一、薄壁光学变焦凸轮的数控加工

连续光学变焦系统一般是一类被动跟踪的光学系统，该类系统能够探测、定位并连续跟踪在红外背景辐射和其他干扰下发射红外线的物体和目标。光学变焦系统通常可以分为两类：一类是机械补偿变焦；另外一类是光学补偿变焦。机械补偿变焦可以满足大倍率连续变焦的功能，并且成像清晰，像面稳定，在光学变焦系统被广泛应用。机械补偿式连续变焦系统最典型的结构形式为三组元结构形式，系统除前固定组和后固定组外只有一个变焦组和一个补偿组。为了使变倍透镜和补偿透镜按一定的规律同步移动，实现自动连续变焦，在结构设计上多采用凸轮机构实现。因此，该机构中的凸轮槽的加工精度和表面质量将会直接影响连续变焦系统的成像质量和稳定性。

（ 一 ） 工艺分析

1.技术要求

曲线套筒如图3-1所示，尺寸 L ₁ 和 L ₂ 分别为 圆心的横向尺寸，尺寸公差为±0.015mm；A和B两条螺旋槽相对应的两个 中心线与基准 A 的平行度为0.02mm，每一个 的中心线与基准 A 的正交性为0.02mm。

2.曲线套筒建模

凸轮槽的建模，通常采用矩形沿曲线导动的方式，在构筑凸轮槽曲线时先要将角度坐标转换为长度坐标，然后将绘制的曲线缠绕到圆柱上，再通过软件的扫略功能沿缠绕曲线切割凸轮槽，这种绘制方法存在着如何确定矩形所在的平面及导动辅助线的问题。

改进后的方法是通过对曲线的拟合过程进行公差控制，并利用缠绕后的曲线与其沿圆柱面法线方向的投影线生成直纹面，再对生成的直纹面进行加厚处理，然后与圆柱体进行布尔运算，就可以绘制出完整的凸轮槽建模，确保建模后的精度。

（1）拟合曲线 导入曲线点的数据，并将曲线点的数据处理成笛卡尔坐标的形式，以文本格式进行存储，使用NX软件的point from file功能，导入曲线点的数据并形成点阵。

接下来使用Fit Spline命令实现对拟合误差的精确控制，如图3-2所示，采用五阶曲线，平均误差控制在微米级别。

（2）凸轮槽建模 使用Wrap命令将曲线缠绕到圆柱面上。将内圆柱面上的曲线沿着圆柱面法向投影到外圆柱面上，然后用这两条曲线建立直纹面，用加厚的命令建立起凸轮槽轨迹实体，如图3-3所示，再采用布尔运算即可完成曲线套筒建模，如图3-4所示。

3.工艺分析和加工思路

该光学变焦零件属于薄壁筒类零件，其曲线槽及内外径的相关尺寸属于关键尺寸，前期粗加工工序的目的是去除余量，充分释放加工过程中的内应力；时效处理主要目的是进一步消除内应力；精加工工序是为了保证加工精度，提高装夹精度与可靠性；制作专用心轴定位，方便零件装夹与定位，消除加工过程中产生的扭曲变形。根据零件的加工精度、结构、材料、装夹方式和技术要求，制订加工工艺方案：粗车削内径、外径各留余量1mm，两个端面各留余量0.3mm→粗铣削两曲线凹槽单边留余量0.5mm→时效处理→精车削外螺纹及端面→螺纹及端面定位，精车削外径及内孔→单边留余量0.1mm分两次精铣削曲线槽。

