尖和凸轮面之间要预先留5。
〜8°的空
余.如图11
表5~表12中显示了a角的数值.
并且，以直接形状表现所要的凸轮下降的模板如图11〜图13所示
＜例＞
生产量5个/分
让2号刀具台后退3mm.
但要从凸轮的最大径开始下降.
天平刀架的杠杆比为1:
3,因此刀具台后退3mm凸轮要下降9mm并且由于凸轮的最大径为120mm如表9要求角度为6°.
表的角度以1°为单位不连续地显示数值，因此也有和样板不一致的情况.表中未显示的中间值，从两侧的数值算出，端数尽可能上升.如图12.
实际的角度分配最低要2°.
4.VT刀架刀具台凸轮
VT刀架刀具台中，为不切削运转的凸轮的设计如表13.
上表充分估计了为安全考虑的余裕.
凸轮样板，大概的数值（表4）按基准作成.
凸轮设计的计算中必要的上升和下降的最大量基本上不超过10mm但是在其他的刀具台切削的时候为了避
免撞刀，把刀具台先再后退一些.为此切削中不必要部分的凸轮半径允许最小至25mm这样做的话刀具台就
由挡板来支撑.如图13.
因此生产量多的时候，从凸轮的最大径（120）到最小径（50）的计算值描岀来的和使用凸轮样板描岀来的会产生很大的差异.生产量为10个以下按照样板形状就可以了，超过10个的时候以尽量接近计算值的形状比
较好.并且根据情况如图10两个形状相结合也可以.的.哪一种情况按计算所得的必要角度都与实际的凸轮形状没有多大关系，是安全
开闭夹爪的角度
开夹10
闭夹15
开闭夹爪的时候，需要与生产量无关常用的角度.
夹爪的开闭需要的角度。
丈小闭夹可取20。
5.刀具的停止
生产数10个/分以上2
生产数10个/分以下3
一个凸轮的行程完成要瞬间让刀停止。
表16.
刀具的停止需要的角度。
设计凸轮时，计算天平刀架的刀具运动，首先必须决定刀具的停止位置也就是刀前端的岀发点.这
是为了原材料能自由通过，以离原材料0.5mm位置为标准的.
VT刀架刀具台也可以考虑同样的方法来计算.如图
6.刀具的干涉
图中，显示了关于刀停止位置一般的标准尺寸.但我们多次设计凸轮，适合各个产品的诸条件，例如讨论
.刀形状怎样
.刀的排列是否在同一垂直面
.是否避免相邻刀的同时使用
.是否在相邻刀间防止切粉的产生
等问题，能够更合理地决定停止位置.如图16决定刀尖端的尺寸的时候，要另外预先准备如图17的实物10倍的用具.可以看见各个刀的运转图17,可以了解，同时靠近刀最小半径为3mm用5号刀进行突切的时候1号刀必须从中心距离3.5mm以上.
在原材料中心的刀后退，其他刀前进至原材料中心时，为了安全错开防止碰撞表显示了其所需的角
度.
刀具的前进后退所需的角度（参考）
生产数20个/分以下生产数20个/分以上
后退的刀具
前进的刀具
后退的刀具
前进的刀具
T1
T2
T3
T4
T5
T1
T2
T3T4
T5
T1
8
T1
12
T2
12
T2
18
T3
15
18
T3
20
20
T4
12
18
T4
16
26
T58
12
T512
20
3.切削运转
1.切削速度
（1）旋削速度
一般的选择基准.
切削速度m/min
被削材
刀具
咼速钢
超硬合金
黄铜
150-200
200以上
快削钢
60-80
160以上
钢（抗张力
50KG/平方mni以下）
45-50
120以上
钢（抗张力
50KG/平方mm以上）
40-45
100以上
如果使用径小，机械的最高速度，也有周速仍不足的情况.但经常以最高速度使用机械的方法未必是上策
此情况为最高7500rpm.以下最好.
周速按以下方程式求得，大概的估计按表24求得.
.但是，如前所述仅考虑缩短加工秒时胡乱选
切削速度m/min=原材料径（mr）*3.14*主轴速度（rpm）/1000
切削速度即主轴速度是决定进刀量和产品加工秒时的最大要素择最咼速度也不是最好的方法
表19显示了主轴速度，表20显示了周速度.
