汽車凸輪軸加工工藝分析

汽車凸輪軸加工工藝分析內(nèi)容摘要凸輪軸作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部件，其性能直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能。因此凸輪軸的加工工藝有特殊要求，合理的加工工藝對于降低加工本錢、減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)以及合理布置凸輪軸生產(chǎn)線具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。本文針對凸輪軸的加工特點(diǎn)，結(jié)合工廠的實(shí)際，從前期規(guī)劃開始，對凸輪軸的加工工藝進(jìn)行了深入的分析、研究。建立了用數(shù)控?zé)o靠模方法。對凸輪廓形進(jìn)行計(jì)算和推倒，對凸輪輪廓的加工進(jìn)行了探討并提出適用于發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸的加工方法。關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；凸輪軸；工藝分析目錄一、引言1〔一〕汽車發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的開展?fàn)顩r1〔二〕凸輪軸的性能要求2〔三〕本文研究內(nèi)容3二、凸輪軸生產(chǎn)線前期規(guī)劃3〔一〕產(chǎn)品規(guī)格3〔二〕工藝設(shè)計(jì)原那么及凸輪軸加工工藝分析4〔三〕小結(jié)5三、凸輪軸生產(chǎn)線工藝分析6〔一〕生產(chǎn)線布置6〔二〕工藝設(shè)計(jì)6〔三〕工藝分析7〔四〕工藝特點(diǎn)9〔五〕工藝難點(diǎn)11四、凸輪廓形理論計(jì)算及加工控制參數(shù)12〔一〕凸輪軸凸輪的廓形要求12〔二〕包絡(luò)線理論15〔三〕凸輪廓形坐標(biāo)16五、總結(jié)參考文獻(xiàn)汽車凸輪軸加工工藝設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：孟德宏指導(dǎo)老師：郭小凱一、引言〔一〕汽車發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的開展?fàn)顩r現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的開展十分迅速，這種趨勢要求各發(fā)動(dòng)機(jī)廠家不僅要具有大批量生產(chǎn)的能力，也同時(shí)要具有小批量、多品種的生產(chǎn)技術(shù)。所以，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠家現(xiàn)在已經(jīng)普及了互換性、自動(dòng)化生產(chǎn)，做到了流水線式生產(chǎn)線布置及工藝安排，實(shí)現(xiàn)了按節(jié)拍生產(chǎn)。輔助時(shí)間包括上料、輸送、檢驗(yàn)時(shí)間，而機(jī)加工時(shí)間那么是指從夾具定位、夾緊到機(jī)加工完成，夾具松開并推出工件這段時(shí)間。除按節(jié)拍生產(chǎn)以外，我國的發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家多數(shù)采用流水線布置。生產(chǎn)線分為半自動(dòng)生產(chǎn)線與全自動(dòng)生產(chǎn)線兩種形式。半自動(dòng)生產(chǎn)線與全自動(dòng)生產(chǎn)線的區(qū)別在于前者靠人工在工序間輸送工件，而后者那么實(shí)現(xiàn)了無人操作、輸送、加工及檢驗(yàn)全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。全自動(dòng)生產(chǎn)線雖然自動(dòng)化程度高，質(zhì)量穩(wěn)定、可靠，但是投資巨大，本錢太高，而我們國家人力資源豐富，人工價(jià)格偏低，所以大局部發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家采用半自動(dòng)生產(chǎn)線與局部全自動(dòng)化生產(chǎn)線相結(jié)合的方式布置生產(chǎn)線，在保證生產(chǎn)節(jié)拍和產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，盡可能的降低產(chǎn)品的本錢。此外，在各種發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)上均采用了一些先進(jìn)的形式及工藝。例如多氣缸多氣門的設(shè)計(jì)，從直列三缸到V型雙列十二缸，從二氣門到四氣門、五氣門。多氣門的布置可以增加充氣效率，便于阻止缸內(nèi)氣流壓力。頂置式凸輪軸設(shè)計(jì)，精密加工，柔性生產(chǎn)，在線自動(dòng)測量及自動(dòng)補(bǔ)償?shù)鹊?，這些都為機(jī)加工生產(chǎn)及工藝安排增加了難度，向技術(shù)人員提出了更高的要求。人們對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求概括為以下幾點(diǎn)：⑴高的動(dòng)力性能。⑵高的燃料經(jīng)濟(jì)性。⑶高的工作可靠性和足夠的使用壽命。⑷結(jié)構(gòu)緊湊，外形小，重量輕。