（1）编制数控程序 数控车削加工程序较简单，这里不再赘述。凸轮槽常采用的加工方式为根据补偿曲线、变倍曲线的原始点数据，采用与槽宽尺寸相等的键槽铣刀沿螺旋槽的中心位置进行加工。该加工方法存在以下缺点：①每个线段之间都是采用直线相连，过渡部分不连续，与实际曲线存在差距；②螺旋槽的宽度由于精度较高，受到机床主轴精度和刀具系统精度的限制，因此只能根据曲线槽的精度要求选择刀具尺寸，如果是非标刀具，则必须对刀具进行定制，而且粗加工、精加工需要定制两种不同直径的刀具；③铣刀在曲线槽的加工当中，存在一侧为顺铣、另一侧为逆铣的现象，造成加工中的切削力不均匀，影响加工品质。创新应用四轴联动的加工方式，曲线槽的加工全过程实现顺铣，为了消除进刀、退刀时的接刀痕，程序编制时对进刀点、退刀点进行了重合处理。

以下是对两个螺旋槽在卧式加工中心上如何加工和编程的过程介绍。

编程有两种方法，具体如下所述。

1）用UG软件进行三维建模。方法如下：首先进入UG建模模块，将零件的毛坯三维绘制出来，以方便模拟使用；然后进入UG编程模块，在几何视图中的G54下的WORKPIECE_G54中指定部件和毛坯，而后在程序顺序视图中建立4个变轴操作，分别命名为：SEMI_VARIABLE_MILL_SLOT1、SEMI_VARIABLE_MILL_SLOT2、FIN_VARIABLE_MILL_SLOT1和FIN_VARIABLE_MILL_SLOT2。在这4步操作中分别设置驱动方式和刀轴，如图3-5所示。

首先在SEMI_VARIABLE_MILL_SLOT1和FIN_VARIABLE_MILL_SLOT1中，选择曲线一为驱动曲线，另两步操作选曲线二为驱动曲线，其次刀轴选“离开直线”选项，直线就选择“三维筒的中心轴线”。而后在这4步中分别设置非切削的逼近、进刀、退刀和分离为手工→刀轴→距离。逼近和分离分别设为15mm，进刀和退刀分别设为3mm。

其中曲线一、曲线二如图3-6所示。

在驱动方式菜单下要合理地选择切削步长参数，可以按照零件精度选择切削步长数量或是切削精度大小。

如果选项中数字项太小，则步长将会加大，造成曲线插补不平滑，因此应根据机床工作台分度精度确定好数字，保证曲线平滑。设置完刀具和切削参数，然后就可以生成操作步骤，生成刀轨，而后进行2D模拟，最后选择合适的多轴后处理文件就可以生成程序了。

2）手工编制程序方法。手工编程采用宏程序编程方法，也就是利用变量编程，通过将曲线参数变量关系编入程序，数控装置自动计算出凸轮上每一点的坐标值，通过连续进给，加工出凸轮的轮廓线。这种方法的优点是：程序体积小，占用系统内存非常少，对于内存小的数控系统来说，无疑是一种很好的编程手段，宏程序编程加工精度也很方便控制，不同的凸轮只需要修改几个参数值，基本都可以应对。

程序及说明如下：

（2）加工刀具与加工路线的选择 为了保证加工精度，在加工凸轮槽时通常采用硬质合金立铣刀，加工铝合金材料通常选用大螺旋角的铝合金专用铣刀，锋利的刀刃可以减小切削力，从而提高零件表面质量和降低切削作用力。在加工钛合金等难加工材料时，由于需要承受较高的切削力，对机床的主轴功率和刀柄选择等要求很高，可以选用针对钛合金材料的专用立铣刀，首选不等齿距、不等螺旋角的铣刀结构，可以解决加工钛合金材质键槽过程中由于振动而造成的表面精度差的问题，降低切削作用力，提高加工中的平稳性。在刀柄的选择上，尽量将刀具安装在热缩刀柄或液压刀柄上，这两类刀柄的径向圆跳动误差和重复定位精度基本可以控制在3μm以下，从而保证键槽的加工表面质量，满足宽度尺寸的精度要求。

刀具的安装在满足不发生碰撞与干涉的原则下，悬伸长度要尽可能短，可以保证加工的效率与切削刚度。刀具在初始下刀位置尽量提前预钻孔，或采用螺旋下刀和斜线下刀的方式进刀。