绞刀速度是钻头的2/3〜3/4.
时钟部品的设计中,d大多很小.因此,有以下情况.原材料径d:
2mm,材质：
钢,使用超硬刀的话得出
V=100m/min以上.以此时的主轴速度Vrpm为未知数求的话，变成N=1000V/nd=15,900r.p.m,理论上N以
15900rpm运转也可以.但是现在的自动机实际上不可能达到这样的旋转数.即使能达到，连续旋转轴承变高
温,并且伴随高速旋转不仅会产生机械振动，还会给刀的寿命带来不利的影响.V的值必须选择其部品最适合
的切削速度.
现在主要部品的切削速度如下（略）
螺丝加工速度
加工螺丝是与工作物即主轴和丝锥（或者板牙）主轴的速度差.表22显示了一般使用的加工螺丝的速度
本机中，主轴和丝锥主轴的速度比如表23来定.因此螺丝加工速度决定了的话主轴速度也就限定
了,旋削速度也被限定.有些螺丝的部品，由于加工螺丝速度的限制也有难于选择旋转的恰当的切削速度情
况.此时必须优先考虑螺丝加工速度
速度差即速度比的决定也同时决定了螺丝加工的进刀量，如表28必须预先从恰当的
进刀中选择速度
比.
材质
切削速度m/min
硬钢
2.5-2.8
软钢
3-4.5
快削钢
7-12
黄铜15-23
A505612-18
螺纹切削速度m/min螺纹切削速度
2.切削进刀
主轴（即工作物）旋转一回被削岀的切粉的厚度与精加工面的良否有关.表25显示了一般的选择基准.
（表27）显示了孔深为直径2倍时的标准，孔深为直径的3〜5倍时为表的2/3,7〜10倍的深孔为表的1/2.
深孔的情况下，钻孔中途多次拔岀锥，去除切粉，测量切削油的流入，每次进刀都要细些比较好.
并且绞刀的进刀为钻头的2〜3倍.
（表28）的速度比决定螺丝切削的进刀.即速度比1:
1.40的情况下，主轴旋转一回进刀量为0.4.切削速度有
充分的余裕，从螺丝安装速度比不能提高主轴速度（生产量）时，选择最小速度比是明智的.
一般产品加工的进刀量（mm转）
被削材
加工
黄铜
钢（抗张力
（40-5
kg/平方mm
•0）
（50-70）（70-90）
车削
粗加工
0.20-0.15
0.08-0.06
0.05-0.04
中加工
0.12-0.10
0.050.03
0.03
精加工
0.08-0.06
0.04-0.03
0.0250.02
极精加工
0.05-0.04
0.025-0.02
0.02-0.0150.015-0.01
切断
粗加工
0.08-0.07
0.03-0.025
0.03-0.02
中加工
0.06-0.05
0.020.015
0.01-0.007
精加工
0.04-0.03
0.0150.01
0.006-0.005
极精加工
0.02-0.015
0.012-0.01
0.0080.004-0.003
钻孔
（相对百分比）
80
6060
50
精密产品加工的进刀量（
mm转）
被削材
加工
黄铜
钢
车削
粗加工
0.04-0.02
0.025-0.01
精加工
0.02-0.01
0.01-0.002
切断
粗加工
0.015-0.0070.008-0.003
精加工
0.007-0.003
0.003-0.0007
精加工0.01-0.0040.005-0.002
钻孔加工的进刀量（mm转）
孔径
被削材
12
3
4
黄铜
0.02-0.04
0.03-0.05
0.04-0.08
0.05-0.12
钢
0.005-0.01
0.01-0.03
0.02-0.04
0.03-0.06
3.
突切作业
（1）
产品端面为平面或者球面等的切落
让刀物超过原材料中心
0.05mm-0.10mm前进
突切刀的宽度和原材料径的关系，角度和尺寸等如表29所示.