⑸高的環(huán)境性能，低排放，低消耗，低污染。尤其是最后一點(diǎn)，在近些年中得到很大的關(guān)注。由于發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的不斷提高，其加工精度、難度也不斷增加，所以在發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)中，數(shù)控機(jī)床，精密加工機(jī)床，加工中心，自動(dòng)生產(chǎn)線，成組技術(shù)等先進(jìn)設(shè)備及技術(shù)都得到了廣泛的普及?！捕惩馆嗇S的性能要求在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)零件及機(jī)構(gòu)中，配氣機(jī)構(gòu)是非常重要的，配氣機(jī)構(gòu)必須根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)所發(fā)生的工作過程，保證正確地翻開和關(guān)閉氣門。而凸輪軸是配氣機(jī)構(gòu)中最重要、最關(guān)鍵的零件，它決定著氣門的升程曲線和氣門開關(guān)時(shí)刻，從而直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣量，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放。發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)現(xiàn)在都采用氣門頂置式配氣機(jī)構(gòu)，其主要原因是由于頂置式配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)能選用較高的壓縮比。其氣門可以設(shè)計(jì)的比擬大，混合氣進(jìn)入和廢氣排出的必經(jīng)路程又比擬短，因而頂置氣門式發(fā)動(dòng)機(jī)的容積效率比擬高。另外，頂置氣門式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的S/V比值較小〔S/V比值是燃燒室的外表積S和燃燒室的容積V之比〕，這樣，不僅廢氣中未燃碳?xì)浠衔锏暮枯^少，而且發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率也較高，這在排放標(biāo)準(zhǔn)日益提高的今天是非常重要的。在頂置氣門式配氣機(jī)構(gòu)中，除通常采用挺桿、推桿和搖臂控制氣門的形式外，還有采用頂置凸輪軸〔SOHC〕的。在頂置凸輪軸的發(fā)動(dòng)機(jī)中，凸輪軸置于氣缸蓋上，凸輪直接作用于搖臂或者挺桿來控制氣門。除單頂置凸輪軸外，還有雙頂置凸輪軸〔DOHC〕的，其中一根凸輪軸操縱進(jìn)氣門，另一根控制排氣門。這種單頂置凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)，由于沒有推桿和挺桿，因而減小了配氣機(jī)構(gòu)的慣性力，減少了氣門產(chǎn)成顫抖的傾向，同時(shí)也減少了系統(tǒng)的變形量。而且這種單頂置凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，由于運(yùn)動(dòng)質(zhì)量小，凸輪輪廓可以設(shè)計(jì)的比擬陡一些，可以使氣門能夠更快的翻開和關(guān)閉，保持更多的時(shí)間停留在全開的位置上，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣，提高容積的效率，這樣可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，特別是高速下的性能。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的開展趨勢為多氣缸多氣門設(shè)計(jì)，而每一個(gè)氣門的進(jìn)氣與排氣都必須由凸輪軸上的凸輪外形控制。所以凸輪軸的開展趨勢是一個(gè)凸輪軸上排列著越來越多的凸輪，如果是三缸以下的發(fā)動(dòng)機(jī)，不管是兩氣門還是四氣門，排氣凸輪與進(jìn)氣凸輪還可以排在一根凸輪軸上。如果是四缸以上，那么必須配備兩根凸輪軸，其中一根凸輪軸控制進(jìn)氣門，另一根控制排氣門。凸輪軸是內(nèi)燃機(jī)配氣系統(tǒng)中關(guān)鍵的零件之一，整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)是由凸輪軸驅(qū)動(dòng)的，凸輪的設(shè)計(jì)對整個(gè)配氣系統(tǒng)的性能起著決定性的作用。凸輪軸剛性差、易變形；精度高，加工難度大；因此，對于凸輪軸的設(shè)計(jì)、加工、選材、加工工藝等都提出了許多要求。其主要的技術(shù)要求如表1.1表述。表1.1凸輪軸的技術(shù)要求主要工程一般性要求支撐軸承尺寸〔mm〕外表粗糙度〔μm〕圓柱度〔mm〕IT5~IT60.45級(jí)精度0.40.060.02±30′凸輪軸外表粗糙度〔mm〕中間軸頸相對于兩端軸頸的跳動(dòng)(mm)相鄰兩軸頸的徑向跳動(dòng)(mm)凸輪軸對稱中心平面對正時(shí)齒輪鍵槽中心平面或定位銷軸線的角度偏差〔′〕〔三〕本文研究內(nèi)容隨著汽車行業(yè)的不斷開展，再加上配件的需求，使得凸輪軸的需求量一直高居不下。建立一條集先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)性為一體的凸輪軸生產(chǎn)線是非常必要的。