粗加工采用NX8.5软件的CAM加工模块的Vari-able Contour对凸轮槽进行程序的编制。首先使用 ϕ 3mm立铣刀沿槽的中心线铣削，粗加工凸轮槽，单边留余量0.5mm，切削参数 S ＝35000r/min，进给速度 v _f ＝100mm/min。

半精加工采用NX8.5软件的CAM加工模块的Contour Profile对凸轮槽进行程序的编制。 ϕ 3mm立铣刀沿凸轮槽的侧壁走刀，半精加工凸轮槽，单边留余量0.1~0.15mm。切削参数选择 S ＝3500r/min，进给速度 v _f ＝150mm/min。

精加工采用NX8.5软件的CAM加工模块的Contour Profile编制凸轮槽精加工程序。选用 ϕ 3mm立铣刀或者定制的 ϕ 3.5mm的键槽铣刀加工，沿槽的侧壁走刀，精加工凸轮槽，为了避免产生下刀痕，选用圆弧进刀、退刀的方式，下刀点尽量选择在凸轮槽的根部，保证螺旋槽光顺面的表面质量，切削参数选择 S ＝3500r/min，进给速度 v _f ＝150mm/min。

为了保证加工整个侧壁的光顺度，在精加工时必须保证铣削过程中不能变换切削速度、主轴转速和关闭切削液等操作，并保证在加工中不能有停顿，否则由于切削参数的变化与刀具的停顿，使切削力发生改变，会在键槽侧壁留下清晰的刀痕，从而影响整个侧壁的光顺度而造成零件的报废。

（3）夹具（见图3-7）的设计 根据零件的尺寸可知，由于槽宽4mm的尺寸公差为0.012mm，所以在零件的装夹上不能受任何的轴向力，否则由于压紧力的影响会造成尺寸超差。为了让筒形零件的内壁只受直径方向的力，特意设计了液压胀紧式的心轴来保证装夹可靠。

与普通夹具不同之处在于，液压胀紧夹具采用静压膨胀技术，对夹具进行加压后，液压介质在加压机构作用下会产生极大的压力，迫使变形元件在整个夹持范围内360°周向均匀地弹性变形，实现对工件定位孔/轴的胀紧。这种夹持方法具有较高的夹持定位精度，大大提高了工件加工精度及质量稳定性。液压胀紧式夹持还可以实现变径夹持，通过使用变径卡簧，可以针对不同直径的工件进行相应的适应性应用。

如图3-7所示，本案例针对变焦凸轮设计的心轴内部有一个薄壁内腔，内腔装有黏度较大的液压油，内腔两端安装有调压柱塞。心轴一端安装在自定心卡盘上，另一端经过找正上下垂直并安装工件，通过旋紧密封螺钉使液压腔内的液压油产生膨胀压力，并传导到心轴侧壁，实现对零件的径向夹紧。由于采用的刀具较小，并且加工方式为高速加工，产生的切削力很小，所以夹紧力需适当控制，以双手握住旋不动零件即可。

心轴在设计制造中注意以下几点：①心轴的工作外圆与工件内孔的配合采用f8/H7的配合精度，便于产品零件的定位可靠；②心轴前端的内螺纹与柱塞相配合的孔的长度要控制好，保证心轴内孔中的柱塞有足够的位移调节空间，以保证产生足够的胀紧力；③要严格控制空腔壁厚，否则会影响夹紧力的大小。心轴空腔壁厚的确定，参照液性塑料定心夹紧结构中薄壁套筒壁厚 h 的计算方法求得，见表3-1。

