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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(duì)于降低加工成本、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(duì)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(kāi)始，對(duì)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(duì)凸輪廓形進(jìn)行計(jì)算和推倒，對(duì)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.3（一）汽車發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r.3（二）凸輪軸的性能要求.3（三）本文研究?jī)?nèi)容.5 二、凸輪軸生產(chǎn)線前期規(guī)劃.5 （一）產(chǎn)品規(guī)格.5（二）工藝設(shè)計(jì)原則及凸輪軸加工工藝分析.6（三）小結(jié).7 三、凸輪軸生產(chǎn)線工藝分析.7 （一）生產(chǎn)線布置.錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。（二）工藝設(shè)計(jì).7（三）工藝分析.9（四）工藝特點(diǎn).10（五）工藝難點(diǎn).13 四、凸輪廓形理論計(jì)算及加工控制參數(shù).14 （一）凸輪軸凸輪的廓形要求.14（二）包絡(luò)線理論.16（三）凸輪廓形坐標(biāo).17 五、總結(jié).參考文獻(xiàn).致謝. 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)的發(fā)展?fàn)顩r 現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的發(fā)展十分迅速，這種趨勢(shì)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)間則是指從夾具定位、夾緊到機(jī)加工完成，夾具松開(kāi)并推出工件這段時(shí)間。 除按節(jié)拍生產(chǎn)以外，我國(guó)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，而后者則實(shí)現(xiàn)了無(wú)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，成本太高，而我們國(guó)家人力資源豐富，人工價(jià)格偏低，所以大部分發(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)品的成本。 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(cè)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求概括為以下幾點(diǎn)：高的動(dòng)力性能。高的燃料經(jīng)濟(jì)性。高的工作可靠性和足夠的使用壽命。結(jié)構(gòu)緊湊，外形小，重量輕。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。（二）凸輪軸的性能要求 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(guò)程，保證正確地打開(kāi)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(kāi)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)的比較大，混合氣進(jìn)入和廢氣排出的必經(jīng)路程又比較短，因而頂置氣門式發(fā)動(dòng)機(jī)的容積效率比較高。另外，頂置氣門式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的S/V比值較?。⊿/V比值是燃燒室的表面積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(lái)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(méi)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)成顫動(dòng)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)的比較陡一些，可以使氣門能夠更快的打開(kāi)和關(guān)閉，保持更多的時(shí)間停留在全開(kāi)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)的發(fā)展趨勢(shì)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。所以凸輪軸的發(fā)展趨勢(shì)是一個(gè)凸輪軸上排列著越來(lái)越多的凸輪，如果是三缸以下的發(fā)動(dòng)機(jī)，不論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，則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(duì)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(duì)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 主要項(xiàng)目 尺寸（mm）表面粗糙度（m） 圓柱度（mm） 凸輪軸表面粗糙度（mm） 中間軸頸相對(duì)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(duì)稱中心平面對(duì)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?jī)?nèi)容 支撐軸承 一般性要求IT5IT6 RZ0.4 5級(jí)精度 RZ0.4 0.060.0230 隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)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(duì)國(guó)外汽車行業(yè)的沖擊，我們國(guó)產(chǎn)汽車業(yè)應(yīng)該加緊研究、建立符合中國(guó)國(guó)情的，我們自己的基礎(chǔ)制造業(yè)，提高質(zhì)量、降低成本，這樣才能保住我們國(guó)產(chǎn)汽車的市場(chǎng)。 