面對國外汽車行業(yè)的沖擊，我們國產(chǎn)汽車業(yè)應(yīng)該加緊研究、建立符合中國國情的，我們自己的根底制造業(yè)，提高質(zhì)量、降低本錢，這樣才能保住我們國產(chǎn)汽車的市場。凸輪軸在發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要地位決定了國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家都建有自己的凸輪軸生產(chǎn)線，這樣可以在保證整機(jī)質(zhì)量的前提下，盡可能的降低本錢，提高競爭力。本文主要圍繞汽車凸輪軸生產(chǎn)線的工藝分析，從前期準(zhǔn)備、工藝設(shè)計(jì)、理論計(jì)算、生產(chǎn)實(shí)踐、和產(chǎn)品檢測這幾個(gè)方面，闡述了凸輪軸加工的一整套設(shè)計(jì)思路和方法，對發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)中的零部件加工具有重要的參考作用。二、凸輪軸生產(chǎn)前期規(guī)劃〔一〕產(chǎn)品規(guī)格2.1.1零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)凸輪軸生產(chǎn)線承每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸的機(jī)加工，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上使用一根凸輪軸。材料：〔FCA-3〕銅鉻鉬合金鑄鐵，各主軸頸及端面的硬度HB180~240，凸輪HRC48.2.1.2凸輪軸簡圖圖12.1.3發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸主要加工內(nèi)容和精度要求〔1〕支承軸徑前軸徑前端φ，后端φ，外表粗糙度Rz3.2中間軸徑φ，外表粗糙度Rz3.2后軸徑φ，外表粗糙度Rz3.2〔2〕凸輪6個(gè)凸輪基圓尺寸為φ，外表粗糙度Rz3.2。各凸輪基圓相對與前后軸頸的基準(zhǔn)軸線的徑向跳動(dòng)允差0.03mm各凸輪基圓相對與前后軸頸的基準(zhǔn)軸線的平行度允差0.01mm各凸輪對稱中心線相對于鍵槽的相對位置偏差〔相位角〕±20′〔見圖1〕凸輪型線誤差作用段±0.05mm凸輪型線誤差作用段±0.02mm一缸凸輪軸對鍵槽位置112°32′±20′〔3〕斜齒輪齒數(shù)：13，螺旋角：53°〔右〕±1′46"公法線長度：38.611～38.806齒形誤差≤0.025；齒向誤差≤0.017；齒槽對鍵槽的角度20°±2°〔4〕鍵槽寬，深，對稱度0.0252.2工藝設(shè)計(jì)原那么及凸輪軸加工工藝分析(1)保證工藝具有合理的先進(jìn)性，再保證節(jié)拍的根底上，吸收先進(jìn)技術(shù)提高產(chǎn)品的競爭力。(2)對于關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)，優(yōu)先考慮國內(nèi)外可靠廠家的先進(jìn)設(shè)備。(3)保證先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)性相結(jié)合，再保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，降低本錢(4)充分考慮各生產(chǎn)緩解的平安性和操作的方便性。(5)在投資允許的情況下，盡量考慮柔性生產(chǎn)。由于凸輪軸具有細(xì)長且形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，技術(shù)要求又高，尤其是凸輪的加工，因此其加工工藝性較差。在凸輪軸的加工過程中，有兩個(gè)主要因素影響其加工精度。其一是易變形性，其二是加工難度大。2.2.1易變形特性從細(xì)長軸的角度來說，突出的問題就是工件本身的剛度低，切削加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的受力變形，其外表剩余應(yīng)力也會(huì)引起變形。尤其是在加工凸輪和齒輪時(shí)，這種變形會(huì)更為顯著。凸輪軸在加工過程中的變形，不僅影響到后續(xù)工序加工中的余量分配是否均勻，而且變形過大會(huì)導(dǎo)致后序加工無法進(jìn)行，甚至造成中途報(bào)廢。凸輪軸加工后的變形，將直接影響到裝配后凸輪軸的使用性能[2]。因此，在安排其工藝過程時(shí)，必須針對工件易變形這一特點(diǎn)采取必要的措施。不僅要把各主要外表的粗精加工工序分開，以使粗加工時(shí)產(chǎn)生的變形在精加工中得到修整，半精加工中產(chǎn)生的變形在精加工中得到修正，還必須在加工過程中增設(shè)輔助支承以采取分段加工等措施，這是保證凸輪軸加工精度所必須解決的問題。2.2.2加工難度大從形狀復(fù)雜的角度來說，突出的問題凸輪、齒輪這些復(fù)雜外表的加工。對于這些外表，不僅有尺寸精度要求，還有形狀、位置精度要求，如采用普通的加工設(shè)備和一般外表常規(guī)加工方法，顯然是根本無法保證其加工質(zhì)量和精度的。例如對于凸輪的加工，從滿足使用要求的角度來說，既要求其相位角準(zhǔn)確又要求凸輪曲線升程滿足氣門開啟和關(guān)閉時(shí)升降過程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但注意到凸輪曲線上的各點(diǎn)相對其回轉(zhuǎn)中心的半徑是變化的，中選用一般的靠模機(jī)床加工時(shí)，由于加工半徑的變化，勢必引起切削速度和切削力的變化，加之工件旋轉(zhuǎn)時(shí)的慣性力和靠模彈簧張力的瞬間變化，將會(huì)使加工后的凸輪曲線產(chǎn)生形狀誤差，即曲線的升程誤差，從而直接影響凸輪軸的使用性能。