（二）零件的测量

1.目前检测中存在的问题

在近几年的科研试制生产中，变焦凸轮图样所表示的曲线形状和运动轨迹，采用曲线方程或参数方程来表示，纵坐标反映转动角度，横坐标反映变焦位置。零件螺旋槽形状采用三维造型、计算机编程和四轴加工完成。对于整个装配部件来说，螺旋槽面的主要作用是控制某个部件的运动轨迹，所有螺旋槽面的尺寸与位置精度的高低直接影响整个部件在使用中的效果。零件完成后，以河南平原光电有限公司现有的检测手段，普通检测只能对槽宽进行测量，但对螺旋槽的导程、导程角、起始角度及曲线形状等都无法检测，只能依靠三坐标测量机进行全面测量。同一设备和程序加工出的零件，三坐标测量机检测的结果因零件曲面粗糙度、曲线拐点圆滑度、零件外形几何公差等多方面综合因素的不同，检测出的结果出入很大，存在不同程度误判的问题，同时整个过程繁琐、耗时、检测误差大，对成批零件检测成本太高，希望有一种高效、准确的检测方法。

2.零件加工前的准备

设备采用通用的四轴加工设备，如卧式加工中心、车铣复合加工中心等。编程方法采用三维绘制曲线轮廓，设置好工艺参数，利用编程软件，自动生成程序。零件加工前必须对设备进行验证，以确保零件形状、精度的准确性。可选用以下办法：预先进行简单零件的验证，如采用同种材料加工1个 SR 20mm的球体，形状如图3-8所示，用外径千分尺对球体进行测量，至少量取6点，测得6个直径方向的尺寸精度，以验证机床在 X 、 Y 、 Z 各个方向的精度和所设置的工艺参数的符合性，从而得出设备精度的稳定性状况。

3.螺旋槽检测思路与工作原理

变焦凸轮的工作原理是利用该零件本身的曲线轮廓带动与之连接的零件做往复移动，即通过该零件的回转运动转化成传动零件的直线运动。其主要特点是凸轮回转平面与从动件的运动平面互相垂直，按运动轨迹 s = s （ α ）运行，从而实现调焦的目的，工作原理如图3-9所示。以此为设计思路，利用通用分度头装置加辅助心轴，实现曲线螺旋槽的检测，工作原理和操作说明如下所述。

1）首先将中心高为105mm的卧式万能分度头放置在工作平板上，并用螺钉固定；然后再以分度头中心轴线为基准，根据所测工件外径大小来确定“定位套筒”检测轴中心线的平行距离，并用螺钉固定，保证相对平行度在0.012mm内；最后，在万能分度头的对面增加一个弹簧顶尖，保证与分度头中心线同轴度在 ϕ 0.01mm内，并用螺钉固定。

2）首先将检验心轴装夹在分度卡盘上，保证径向圆跳动在0.01mm以内，再将工件固定在检验心轴上，用螺母锁紧，并复检工件的径向圆跳动误差。心轴轴端用弹簧顶尖辅助支撑。

3）根据工件螺旋槽宽度尺寸来确定“可换定位轴”的直径，保证“可换定位轴”在螺旋槽中平稳滑移，不得有阻尼或松紧不一现象，将“可换定位轴”用螺母锁紧。

4）根据工件要求，利用螺旋槽运动轨迹方程，可测算出工件每旋转一定角度（分度头可直接读出度数）轴向移动的距离。也可由角度差和轴向移动间距差进行确定。

需要注意的是，在检测前，首先用数显深度尺测出图3-10中“检测前测量该尺寸备用”位置实际长度。当分度头旋转一定角度后，用数显卡尺测量“检测轴”右端到“定位套筒”右端面的距离，减去检测前测量的尺寸，就是螺旋槽所要求的实际尺寸值。与工件理论上每旋转一定角度螺旋槽轴向移动的距离进行比较，所得到的差值就是误差值。

该检测方法通用性强，只需更换“可换定位轴”和调整“定位套筒”位置，即可对不同曲线轮廓零件进行测量，简单、方便、准确且快捷，不但避免了三坐标检测因综合误差带来的累积影响，而且大大缩短了检测周期，对批量加工零件的检测是一种高效、准确的检测方法。

