要求完成一个底座和一个凸轮轴的数控加工，再把两个零件装配起来，竞赛总时间6h。凸轮轴是整个组件中最复杂，加工精度、形位公差、表面质量等要求最高的零件，涉及到多个复杂曲面的加工，用自动编程软件编程，要经历三维造型、刀具轨迹生成、加工仿真、后置处理和程序优化等过程，花费时间较长，生成的程序上万段，检查和修改困难，加工过程中一旦刀具出问题，可能要重头生成程序。笔者作为教师组参赛选手，利用华中世纪星HNC-21M数控系统提供的宏程序和刀具补偿功能进行编程，在配有华中数控系统的大连机床厂生产的数控铣床上成功地完成了粗、精加工该零件的复杂曲面加工。
1 数控加工工艺
(1)图样分析。竞赛现场提供的零件毛坯是一个带台阶和内孔的圆柱体，外径120 mm，总长115 mm，台阶外径85 mm，高13 mm，内孔20 mm。凸轮轴的主要构成要素包括多段圆弧相切构成的凸轮柱面1、椭圆面2和12、双曲面5、阿基米德螺旋线面8、圆锥面9、圆环面10、凹半球面11、六方形6以及圆柱面3、4、7、13，各构成要素尺寸公差为O．05 Bin，形状位置精度允差<0．05 mm，表面粗糙度Ra3.2 m，工件材料45钢。
(2)工艺方案。为保证加工精度和表面质量，采用先粗加工后精加工的方法，先将外周方铣至图要求，再分别作各曲面至图要求；为防止加工产生的热变形，粗、精加工均采用切削液冷却。
2 主要曲面的数控加工
粗、精加工的装夹定位方式和加工路线基本相同，粗、精加工程序差别不大，只是刀具和背吃刀量、转速和进给率等切削要素有所不同。下面以精加工为例说明，因篇幅所限，阿基米德螺旋面、凹半球面、双曲面将不列出加工程序。
(1)凸轮柱面、六方形和圆柱面7作图比计算切点、交点等关键点更快，用CAXA2008制造工程师生成程序后，直接用机床在线加工方式(DNC)进行加工，同时进行其他曲面的加工编程，可节约不少时间。
(2)椭圆面2和圆柱面3、4合在一个工序里加工。根据图纸确定椭圆的参数方程为X=30cos，y=26sin，设定变量如表1所示，以椭圆中心为编程零点编制宏程序，选择14 mm钨钢四刃立铣刀进行精加工。椭圆面12和圆柱面13加工方法与此完全一样。
本处使用宏程序编程，程序简单，共计38段，检查修改方便，若采用自动编程，程序上千段，检查修改不便，易出错。
(3)加工完椭圆面12和圆柱面13后，定位方式不变，开始加工凹半球面11。因凹半球半径仅为5.2mm，不再进行粗加工，用Φ3mm中心钻引孔，减少加工量，消除球头铣刀尖阻力。以凹半球中心为编程零点编制宏程序，用R3 mm钨钢球头铣刀加工至图要求。
(4)阿基米德螺旋线面8槽宽为6 mm，深为5mm，不进行粗加工。根据图纸确定阿基米德螺旋线的参数方程为X=(18+13(-0)／360)cosa，Y=(18+13(-0)／360)sin。以螺旋线基圆中心为编程零点编制宏程序，用Φ6 mm钨钢键槽铣刀加工至图要求。
(5)加工完阿基米德螺旋线面后，定位方式不变，开始加工圆锥面9和圆环面10。根据图纸作相关的刀尖轨迹计算图如图3所示。可计算出圆环面上任意一点A的坐标关系为XA=6.799-cos，ZA=sin-1；圆锥面上任意一点曰的坐标关系为XB=5.801-(Z-0.95)tan3。
3 结语
利用华中世纪星HNC-21M数控系统提供的宏程序功能，对凸轮轴零件的各主要曲面进行了加工编程，程序简单，检查修改方便，节约了时间，不到4 h就圆满完成了整个零件的加工，使笔者能在余下的2 h里从容地进行底座零件的加工和组件的装配工作。同时参赛使用编程软件的选手，到竞赛时间结束时，零件的一半都没加工完成，笔者因此夺得数控铣加工竞赛教师组第一名，笔者指导的两个学生，也分别获得数控铣加工竞赛学生组第一、二名。在自动编程软件日益盛行的今天，对满足函数关系的零件曲面编程，从时间、效率以及程序优化等方面看，宏程序仍有其优越性。
(审核编辑: 智汇张瑜)