2.3小結(jié)綜上所述，雖然各種方案都各有優(yōu)點(diǎn)，但其技術(shù)的不成熟或者本錢問題，都成為在國內(nèi)實(shí)施的困難。考慮到本錢及大批量生產(chǎn)，選擇成熟技術(shù)和成熟的設(shè)備，使工藝方案符合經(jīng)濟(jì)性與合理性原那么。三、凸輪軸工藝分析3.1工藝設(shè)計(jì)3.1.1定位基準(zhǔn)的選擇對于一般的軸類零件來說，其軸線即為它的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸遵循這一設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，由于凸輪軸各外表的加工難以在一次裝夾中完成，因此，減小工件在屢次裝夾中的定位誤差，就成為保證凸輪軸加工精度的關(guān)鍵。本文采用兩頂尖孔作為軸類零件的定位基準(zhǔn)，這不僅防止了工件在屢次裝夾中因定位基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換而引起的定位誤差，也可作為后續(xù)工序的定位基準(zhǔn)，即符合“基準(zhǔn)統(tǒng)一”原那么。這種方法不僅使工件的裝夾方便、可靠。簡化了工藝規(guī)程的制定工作，使各工序所使用的夾具結(jié)構(gòu)相同或相近，從而減少了設(shè)計(jì)、制造夾具的時(shí)間和費(fèi)用，而且有可能在一次裝夾中加工出更多外表。這對于大量生產(chǎn)來說，不僅便于采用高效專用機(jī)床和設(shè)備以提高生產(chǎn)效率，而且也使得所加工的各外表之間具有較高的相互位置精度。3.1.2加工階段的劃分與工序順序的安排〔一〕加工階段的劃分由于凸輪軸的加工精度較高，整個(gè)加工不可能在一個(gè)工序內(nèi)全不完成。為了利于逐步地到達(dá)加工要求，所以把整個(gè)工藝過程劃分為三個(gè)階段，以完成各個(gè)不同加工階段的目的和任務(wù)。發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸的加工的三個(gè)階段：粗加工階段包括車各支承軸頸、齒輪外圓軸頸和粗磨凸輪。該階段要求機(jī)床剛性好，切削用量選擇盡可能大，以便以提高生產(chǎn)率切除大局部加工余量。半精加工是精車各支承軸頸和精磨齒輪外圓軸頸。該階段主要為支承軸頸齒輪的加工做準(zhǔn)備。精加工包括精磨各支承軸頸、止推面和凸輪以及斜齒輪加工。該階段加工余量和切削量小，加工精度高。工藝編排：首先以φ32和φ48.5的毛坯面為定位基準(zhǔn)，然后以大端外圓的端面作軸向定位，具體每序的定位基準(zhǔn)和夾緊位置，見表3-1發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸生產(chǎn)工藝簡介。〔二〕工序順序的安排加工順序的安排與零件的質(zhì)量要求有關(guān)，工序安排是否合理，對于凸輪軸加工質(zhì)量、生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性都有很大影響。對于各支承軸頸是按粗車——精車——精磨加工的，對于是按凸輪粗磨——精磨加工的，對于斜齒輪是按粗車——精車——精磨——滾齒加工的。各外表的加工順序按從粗到精、且主要外表與次要外表的加工工序相互交叉進(jìn)行，從整體上說，符合“先粗后精”的加工原那么。3.1.3凸輪形面的加工在凸輪軸的加工中，最重要同時(shí)難度最大的是凸輪形面的加工。該形面的加工方法目前主要有車削和磨削兩種。凸輪形面的粗加工目前在國內(nèi)主要是凸輪軸車床車削加工，也有采用銑削加工和磨削加工的。如采用雙靠模凸輪軸磨床，機(jī)床有兩套靠模，當(dāng)砂輪直徑在一定范圍內(nèi)時(shí)，使用第一個(gè)靠模來工作。當(dāng)砂輪磨損到一定程度時(shí)，靠模自動(dòng)轉(zhuǎn)換，使用第二個(gè)靠模來工作[4]。該磨床通過對砂輪直徑的控制來提高凸輪外形的精度，不僅提高了凸輪形面的加工精度，發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸毛坯采用精鑄的方法制造，毛坯精度較高，切削量小，故采用磨削的加工工藝，簡化了凸輪形面的加工。凸輪形面的加工采用磨削的方法，在凸輪磨床上完成粗磨及精磨的加工。工件安裝在兩頂尖之間并以鍵槽做軸向定位，在支承軸頸處安裝輔助支承保證凸輪形面的加工精度。發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸形面的加工所采用的凸輪軸磨床是立方氮化硼磨床，該磨床能迅速地變換磨削的凸輪形狀，超過一般仿珩磨的生產(chǎn)率。機(jī)床具有較大的剛度，能承受大的工作負(fù)也使砂輪的利用更經(jīng)濟(jì)、合理。荷。由于立方氮化硼〔CBN〕砂輪的使用壽命高，因此，砂輪的直徑變化所造成的凸輪形狀誤差顯著減小，也大大提高了凸輪形面的磨削精度。