但是黄铜材的情况下稍微小点比较好.（0.9倍的程度）
表29中显示了t.a的变化的I的尺寸.刀超过中心前进量a=I+（5〜10）左右恰当.
i=t?
tana
先端角a
.黄铜材（C3602）等的情况为20°
.钢材（SUM24TE等的情况以16°为标准.并且为了更好地精加工突切面，也有在B?
y上附加30分的情况.再研磨减少刀的宽度，因此也要考虑一定程度的经济性.
⑵锥的切落由刀具的前进和主轴台的前进组合进行.首先让刀具前进至锥开始的位置，切入的同
时开始横向进主轴，刀具的尖端超过原材料中心的话产品被切落，同时形成原材料侧的圆锥面.因此,原材料
侧的刀角度与圆锥面角度相同.但是产品侧的刀角度和圆锥面之间预先错开5°.如果没有充分注意的话产
品很快会破损.刀的尖端超过原材料中心的进量为0.1〜0.2mm好.
5.尺寸调整
1.凸轮更换调整
不调整凸轮的尺寸，利用凸轮的更换，使用和杆比调整等，自由地更换一定程度的尺寸来进行尺寸调整比较好，有以下方法.但是使用这些方法仍不能调整时，要修正凸轮.因此,在凸轮设计中注意尽量使调整简易化，并且易得岀必要精度，这点是非常重要的.
由凸轮更换来调整是一般多为使用的方法，HS,RL杆以及R-16.R-20.RR-20的3号VT刀架可以2枚或
者3枚分别由爪的出入调整尺寸.
有关各种机械的凸轮构成枚数，多采用必要以上的构成枚数，不仅是经济性的问题也难于作业.因此虽是3
枚构成的机械.2枚足够的话就不用3枚.
图30是HS凸轮交换的样子.F1,F2的凸轮的尖端高度相同的话，落差为L.
图31中想变化b尺寸必须使L变化，F1的出去回来可以使L变化.
.加大b的情况……F1的尖端从F2的尖端缩回.
.缩小b的情况……F1的尖端往F2的尖端前伸出.
在交替点，如前所述为了移动凸轮的位置，也有凸轮的超过切替点的情况.因此必须一定程度地延长时间.延长的角度B1、&2最低为3°但是通常使用5°以上比较理想.
2.主轴台凸轮的使用方法。
不取换凸轮而改变产品的长度，有以下方法.
（1）调整刀的安装位置
（2）主轴台的后退中使用挡板
（3）改变主轴台的比例（如图20）
（4）主轴台凸轮从最初预先分成2枚
按照使用主轴台凸轮分成2枚来预先设计的话，移动2枚凸轮的安装位置，通过调整的突岀量来改变槽的宽和段部的长度，同一把刀切削的段部的长度公差可以从刀的宽度来保持.此例在图22〜图25显示.
3.刀架杆的顶尖
以1号刀加工是可能的，但理论上凸轮的值可以取必要以上，是利用顶尖（不与凸轮和爪接触的状态）得出所
需尺寸.
＜设计上的注意点＞
.顶尖机构不能使用2号刀.
.D1，D2的公差严格时，或者D2不变D1的尺寸在一定范围内变化可能时，用1号刀切削的话，如以下用顶尖
调整是可能的.
（虚线未使用顶尖时）
1〜2和4、5之间的实际的凸轮的高度为（D2-D1/2X杆比）好，但使用顶尖时的高度表现为［（D2-D1/2+顶尖量）X杆比］.
顶尖量通常在0.05以下进行.根据需要D1的变化范围大的时候，也有加大顶尖量的情况.
顶尖由螺丝调整，中途停止刀向前方（径中心的方向）前进.
4.主轴台凸轮的修正
主轴台凸轮通常是使用一枚，但图26显示的特殊的例子，轴方向尺寸几个地方以严格的公差控制时，如前所述使用2枚也不能修正凸轮，很难调整在公差内.
这是由于从机械的进刀机构产生的极其微小的运动误差造成的.为了正确地排除误差，必须按表31修正凸
轮.
一般的作业中这种特殊的例子基本上不可能有，调整刀和杆比可以充分地达到目的，没有必要考虑修正凸轮
并且（表31）不怎么长的产品，凸轮的平均径在100mm左右,误差自然少.