凸輪軸在發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要地位決定了國(guó)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，盡可能的降低成本，提高競(jìng)爭(zhēng)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(cè)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(duì)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HB180240，凸輪HRC48.2.1.2凸輪軸簡(jiǎn)圖 圖1 2.1.3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 0.0150.02 前軸徑前端32-，后端32-，表面粗糙度Rz3.2-0.045-0.04 0.09中間軸徑47.5-，表面粗糙度Rz3.2-0.115 0.06后軸徑48.5-，表面粗糙度Rz3.2-0.085 （2）凸輪 0.056個(gè)凸輪基圓尺寸為16.7+，表面粗糙度Rz3.2。-0.05 各凸輪基圓相對(duì)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(duì)與前后軸頸的基準(zhǔn)軸線的平行度允差0.01mm 各凸輪對(duì)稱中心線相對(duì)于鍵槽的相對(duì)位置偏差（相位角）20（見(jiàn)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(duì)鍵槽位置1123220（3）斜齒輪 齒數(shù)：13，螺旋角：53（右）146公法線長(zhǎng)度：38.61138.806齒形誤差0.025；齒向誤差0.017；齒槽對(duì)鍵槽的角度202（4）鍵槽 寬4-0.05，深3.5+0.2，對(duì)稱度0.0252.2工藝設(shè)計(jì)原則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)拍的基礎(chǔ)上，吸收先進(jìn)技術(shù)提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。(2)對(duì)于關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)，優(yōu)先考慮國(guó)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，降低成本(4)充分考慮各生產(chǎn)緩解的安全性和操作的方便性。(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(zhǎng).wEnku1.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(guò)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(zhǎng)軸的角度來(lái)說(shuō)，突出的問(wèn)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，其表面殘余應(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(guò)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(guò)大會(huì)導(dǎo)致后序加工無(wú)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(guò)程時(shí)，必須針對(duì)工件易變形這一特點(diǎn)采取必要的措施。不僅要把各主要表面的粗精加工工序分開(kāi)，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(guò)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(wèn)題。2.2.2加工難度大 從形狀復(fù)雜的角度來(lái)說(shuō)，突出的問(wèn)題凸輪、齒輪這些復(fù)雜表面的加工。對(duì)于這些表面，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)備和一般表面常規(guī)加工方法，顯然是根本無(wú)法保證其加工質(zhì)量和精度的。 例如對(duì)于凸輪的加工，從滿足使用要求的角度來(lái)說(shuō)，既要求其相位角準(zhǔn)確又要求凸輪曲線升程滿足氣門開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)升降過(guò)程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但注意到凸輪曲線上的各點(diǎn)相對(duì)其回轉(zhuǎn)中心的半徑是變化的，當(dāng)選用一般的靠模機(jī)床加工時(shí)，由于加工半徑的變化，勢(shì)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)的不成熟或者成本問(wèn)題，都成為在國(guó)內(nèi)實(shí)施的困難?？紤]到成本及大批量生產(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)性與合理性原則。 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(duì)于一般的軸類零件來(lái)說(shuō)，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)，由于凸輪軸各表面的加工難以在一次裝夾中完成，因此，減小工件在多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)，這不僅避免了工件在多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”原則。 這種方法不僅使工件的裝夾方便、可靠。簡(jiǎn)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表面。這對(duì)于大量生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，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表面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。為了利于逐步地達(dá)到加工要求，所以把整個(gè)工藝過(guò)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： （1）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)率切除大部分加工余量。 （2）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。 （3）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32和48.5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(jiàn)表3-1發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)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(duì)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(duì)于各支承軸頸是按粗車精車精磨加工的，對(duì)于是按凸輪粗磨精磨加工的，對(duì)于斜齒輪是按粗車精車精磨滾齒加工的。