3.2工藝分析表3.1發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸生產(chǎn)工藝簡介工序號(hào)工序內(nèi)容定位基準(zhǔn)夾緊位置備注10銑端面，打中心孔φ52.5外圓〔成活尺寸φ48.5〕φ36外圓〔成活尺寸φ32〕φ52.5端面φ52.5外圓φ36外圓專機(jī)20粗車主軸頸φ37.5外圓〔成活尺寸φ37.2〕兩端中心孔φ37.5外圓半自動(dòng)液壓仿形車床30車削主軸頸并切槽φ37.5外圓兩端中心孔φ37.5外圓半自動(dòng)液壓仿形車床40兩端螺孔鉆、擴(kuò)、攻絲、修中心孔φ48.9外圓〔成活尺寸φ48.5〕φ32.4外圓〔成活尺寸φ32〕φ52.5端面φ48.9外圓φ32.4外圓專機(jī)50大端外圓磨削兩端中心孔φ37.5外圓φ37.5外圓半自動(dòng)端面外圓磨床60前軸頸磨削兩端中心孔φ37.5外圓φ37.5外圓CNC磨床70中間軸頸、后軸頸及推力部端面磨削兩端中心孔φ32外圓φ32外圓CNC磨床80銑鍵槽φ48.5外圓φ32外圓φ30端面角向90°φ48.5外圓φ32外圓專機(jī)90粗磨凸輪〔靠磨〕兩端中心孔鍵卡盤φ22外圓凸輪磨床100精磨凸輪〔無靠磨〕φ30端面兩端中心孔鍵φ22外圓凸輪磨床120滾齒φ30端面兩端中心孔鍵φ22外圓130清洗φ30與1IN之間非加工面φ31與3EX之間非加工面無夾緊3.3工藝特點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸工藝特點(diǎn)：〔1〕毛坯硬度高〔冷激區(qū)HRC45非冷激區(qū)HB229~302〕〔2〕生產(chǎn)節(jié)拍1.75分鐘〔3〕輪軸數(shù)控車床用于支撐軸頸的粗加工〔4〕凸輪局部在鑄造時(shí)冷激，不需加工后淬火〔5〕凸輪采用粗、精磨加工，以磨代車，凸輪輪廓直接磨削〔6〕凸輪精加工采用全數(shù)控?zé)o靠磨磨削〔7〕加工中主要定位基準(zhǔn)中心孔采用打孔后修磨，保證加工質(zhì)量工藝先進(jìn)性分析：1)磨削密集型工藝－外圓、軸頸、端面及凸輪均采用磨削方法[5]凸輪的外圓、軸頸、端面及凸輪的粗精加工均采用磨削方法。凸輪傳統(tǒng)的粗加工方法是采用靠模車床及液壓仿形凸輪銑床，大量生產(chǎn)的凸輪軸毛坯均采用精鍛或精鑄成形，其毛坯精度高，加工余量小，采用以磨代車的新工藝，極大的簡化了凸輪形面的加工。同時(shí)，高速磨削及金剛石滾輪連續(xù)修整工藝，保證了其生產(chǎn)效率及產(chǎn)品的質(zhì)量。2)凸輪采用數(shù)控?zé)o靠模磨削長期以來，凸輪軸磨床采用靠模，滾輪擺動(dòng)仿形機(jī)構(gòu)，典型的設(shè)備如日平－蘭迪斯SCAM－R型凸輪磨床。靠模凸輪機(jī)構(gòu)擺開工作臺(tái)凸輪軸磨床，在磨削中存在著一系列的加工缺陷，而采用數(shù)控凸輪磨削的新工藝，取消了靠模，完全靠CNC控制獲得精密的凸輪輪廓，同時(shí)工件無級(jí)變速旋轉(zhuǎn)，并采用CBN砂輪加工凸輪軸，從根本上解決了傳統(tǒng)凸輪磨床的缺陷，不僅擺脫了靠模精度對凸輪精度的影響，而且砂輪的磨損不影響加工精度。同時(shí)，由于這種工藝具有較好的柔性，為以后的產(chǎn)品改良、更新以及多品種的凸輪軸共線生產(chǎn)提供了保證。3)凸輪軸支撐軸頸的磨削凸輪軸支撐軸頸的加工尺寸與精度如圖2所示。采用數(shù)控多砂輪磨削，可以高效率地磨削凸輪軸支撐軸頸，加工出的軸頸具有較高的圓柱度和較小的徑向跳動(dòng)。同時(shí)數(shù)控磨削可以運(yùn)用在線檢測技術(shù)，對零件的加工部位尺寸進(jìn)行監(jiān)控，并把對砂輪的自動(dòng)修整數(shù)據(jù)反應(yīng)給數(shù)控系統(tǒng)，來控制砂輪的補(bǔ)償，確保加工部位的尺寸。圖2凸輪軸的支撐軸頸4)采用立方氮化硼〔CBN〕砂輪磨削由于采用了無靠模數(shù)控凸輪磨床，所以整個(gè)凸輪輪廓〔包括基圓、緩沖段、作用段〕的磨削均由X軸即砂輪架和C軸即主軸的相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)完成，其動(dòng)作為同步動(dòng)作，所以凸輪磨削過程中砂輪于工件接觸外表不同且不均勻，緩沖段及作用段接觸面積大于基圓，由此造成加工余量不均勻，緩沖段和作用段加工余量大于基圓，故產(chǎn)生法向切削力的變化。另一特點(diǎn)為砂輪磨削過程中接觸點(diǎn)〔磨削點(diǎn)〕與工件及砂輪二者中心線不在一條直線上，而是在上下移動(dòng)，故易產(chǎn)生升程誤差，也可能在緩沖段及作用段外表產(chǎn)生橫紋。這一特點(diǎn)要求砂輪直徑較小。根據(jù)以上特點(diǎn)決定，選用陶瓷結(jié)合劑的立方氮化硼〔CBN〕砂輪磨削凸輪。砂輪轉(zhuǎn)速為5700轉(zhuǎn)/分，屬于高速磨削，生產(chǎn)率高，耐用度高。CBN砂輪有較好的熱導(dǎo)性，工件磨削的溫度低，可減少磨削時(shí)的燒傷、裂紋和熱損現(xiàn)象，與普通的砂輪相比，具有砂輪使用壽命長，更換砂輪和修整砂輪時(shí)間短，能提高工件的疲勞強(qiáng)度和耐磨強(qiáng)性等優(yōu)點(diǎn)。由于使用了CBN砂輪，砂輪直徑有單晶剛玉的φ600mm減少到現(xiàn)在的φ250mm，且使用壽命長，CBN砂輪的CBN層厚度為3mm，每100件修磨一次，每次修磨量為0.01mm，一片砂輪的修磨次數(shù)為300次，可計(jì)算得出一片砂輪的理論加工工件數(shù)為300×100＝30000件。且工件的粗糙度及凸輪升程均能很好的滿足工藝要求。5)毛坯材料為冷激合金鑄鐵凸輪軸是氣門機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)元件，它的凸輪不僅要有合理的形狀，而且要求外表耐磨，能在長期使用中根本保持設(shè)計(jì)給出的合理形狀。所以對凸輪軸的材料要求比擬高。尤其凸輪外表與搖臂之間是一對運(yùn)動(dòng)的摩擦外表，凸輪軸的材料必須保證其工作可靠性和耐久性。