（三）圆柱槽凸轮加工方法的扩展

前面案例提到的变焦凸轮的绘制方法是导入曲线点数据，将曲线点数据处理成笛卡尔坐标的形式，使用NX软件的point from file功能，导入数据，形成点阵，最后拟合成曲线。然而实际加工当中还有一些零件如圆柱端面凸轮、圆柱槽凸轮（见图3-11）等，图样给出的是圆柱面展开的形状。这些零件在数控机床上铣削时，通常是靠 X 轴和 A 轴联动来加工出所需形状的。然而， X 轴和 A 轴联动有两个问题：一是只能使用G1指令来逼近，无法使用G2/G3指令，也不能使用圆角指令（，R_）；二是无法使用半径补偿。这两个原因造成了一些看似很简单的形状在加工时也变得非常复杂，如展开图中有圆弧，或槽宽要求较严需精铣削槽的两侧面等。这些形状如果是在平面上，靠 X 轴和 Y 轴联动来加工，则编程非常简单。很多数控系统提供了这方面的编程指令，HAAS数控系统的圆柱展开指令G107就可以实现用 Y 轴来取代 A 轴，具体地说就是程序中写的是 Y 坐标，实际上运动的是 A 轴。这样一来在编程时就可以把圆柱面上的形状当成平面上的形状来编程了，前述的两个问题自然就迎刃而解了。

HAAS系统G107指令的格式是G107 Y_ A_ R_（或Q_）。意思是把半径为 R （或直径为 Q ）的圆柱展开， Y 值对应处是 A 值。通常都是设Y0 A0。 R 值是圆柱的半径。

1.例1：铣削圆柱面上的导向槽

要铣削如图3-12所示的圆柱面上的导向槽这样的曲线槽，需要把工件装夹在分度头上，用直径与槽宽相等的键槽铣刀分层铣削。如果展开图上没有两个 R 8mm圆弧，槽中心线仅仅是由3段直线段组成的折线，那么编程就很简单了，不需要使用G107指令。程序段如下：

然而，实际上拐角处有两个 R 8mm圆弧，为了走出这两个圆弧，就需要用G107指令，否则无法进行圆弧插补。编程前需计算 ϕ 38mm外圆面上30°弧长：38mm×π÷12＝9.948mm。工件坐标系的 X 原点设在工件左端面处， Y 原点设在分度头中心， Z 原点设在外圆最高点处， A 原点任意。用 ϕ 5mm键槽铣刀，每层铣削深0.5mm。程序如下：

程序中用了两个圆角指令（，R8.）就实现了圆弧过渡。编程时还需注意不要遗漏R8.的小数点，否则HAAS系统将视为R0.008。使用圆柱展开指令G107后，除了可以用圆角指令外，也可以使用G2、G3指令。

如果槽宽要求较严，如槽宽为 ，则需要精铣削槽的两侧面。这就要用到半径补偿功能了。要用 ϕ 5mm的铣刀铣削宽度为 的槽，程序如下：

程序中是先分层铣削到Z-3.98深，然后在最终深度Z-4处空走两遍，用于精铣削槽的侧壁。走刀路径在子程序（从N9到M99）中描述。程序中使用了半径补偿指令G42 D1， D ₁ 的值是0.02mm，所用的铣刀直径是5mm，则铣削出的槽宽（理论上）是5mm+0.02mm×2=5.04mm，在公差带之内。实际加工时需根据槽宽实测尺寸来微调补偿值，以便控制槽宽。