各表面的加工順序按從粗到精、且主要表面與次要表面的加工工序相互交叉進(jìn)行，從整體上說(shuō)，符合“先粗后精”的加工原則。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(guó)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(lái)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(lái)工作4。該磨床通過(guò)對(duì)砂輪直徑的控制來(lái)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(jiǎn)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(guò)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(jiǎn)介 工序號(hào)工序內(nèi)容 銑端面，打中10心孔 夾緊位置 52.5外圓V2（成活尺寸 48.5）52.5外 圓 36外圓V2（成活尺寸32） 36外圓 52.5端面V1 定位基準(zhǔn) 備注專機(jī) 20 粗車主軸頸 37.5外圓V1（成活尺寸 37.2）兩端中心孔V4 37.5外 圓37.5外 圓 半自動(dòng)液壓仿形車床 30 車削主軸頸并切槽 37.5外圓V1兩端中心孔V4 半自動(dòng)液壓仿形車床 40 48.9外圓V2（成活尺寸 兩端螺孔鉆、48.5）48.9外擴(kuò)、攻絲、修圓 32.4外圓V（成活尺寸32）2 中心孔32.4外 圓 52.5端面V1 大端外圓磨削 前軸頸磨削 兩端中心孔V137.5外圓V1兩端中心孔V4 37.5外 圓37.5外 專機(jī) 50 半自動(dòng)端面外圓磨床 60 C磨床 37.5外圓V圓1 中間軸頸、后 70 軸頸及推力兩端中心孔V432外圓 C磨床 部端面磨削32外圓V148.5外圓V280 銑鍵槽 32外圓V248.5外專機(jī) 30端面V圓32外 1圓 角向90V1 兩端中心孔V4 90 粗磨凸輪（靠 22外圓 凸輪磨床 磨） 鍵V1卡盤V1 30端面V1 100 精磨凸輪（無(wú)22外圓 凸輪磨床 靠磨） 兩端中心孔V2 鍵V1 30端面V3 120 滾齒 兩端中心孔V22外圓 2 鍵V1 130 清洗 30與1IN之間非加工面V2無(wú)夾緊 31與3EX之間非加工面V2 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)HB229302）（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）凸輪部分在鑄造時(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(jiǎn)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(zhǎng)期以來(lái)，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SCAMR型凸輪磨床?？磕Ｍ馆啓C(jī)構(gòu)擺動(dòng)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C控制獲得精密的凸輪輪廓，同時(shí)工件無(wú)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(duì)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)品改進(jìn)、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(cè)技術(shù)，對(duì)零件的加工部位尺寸進(jìn)行監(jiān)控，并把對(duì)砂輪的自動(dòng)修整數(shù)據(jù)反饋給數(shù)控系統(tǒng)，來(lái)控制砂輪的補(bǔ)償，確保加工部位的尺寸。 4)采用立方氮化硼（CBN）砂輪磨削 由于采用了無(wú)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(duì)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(guò)程中砂輪于工件接觸表面不同且不均勻，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(guò)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表面產(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(zhǎng)，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600mm減少到現(xiàn)在的250mm，且使用壽命長(zhǎng)，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?10030000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，而且要求表面耐磨，能在長(zhǎng)期使用中基本保持設(shè)計(jì)給出的合理形狀。所以對(duì)凸輪軸的材料要求比較高。尤其凸輪表面與搖臂之間是一對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦表面，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，并達(dá)到工藝要求：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0.150.20，而強(qiáng)度很低的石墨，在摩擦過(guò)程中會(huì)脫落于接觸處成為潤(rùn)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，而凸輪工作表面只留1.5mm左右的磨削余量。 因?yàn)橥馆嗇S轉(zhuǎn)速低，載荷輕，潤(rùn)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(jiǎn)單且成本低，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(jiǎn)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Rz5.2，這就給驗(yàn)證帶來(lái)了很多麻煩。 根據(jù)實(shí)際情況，首先通過(guò)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，來(lái)提高工件的粗糙度。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，得出幾組比較好的數(shù)據(jù)。 