最后決定采用冷激合金鑄鐵，即在凸輪軸鑄模的凸輪尖端處放一塊加速鐵水冷卻的鐵塊，使凸輪尖端迅速冷卻，形成桃尖硬化層，其主要金屬基體為菜氏體，可以提高其硬度，并到達(dá)工藝要求：凸輪140°以內(nèi)HRC35以上，30°以內(nèi)HRC48以上，如圖3所示。這樣凸輪外形完全用磨削加工。圖3凸輪外形硬度分布圖鑄鐵凸輪存在摩擦系數(shù)僅為0.15～0.20，而強(qiáng)度很低的石墨，在摩擦過程中會(huì)脫落于接觸處成為潤滑劑，且石墨脫落后留下的孔穴又會(huì)成為絕好的儲(chǔ)油槽，使臨界油膜容易保持住。鑄鐵的導(dǎo)熱性大且不留加工余量，而凸輪工作外表只留1.5mm左右的磨削余量。因?yàn)橥馆嗇S轉(zhuǎn)速低，載荷輕，潤滑又良好，而鑄鐵本身也是一種良好的軸承材料，所以不用襯套，把凸輪軸直接裝入缸蓋凸輪軸孔中。采用冷激鑄鐵，工藝簡單且本錢低，激冷用外冷鐵可由我單位生產(chǎn)，反復(fù)使用近百次后可作為返回料入爐，所以生產(chǎn)工序簡單，并可以大幅度提高耐磨性。3.4工藝難點(diǎn)3.6.1主軸頸粗糙度的保證凸輪軸生產(chǎn)的難點(diǎn)是主軸頸的粗糙度達(dá)不到圖紙的要求，圖紙要求為Rz3.2，實(shí)際加工情況為Rz≤5.2，這就給驗(yàn)證帶來了很多麻煩。根據(jù)實(shí)際情況，首先通過改變機(jī)床的切削用量，把機(jī)床規(guī)定好的切削用量徹底改變，一組一組的數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，最終結(jié)果還是不好。最后在保證砂輪不變的情況下，改變金剛石修整器的修磨速度F，修整量μ，來提高工件的粗糙度。通過反復(fù)試驗(yàn)，得出幾組比擬好的數(shù)據(jù)。μ＝0.08F30Rz=2.66Z~3.79Zμ＝0.04F15Rz=2.50Z~3.50Zμ＝0.06F30Rz=2.60Z~3.66Zμ＝0.04F35Rz=2.00Z~3.20Z通過比擬，決定選用μ＝0.04，F(xiàn)30這組數(shù)據(jù)，磨5個(gè)工件修整一次，粗糙度＜3.2Z。3.6.2軸頸夾痕1)軸頸夾痕：凸輪軸線120序凸輪磨削時(shí)用鍵槽定位，φ22外圓夾緊。三爪長期使用造成φ22外圓上由三個(gè)光亮帶，粗糙度合格。該凸輪磨床在設(shè)備驗(yàn)收時(shí)即有光亮帶夾痕存在，據(jù)了解目前凸輪桃子磨削工藝大多采用腱槽角向定位三爪夾緊工件小端外圓，中心架支撐軸徑向外表來完成磨削過程，此方案勢必要產(chǎn)生夾痕。該工藝豐田汽發(fā)，一汽群眾均采用，新產(chǎn)品1SZ凸輪軸從外觀看也采用此加工工藝加工的。此工藝方案可繼續(xù)使用。2)徹底消除夾痕工藝的近一步探討：采用倒序加工的方法，先磨桃子，后磨小端外圓。a)使用這種方法，涉及變動(dòng)的局部：凸輪磨改三爪、中心架。鍵槽銑床改定位塊、量驗(yàn)具工藝尺寸鏈重新計(jì)算，改所有工藝文件。b)引發(fā)的質(zhì)量問題：由于凸輪磨床的中心架支撐軸頸是精車外表，對凸輪磨削精度和升程曲線會(huì)造成很大的影響。由于磨小端外圓與銑鍵槽定位基準(zhǔn)不統(tǒng)一，會(huì)對鍵槽對稱度造成很大的影響。c)拋光小端外圓，需要增加投入。該方案沒有必要。3)結(jié)論：輕微夾痕對發(fā)動(dòng)機(jī)性能無影響，沒必要增加投入。裝工件時(shí)鍵槽盡量放在夾具的驅(qū)動(dòng)鍵槽位置，以免驅(qū)動(dòng)鍵槽轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，劃傷加工外表。四、凸輪廓形理論計(jì)算及加工控制參數(shù)4.1凸輪軸凸輪的廓形要求氣門運(yùn)動(dòng)的加速度和減速度都是凸輪輪廓的函數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸凸輪輪廓如圖4所示，主要包括進(jìn)氣段C〔開啟弧〕、排氣段E〔關(guān)閉弧〕、緩沖段B、緩沖段C、基圓A、頂弧D。發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸的凸輪廓形是以凸輪與φ10滾珠對滾時(shí)二者中心距離，表示的，如圖5，圖紙給出表列函數(shù)＝(φ)，y＝(φ)表4—1為凸輪軸升程表。圖4凸輪輪廓圖4.1.1凸輪升程數(shù)據(jù)1)從動(dòng)件半徑〔mm〕：設(shè)定從動(dòng)件半徑，用來輪廓計(jì)算和測定。2)凸輪基圓直徑〔mm〕：設(shè)定凸輪基圓直徑，可以用此數(shù)據(jù)微調(diào)凸輪尺寸，因?yàn)闆]有凸輪的長徑尺寸。3)角度升程值〔mm/deg〕：以凸輪頂點(diǎn)轉(zhuǎn)180為0，只輸入有增量的兩個(gè)角度之間〔90～270〕的增量數(shù)據(jù)，每隔1進(jìn)行設(shè)定〔機(jī)內(nèi)密化系統(tǒng)〕，最后制成升程表[7]。