（图27）显示以凸轮最大半径80为基准修正的情况，如果以最小半径24为基准，凸轮半径则分别变成24-46（0.03）65-80（0.02）.
5.其他注意事项
（1）HS凸轮的总后退量必须与前进量合计一致.
这是理所当然的事情，但必须确认凸轮的上升和下降的合计为零.并且天平刀架也是一样的.
（2）切削的进刀是从0.03〜0.1跟前开始.并且刀具前进完成向切削进刀移动前，角部锋利的精加工中要给
2〜3°的停止.
（3）用同一把刀连续倒角和外径加工切削时，外径角上最好不要停止.
⑷比较大的孔快速进刀加工时，避免需要精度部分的旋削和打孔的同时加工.
（5）一般有什）上升和连续（-）下降以及前进时，中间要有一段时间的停止，这是原则.但也有得出以黄铜进行宽度大的成形加工时，刀后退前不停止更好的说法.
（6）使用2.3轴的附件时，使下一主轴向工作物位置前进，开始切入之前所需的凸轮合计角度根据工作物长度要为45〜60°.
（7）1号和2号刀，一般作为外径的旋削精加工使用.
一般以递增精加工段部的径.（以递减精加工的话很难得出和段径方面的尺寸）
经常使用的例子有1#……（可以使用顶尖）
2#……切落
（8）长的部品，向长的方向连续进行粗加工.精加工时GB发挥不了作用，易产生摆动.
关于各项目说明.
切替.用主轴台凸轮，刀架杆凸轮等2枚或3枚凸轮时，要载明切换的地方.
NO.….按1.2.3….顺序来编工程顺序.
但是根据需要也可以使用1'1”带破折号.
工程名
（1）根据工程顺序列岀工程名.此工程名参照［附表凸轮设计符号一览表］来填写.
刀具的运转量
（2）CO，HR等的符号写在工程栏的左边，剩下的空白的地方用于计算工程的说明、刀具或主轴的运
转量的计算.
在虚线右边填写计算结果，刀或者主轴、主轴的实际运转量以1/100mm为单位填写.
COCC,P时仅按照这些符号填写.
在番号以及工程名栏里，按以上根据刀关系图按顺序准确无误地填写工程名，计算主轴以及刀具的正确运转
在坐标纸上正确地描绘刀的关系图，计算（坐标的）刻度可以检测岀计算结果.
凸轮计算书的制作
（1）在［工程名］栏的右侧的最上部空栏里填写HS,T1,T2（或者RL代替T1,T2）,T3,T4,T5或者S1,S2
等，其下的纵列作为各凸轮的比例填写栏.
（2）各工程每个在刀具等的实际的运转量上乘于杆比的倒数求岀凸轮高度（凸轮的运转量），记入.
凸轮高度为负（径的减少）时必须标上（-）符号.
（+）（-）的区别参照一般说明1.3〜1.4.整理主要的东西做表.
（+）正表示凸轮的上升（径的增加）
HA（主轴台前进）
T1R（刀架杆的N0.1刀后退）
T2A（N0.2刀前进）
T3（或者T4,5）A（VT刀架前进）
（YD（N0,1SP）*凸轮后退）
（-）负表示凸轮下降（径的减少）
HR（主轴台后退）
T1R,T2A（刀架杆）
T3（或者4,5）R
S1（或者2.3等）R
（YD凸轮前进）
CO,CC,P的工程此栏什么也不写
为显示刀具（或者主轴）运转的必要角度，使用与凸轮*同一行空白处来记入,（总角记入之后）.
例：
T2A295885（110°〜118°）
检查主轴台凸轮以及刀架杆凸轮的行程的各个合计是否为零，如不为零应该是哪里有错误，再研讨一下.
空角
（1）记录未切削运转的角度.并且在CO和CC间HR的最低角度要为8°,在HR工程即使凸轮的运转少也要注意.
⑵不切削运转的角度全部出来以后求它们的和.由于旋转一回（360°）做出一产品，从360°除去空角的合
计来求生产生产角的总和.
如求岀生产角合计的话，由进刀量的决定可以求岀各个切削运
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