上面的程序是用 ϕ 5mm的铣刀铣削宽度为 的槽，半径补偿值是0.02mm。然而也不能选用直径太小的刀具通过刀具补偿的方式加工，这是因为使用圆柱展开指令后， Y 坐标的移动被转换成分度头的转动了。当铣削轴向（即 X 向）槽时，半径补偿实际上是通过分度头向两边转动来把槽扩宽，会造成槽口宽、槽底窄，槽的截面呈喇叭形。上面计算出来的槽宽只是口部的宽度。口部和底部的宽度差值＝2 ×刀具半径补偿值×槽深/圆柱半径。由此可见，刀具半径补偿值越大，造成的差值也就越大。这个差值实际上是在消耗宽度的公差。上例中，当刀具半径补偿值为0.02mm时，口部和底部的宽度差值是2×0.02mm×4/19＝0.0084mm，槽宽公差是0.03mm，宽度差值0.0084mm尚在可接受的范围内。而当补偿值为0.52mm时，槽宽差值是2×0.52mm×4/19＝0.22mm，明显地超出了公差范围，显然无法加工出合格的工件。这说明在铣削圆柱面上的槽时，铣刀直径要尽量接近槽宽，不能小得太多（不超过0.2mm为宜）。当标准铣刀直径不能满足要求时，需要刃磨铣刀。尽管如此，圆柱展开指令仍是铣削圆柱面上的导向槽时非常实用的指令。它可以在铣刀正常磨损范围内通过调整半径补偿值的办法来加工出符合要求的槽。例如，一批零件要在圆柱面上铣削宽度为 的曲线导向槽，可用 ϕ 5mm铣刀粗铣削，用 ϕ 6mm旧铣刀改磨成 ϕ 5.3~ ϕ 5.4mm铣刀进行精铣削。在加工过程中，随着精铣刀的正常磨损，直径会略微变小，这时可调整精铣刀的半径补偿值来扩宽槽（调整量通常都很小，不超过0.05mm）。

如果曲线槽的圆弧过渡部分形状要求不严，可把圆柱的半径看作57.296mm，即圆柱展开指令写成G107 Y0 A0 R57.296。57.296mm是周长为360mm的圆的半径[360mm/（2π）=57.296mm]。这样，圆柱展开后程序中的 Y 坐标在数值上与分度头旋转的角度是相等的，可省去计算弧长的步骤。在使用G107指令时，57.296是一个比较常用的数值，读者应记住这个数，参看下例。

2.例2 ： 铣削圆柱面槽

这个圆柱面槽（见图3-13）与上例类似，使用圆柱展开指令编程之前要计算 ϕ 120mm外圆面上60°的弧长。如果圆弧部分要求不严，可以不必计算这个弧长，而把圆柱的半径看作57.296mm。工件坐标系原点设置同上例，程序如下：

3.例3：铣削圆柱端面凸轮

要铣削如图3-14所示的圆柱端面凸轮，应把工件装夹在分度头上，用立铣刀侧刃来切削（见图3-15）。如果把工件竖直装夹用球刀铣削曲面，则效率低且表面粗糙度较差。由于展开后的曲线是正弦曲线，因此应使用圆柱展开指令，以便进行半径补偿和圆弧指令。工件坐标系的 X 原点设在工件左端面处， Y 原点设在分度头中心， Z 原点设在外圆最高点处， A 原点任意。用 ϕ 12mm的立铣刀铣削。程序如下：

程序中，#2、#3作为原始数据输入，可使程序适应各种不同的尺寸。只要圆柱端面凸轮的展开曲线是正弦曲线，无论圆柱半径是多少、圆周上分布几个周期，都可以用这个程序来加工。例如，把#2的值改为5，则加工出的工件在圆周上分布有5个周期（即有5个波峰和5个波谷）。而振幅在程序中只出现一次，可不用设置变量，加工振幅不同的工件时直接修改这个数值即可。（当然也可以把振幅设置成变量作为原始数据输入，依个人习惯而定。）

这个程序只是把正弦曲线的形状走了一遍，没有分粗精铣削。实际加工时，先把工件坐标系 X 原点向左移动0.2mm左右，用于留出精铣削余量。铣削完一遍后，把 X 原点移回来，再精铣削1～2遍即可。也可以先把 D ₁ 的值改大一点用来留精铣削余量，然后把 D ₁ 的值改成实际铣刀半径。加工出的零件如图3-16所示。

从本例可以看出G107指令编程的方便性。如果不使用圆柱展开功能，要铣削这个形状则必须计算圆柱面展开后铣刀中心的轨迹，这就需要对正弦曲线进行求导，显然不如G107指令使用方便。 NuLYb+UQ5x0Eq0xzlK2Cougua3Ao8Dr2L8mlkh6xLh53IVF+mHjX9UtOSyWT4iWY