表4-1凸輪軸凸輪升程表φφφ028.38728.3874122.58024.3028221.72221.865128.38428.3844222.49724.1498321.71521.855228.37528.3754322.42224.0008421.71021.846328.35928.2614422.35323.8558521.70621.837428.33728.3414522.29223.7148621.70321.827528.30728.3154622.23723.5788721.70121.818628.27128.2854722.18823.4478821.80821.808728.22628.2494822.14523.3228921.79921.799828.17328.2084922.10823.2029021.78921.789928.11228.1625022.07723.0879121.78021.7801028.04028.1115122.04922.9799221.77121.7711127.95828.0545222.02722.8769321.76121.7611227.86427.9935322.00722.7799421.75221.7521327.75727.9275421.99222.6899521.74221.7421427.63427.8565521.97922.6049621.73321.7331527.49227.7805621.96822.5259721.72521.7251627.32727.6995721.95822.4539821.71821.7181727.13327.6135821.94922.3869921.71321.7131826.90727.5225921.93922.32510021.70821.7081926.65727.4266021.93022.27010121.70421.7042026.39527.3266121.92022.22010221.70221.7022126.12927.2206221.91122.17510321.70021.7002225.86527.1096321.90122.1362325.60626.9936421.89122.1022425.35526.8726521.88222.0722525.11326.7466621.87222.0462624.88126.6166721.86322.0252724.65926.4806821.85322.0062824.44726.3406921.84321.9912924.24526.1967021.83421.9793024.05426.0487121.82421.9683123.87325.8967221.82521.9593223.70225.7417321.805821.9493323.54225.5837421.79521.9403423.39025.4237521.78621.9303523.24825.2627621.77621.9213623.11525.1007721.76621.9123722.99224.9387821.75721.9023822.87624.7767921.74721.8933922.77024.6168021.73821.8844022.67124.4588121.72921.874由于在升程段廓形圓形滾珠與廓形的切點(diǎn)D1,D2都不在滾珠與凸輪的連心線上，而磨床砂輪必須磨出D1,D2點(diǎn)來，它的半徑又遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于滾珠半徑，所以必須通過計(jì)算得出凸輪廓形〔D1,D2〕坐標(biāo)，再換算成砂輪中心的坐標(biāo)，作為磨床砂輪橫向進(jìn)給的依據(jù)。4.2包絡(luò)線理論設(shè)想凸輪不轉(zhuǎn)，滾柱繚繞凸輪旋轉(zhuǎn)，那么滾柱外形形成一個(gè)圓的曲線族，凸輪廓形實(shí)際是它的內(nèi)包絡(luò)線。以H表示滾柱與凸輪軸心距，那么H=f()，以為滾柱半徑，那么圓的一般方程為：因?yàn)镠也是的函數(shù)，此式可寫成隱函數(shù)形式f(x，y，)＝0，這里為參變量，改變值可得不同的方程式，如圖6。圖6凸輪廓形圖曲線族中的各點(diǎn)斜率，據(jù)微分學(xué)，可寫成：還可以進(jìn)一步寫作：〔4.1〕包絡(luò)線既與曲線族相切，其上各點(diǎn)應(yīng)與曲線族上各切點(diǎn)斜率相等，故也應(yīng)滿足公式(4.1)。曲線族方程f(x，y，)＝0的全微分為：即：〔4.2〕包絡(luò)線上各點(diǎn)既是曲線族里的點(diǎn)，其斜率又應(yīng)滿足公式(4.1)，將(4.1)、〔4.2)式聯(lián)立，可得：〔4.3〕即包絡(luò)線方程，解此式得出以表示得x、y值，即包絡(luò)線上的各點(diǎn)坐標(biāo)[8]。4.3凸輪廓形坐標(biāo)滾柱曲線族方程的隱函數(shù)形式將此式對微分后使解出x、y值為〔4.4〕〔4.5〕由于求曲線族的內(nèi)包絡(luò)線，故式(4.4)中正負(fù)號(hào)應(yīng)取負(fù)號(hào)。計(jì)算中微分以差分代替，即表列函數(shù)中假設(shè)對應(yīng)于，那么取表4.2為C語言編程計(jì)算凸輪軸、兩面的坐標(biāo)值為、表4-2凸輪軸、兩面的坐標(biāo)值、123.3820.3485210.70213.255123.3820.3485212.05513.457223.3670.6905310.42013.450223.3660.7005311.69413.616323.3411.0315410.13713.642323.3411.0515411.33913.772423.3051.367559.86813.821423.3061.3975510.99113.922523.2581.700569.60313.992523.2591.7515610.63214.076623.2032.027579.34114.156623.0232.1035710.28014.226723.1382.342589.08814.309723.1382.449589.93314.518823.0612.660598.83114.457823.0632.797599.58214.661922.9772.959608.57314.601922.9783.142609.23