0.08F30Rz=2.66Z3.79Z0.04F15Rz=2.50Z3.50Z0.06F30Rz=2.60Z3.66Z0.04F35Rz=2.00Z3.20Z 通過(guò)比較，決定選用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，22外圓夾緊。三爪長(zhǎng)期使用造成22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，中心架支撐軸徑向表面來(lái)完成磨削過(guò)程，此方案勢(shì)必要產(chǎn)生夾痕。該工藝豐田汽發(fā)，一汽大眾均采用，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)的部分：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(wèn)題：由于凸輪磨床的中心架支撐軸頸是精車表面，對(duì)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(duì)鍵槽對(duì)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(méi)有必要。 3)結(jié)論：輕微夾痕對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能無(wú)影響，沒(méi)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)，劃傷加工表面。 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(kāi)啟?。?、排氣段E（關(guān)閉?。⒕彌_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10滾珠對(duì)滾時(shí)二者中心距離y1，y2表示的，如圖5，圖紙給出表列函數(shù)y1f1()，yf2()表41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(lái)輪廓計(jì)算和測(cè)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](méi)有凸輪的長(zhǎng)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 028.38728.3874122.58024.3028221.72221.865128.38428.3844222.49724.1498321.71521.855228.37528.3754322.42224.0008421.71021.846328.35928.2614422.35323.8558521.70621.837428.33728.3414522.29223.7148621.70321.827528.30728.3154622.23723.5788721.70121.818628.27128.2854722.18823.4478821.80821.808728.22628.2494822.14523.3228921.79921.799828.17328.2084922.10823.2029021.78921.789928.11228.1625022.07723.0879121.78021.7801028.04028.1115122.04922.9799221.77121.7711127.95828.0545222.02722.8769321.76121.7611227.86427.9935322.00722.7799421.75221.7521327.75727.9275421.99222.6899521.74221.7421427.63427.8565521.97922.6049621.73321.7331527.49227.7805621.96822.5259721.72521.7251627.32727.6995721.95822.4539821.71821.7181727.13327.6135821.94922.3869921.71321.7131826.90727.5225921.93922.32510021.70821.7081926.65727.4266021.93022.27010121.70421.7042026.39527.3266121.92022.22010221.70221.7022126.12927.2206221.91122.17510321.70021.7002225.86527.1096321.90122.1362325.60626.9936421.89122.1022425.35526.8726521.88222.0722525.11326.7466621.87222.0462624.88126.6166721.86322.0252724.65926.4806821.85322.0062824.44726.3406921.84321.9912924.24526.1967021.83421.9793024.05426.0487121.82421.9683123.87325.8967221.82521.9593223.70225.7417321.805821.9493323.54225.5837421.79521.9403423.39025.4237521.78621.9303523.24825.2627621.77621.9213623.11525.1007721.76621.9123722.99224.9387821.75721.9023822.87624.7767921.74721.893 394022.77024.6168022.67124.4588121.73821.88421.72921.874 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(lái)，它的半徑又遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于滾珠半徑，所以必須通過(guò)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)，滾柱回繞凸輪旋轉(zhuǎn)，則滾柱外形形成一個(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，則H=f(?)，以fR為滾柱半徑，則圓的一般方程為： (X-Hcos?)+(Y-Hsin?)=Rr 2 2 2 因?yàn)镠也是?的函數(shù)，此式可寫(xiě)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。 dydx ?f?x?f?y? =- 還可以進(jìn)一步寫(xiě)作： ?f ?+?=0（4.1） ?xd?yd? dx ?f dy 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： df= ?f?x dx+ ?f?y dy+ ?f? d?=0 即： ?f?x dx+ ?f?y dy+ ?f? d?=0（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： ?f? =0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 (X-Hcos?)2 +(Y-Hsin?)2 -R2 r=0 將此式對(duì)?