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高速卷烟包装机多轨迹空间凸轮的工艺设计与探索

2007
02-12

14:08:21

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【摘  要】通过对多轨迹空间凸轮在高速卷烟包装机中的作用与结构功能分析,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实践经验,制定出既科学合理又具有可操作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,验证多轨迹空间凸轮工艺设计方案的科学性、合理性、可靠性和经济性。为探索高精度复杂结构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基础。 

【关键词】高速 多轨迹空间凸轮 数控程序 四轴四联动  

1 序言 
  随着卷烟包装机技术的迅速发展,空间凸轮分度机构在各类卷烟包装机中已被广泛运用。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,zui重要的参数之一是包装速度明显的提高。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/分甚至更高速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,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(550包/分)就采用了 G.D公司X3000型(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>500rpm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YB47(550包/分)中的1BBG41002400空间凸轮和YB45(400包/分)中的YB45.11.084-48通过比较得出以下不同处: 

  a.转速分别为n=550rpm和n=400rpm,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.高速空间凸轮轨迹至定位基准的精度为±0.015mm,中速空间凸轮轨迹至定位基准的精度为±0.020mm。高速空间凸轮两轨迹之间的尺寸精度为±0.010mm,中速空间凸轮两轨迹之间的尺寸精度为±0.015mm。 
  d.由于高速空间凸轮的双轨迹在轨迹面上(见图1 E-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。 
  e.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 多轨迹空间凸轮的工艺分析 
  2.2.1 加工现状 
  多轨迹空间凸轮分度机构是高副机构,运动中凸轮的轨迹面与滚轮之间是线接触。凸轮*高速运转后轨迹面磨损严重,所以凸轮材料须经渗碳淬硬处理,硬度为HRC58~62,凸轮轨迹面也须磨削加工。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。没有磨削功能的数控加工设备是无法满足高精度多轨迹空间凸轮的加工要求,因此多轨迹空间凸轮主要依赖进口。 
图3 凸轮铣磨机  2.2.2 加工方式和加工设备 
  FSK25S数控凸轮铣磨机床是德国KOOP公司制造的当今世界上zui为*的高精度数控凸轮加工机床。图3是数控凸轮铣磨机床的加工装夹方式。其采用一夹一顶的装夹方式,使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。该机床定位精度高,主轴功率大,因此切削量大为提高,不同的材料切削深度可达8~15mm,而数控凸轮铣磨机的磨削又具有高速、精密、的磨削特点,见表1。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。该机床的另一特点是数控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。凸轮铣磨机精度及功能参数表       表1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 
x.y.z≤0.005 mmC≤±5 secx.y.z≤0.003 mm 
C≤±3 sec铣、磨高压恒定低温 
12kw  2.2.3 加工软件 
  KOPP SOFTWARE 是德国KOOP公司研发成功的当今世界上zui为*的参数化编程凸轮加工软件。它分数控编程和数控加工二个部分:数控编程部分软件具有自动计算、复校凸轮轨迹参数,按设定的精度拟合形成*轨迹,并对凸轮轨迹自动进行*化光顺处理,如图4图5所示,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*的便利。数控加工部分是以SIEMENS 840D操作系统为平台而设计开发的加工软件,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。   
图4                        图5  2.2.4 加工变形及控制措施 
  由于YB47高速卷烟包装机中1BBG41002400空间凸轮轨迹面加工深度达37mm,两轨迹面形成的凸筋zui厚处18mm而zui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。这种结构对热处理工序能否有效控制变形量造成*的困难。该零件的材料利用率仅为33%,零件的加工余量较大,凸轮粗加工后,在结构上出现的应力分布不均匀,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。因此凸轮粗加工后须增加去应力工序,使材料内部的应力得以降低甚至消除,zui大程度上减少加工变形。零件热处理淬硬后,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,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。而淬硬后产生的变形量,应控制在预先设定的加工余量中,既有效控制凸轮在机械加工和热处理后的变形量,又保证热处理的质量。 
  2.2.5 磨轮材料的选择 
  磨轮材料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、的磨削特点,其主轴转速51000rpm,砂轮线速度可达106.81m/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CBN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 
  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分析,确定去应力和渗碳、淬硬热处理工序为关键工序,重点控制。而加工余量则在参照工艺标准的前提下充分考虑零件结构的特殊性、工艺要求和经济性确定的。关键工序和加工余量的关系是互补的,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不足。综合各个因素后确定凸轮轨迹半精加工(铣)余量为1~1.5mm,磨削加工余量为0.3~0.35mm。  3 工艺设计方案的确定 
  工艺设计方案的科学性、*性、合理性、可操作性与经济性是工艺设计能力和水平的综合体现,对于零件zui终能否满足设计要求有必然的。综合空间凸轮的结构、技术要求、加工设备、加工装夹方式、变形状况、热处理的措施、加工余量、生产周期及加工成本等因素的分析,基本确定空间凸轮的工艺设计方案为:粗加工→去应力→半精加工→渗碳、盐浴淬硬→精加工(磨削)。  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过程,验证工艺分析提出的加工问题和解决措施的准确性。在工艺试制过程中,重点关注关键工序的控制和加工余量与变形状态的相互关系,确保凸轮轨迹在各工序中的加工余量。对关键工序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,结果显示变形状况符合上述加工分析预测,变形量*控制在预期要求中。凸轮加工结束经检验各项参数均符合设计要求,工艺试制得以完满成功。凸轮轨迹热处理变形量记录     表2工  序加工余量 
热处理后的变形量 
去应力 
1~1.5mm0.3~0.45mm渗碳、盐浴淬火0.3~0.35mm0.1~0.15mm  5 经济性比较分析与未来空间凸轮工艺设计的探索 
  在YB47高速卷烟包装机开发试制过程中,实现了多轨迹空间凸轮的国产化自制并取得成功,*了公司在新产品样机开发试制阶段只能依赖进口不能自制加工的空白。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,就公司可持续发展的战略目标而言,对开发超高速卷烟包装机更具有深远的历史意义,为结构更复杂、精度更高的多轨迹空间凸轮奠定了工艺设计和加工基础。表3为进口与国产化空间凸轮的成本统计对比,随着市场需求的不断增加其经济效益将更为显著。进口与国产化自制空间凸轮的成本对比   表3件    号进口价/件折合人民币/件自制成本/件节约成本/件节约率 
YB45.11.084-481861.03DM 
10235.67元2626.97元7608.87元74.34%1BBG41002400 
约850欧元13132.5元3058.18元10074.82元76.71%  6 结束语 
  通过工艺试制,验证工艺设计方案,解决了多轨迹空间凸轮的加工难题,经新产品试运转证明各项参数*达了到设计要求。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,这不仅体现了我公司国产化能力的提高和加强,而且为结构更复杂的高速、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基础。但在不断提高多轨迹空间凸轮加工质量和加工效率上还可作进一步 探索。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,提高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,现代磨削技术,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.
                                                 -------------朱亦茹, 1982年毕业于上海科大机械制造及装备专业,上海烟草机械有限责任公司技术开发部工艺主管。 
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