714.6611022.8853.246618.31214.7401022.8843.480618.89814.7991122.7833.525628.05014.8751122.7803.819628.55314.9371222.6763.785637.79015.0011222.6654.159638.20915.0751322.5654.024647.51715.1281322.5431.490647.87615.2051422.4554.411657.24815.2491422.4124.818657.54915.3311522.3504.234666.97715.3641522.2735.141667.21515.4571622.3114.477676.70415.4751622.1245.459676.89415.5761722.1514.651686.43515.5781721.9685.772686.57715.6891821.9874.848696.15315.6811821.8036.080696.25415.8021921.8474.973705.87515.7781921.6276.386705.94915.9062021.5775.208715.59615.8682021.4466.683715.64816.0032121.2585.469725.31515.9552121.2606.969725.35916.0922220.9095.745735.03916.0342221.0647.252735.07416.1742320.5416.027744.75016.1112320.8067.530744.78916.2512420.1626.313754.46616.1832420.6507.800754.50216.3232519.7796.599764.18616.2482520.4298.064764.20816.3912619.3966.883773.89416.3102620.2058.324773.92616.4522719.0157.162783.60716.3662719.9758.572783.63616.5082818.6387.438793.31916.4172819.7328.820793.33916.562表4-3凸輪的、值1.561148.38254.642141.9991.561148.38263.823142.2993.169148.36855.205141.9883.076148.36964.134142.2704.778148.34255.765141.9804.591148.34863.823142.2396.435148.30556.514141.9706.154148.31664.134142.2058.092148.25657.326141.9617.624148.27864.888142.1849.798148.19458.200141.9529.09565.159148.234142.16211.599148.11459.201141.94310.615148.18065.476142.13813.356148.02160.202141.93312.089148.11965.844142.12015.256147.90561.202141.92413.565148.05266.141142.10117.251147.76462.603141.91415.090147.97466.491142.08119.296147.59863.203141.90516.571147.89166.894142.06621.484147.39564.267141.89518.007147.80467.229142.05323.857147.14665.205141.88519.492147.70667.557142.03826.504146.82966.205141.87620.980147.60268.512142.02329.460146.42567.206141.86622.472147.49068.953142.01133.699145.74668.206141.85723.966147.37069.517142.00026.587145.19969.271141.84725.464147.24370.142141.98839.238144.68370.208141.83726.966147.10970.703141.98042.699143.93071.208141.82828.425146.97271.451141.97144.568143.50272.209141.81829.935146.82472.263141.96245.900143.19573.209141.80931.497146.66273.200141.95346.880142.97074.274141.79933.016146.49874.201141.94347.610142.80575.211141.78934.540146.32675.202141.93448.158142.68576.211141.78036.069146.14676.202141.92448.596142.59277.276141.77037.557145.96577.139141.91648.959142.51778.213141.76039.096145.77278.203141.90649.288142.45279.213141.75140.642145.57079.204141.89649.582142.39680.214141.74142.100145.37580.141141.88849.795142.35681.1511141.7343.563145.17381.205141.87849.795142.32682.0231