微分后使 ?f? =0 解出x、y值為 x=Hco?s Rf ?Hsi? n-dH?co?s? ?1+ d? Hco?s+ dH ?si?n?d? x?H?sin?-dH?cos?d?+H?H y= ?d? d?H?cos?+d Hd?sin? ? 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 dHd以差分代替，即表列函數(shù)中若Hn對(duì)應(yīng)于?n，則取 ? dH= Hn+1-Hn-1 d? ?n+1-? n-1 表4.2為C語(yǔ)言編程計(jì)算凸輪軸y1、y2兩面的坐標(biāo)值為XD、YD （4.3） （4.4） （4.5） 表4-2凸輪軸y1、y2兩面的坐標(biāo)值XD、YD Xn Yn Xn Yn Xn Yn Xn Yn 1234567891011121314151617181920212223242523.38223.36723.34123.30523.25823.20323.13823.06122.97722.88522.78322.67622.56522.45522.35022.31122.15121.98721.84721.57721.25820.90920.54120.16219.7790.3480.6901.0311.3671.7002.0272.3422.6602.9593.2463.5253.7854.0244.4114.2344.4774.6514.8484.9735.2085.4695.7456.0276.3136.5995253545556575859606162636465666768697071727374757610.70210.42010.1379.8689.6039.3419.0888.8318.5738.3128.0507.7907.5177.2486.9776.7046.4356.1535.8755.5965.3155.0394.7504.4664.18613.25513.45013.64213.82113.99214.15614.30914.45714.60114.74014.87515.00115.12815.24915.36415.47515.57815.68115.77815.86815.95516.03416.11116.18316.2481234567891011121314151617181920212223242523.38223.36623.34123.30623.25923.02323.13823.06322.97822.88422.78022.66522.54322.41222.27322.12421.96821.80321.62721.44621.26021.06420.80620.65020.4290.3480.7001.0511.3971.7512.1032.4492.7973.1423.4803.8194.1591.4904.8185.1415.4595.7726.0806.3866.6836.9697.2527.5307.8008.0645253545556575859606162636465666768697071727374757612.05511.69411.33910.99110.63210.2809.9339.5829.2378.8988.5538.2097.8767.5497.2156.8946.5776.2545.9495.6485.3595.0744.7894.5024.20813.45713.61613.77213.92214.07614.22614.51814.66114.66114.79914.93715.07515.20515.33115.45715.57615.68915.80215.90616.00316.09216.17416.25116.32316.391 26272819.39619.01518.6386.8837.1627.4387778793.8943.6073.319 16.3102620.20516.3662719.97516.4172819.732 8.3248.5728.8207778793.9263.6363.33916.45216.50816.562 表4-3凸輪的Hc、c值 Y1 Y2 c 1.5613.1694.7786.4358.0929.79811.59913.35615.25617.25119.29621.48423.85726.50429.46033.69926.58739.23842.69944.56845.90046.88047.61048.15848.59648.95949.28849.58249.79549.795 Hc c 54.64255.20555.76556.51457.32658.20059.20160.20261.20262.60363.20364.26765.20566.20567.20668.20669.27170.20871.20872.20973.20974.27475.21176.21177.27678.21379.21380.21481.15182.023Hc c 1.5613.0764.5916.1547.6249.09510.61512.08913.56515.09016.57118.00719.49220.98022.47223.96625.46426.96628.42529.93531.49733.01634.54036.06937.55739.09640.64242.10043.56345.033Hc 65.159c 63.82364.13463.82364.13464.88865.47665.84466.14166.49166.89467.22967.55768.51268.95369.51770.14270.70371.45172.26373.20074.20175.20276.20277.13978.20379.20480.14181.20582.206Hc 148.382148.368148.342148.305148.256148.194148.114148.021147.905147.764147.598147.395147.146146.829146.425145.746145.199144.683143.930143.502143.195142.970142.805142.685142.592142.517142.452142.396142.356142.326141.999141.988141.980141.970141.961141.952141.943141.933141.924141.914141.905141.895141.885141.876141.866141.857141.847141.837141.828141.818141.809141.799141.789141.780141.770141.760141.751141.7411141.73141.725148.382148.369148.348148.316148.278148.180148.119148.052147.974147.891147.804147.706147.602147.490147.370147.243147.109146.972146.824146.662146.498146.326146.146145.965145.772145.570145.375145.173144.966148.234142.299142.270142.239142.205142.184142.162142.138142.120142.101142.081142.066142.053142.038142.