毕业论文_-2135G凸轮轴工艺及工装设计

毕业论文_-2135G凸轮轴工艺及工装 本 科 生 毕 业 设 计(论文) (2012届) 2135G凸轮轴工艺及工装设计 学生姓名: 学 号: 专业班级: 指导教师: 职称: 各类机械毕业设计课程定做 Q号是1716003572/2419131780 有大量现成及配套的图纸(需购买) 摘 要 凸轮轴作为汽车发动机配气机构中的关键部件，其性能直接影响着发动机整体性能。因此凸轮轴的加工工艺有特殊要求，合理的加工工艺对于降低加工成本、减少生产环节以及合理布置凸轮轴生产线具有很大的现实意义。本文针对凸轮轴的加工特点，结合工厂的实际，从前期规划开始，对凸轮轴的加工工艺进行了深入的分析、研究。建立了用靠模方法。对凸轮廓形进行计算和推倒，对凸轮轮廓的加工进行了探讨并提出适用于发动机凸轮轴的加工方法。 关键词:发动机;凸轮轴;工艺分析 [Abstract] Camshaft Engine Valve as a key component in its performance directly affects the overall performance of the engine. Therefore, the processing technology camshaft has specific requirements for a reasonable process to reduce processing costs, reduce production processes and the rational arrangement of the camshaft production line of great practical significance. In this paper, the processing characteristics of the camshaft, with the actual plant, starting from the pre-planning, on the camshaft of the process conducted in-depth analysis and research. Established by the model with the NC-free method. Convex contour shape of calculated and pulled down the processing of the cam profile are discussed and made applicable to the processing method of the engine camshaft. Keywords: engine; camshaft; Process Analysis 3 第一章 引言 凸轮轴是活塞发动机里的一个部件。它的作用是控制气门的开启和闭合动作。虽然在四冲程发动机里凸轮轴的转速是曲轴的一半(在二冲程发动机中凸轮轴的转速与曲轴相同)，不过通常它的转速依然很高，而且需要承受很大的扭矩，因此设计中对凸轮轴在强度和支撑方面的要求很高，其材质一般是特种铸铁，偶尔也有采用锻件的。由于气门运动规律关系到一台发动机的动力和运转特性，因此凸轮轴设计在发动机的设计过程中占据着十分重要的地位。 凸轮轴是汽车发动机配气机构中重要的零件，凸轮轴的结构设计与加工质量好坏，直接影响发动机的性能。凸轮轴专司控制内燃机进气门和排气门开启和关闭的时间。就其功能而言，凸轮轴多少年来都没有什么改变。自从气门控制的内燃机问世以来，直至今天凸轮轴还是以曲轴转速之半运转。但是，凸轮轴设计的发展从来都没有停止过:在现代发动机中，凸轮轴的位置已经从下置式改成了上置式。上置式凸轮轴通过挺杆、圆柱齿轮、链条、摇臂或者辊子随动件驱动顶置式气门。此外，由于采用多气门的缘故，每一台内燃机凸轮轴的数量也增加了。还开发了各种各样可变气门定时的凸轮轴。同时，在材料和制造工艺上也发生了改变。近年来，又因环境保护的需要，正在开发低油耗、无污染的汽车发动机。为解决汽车尾气无污染排放问题，实现发动机的高转速、高输出功率，许多发动机采用多气门及配气相位、气门升程可变的结构，这就增加了气门弹簧的载荷。同时，为降低油耗及摩擦损耗，轮与摇臂间采用滚子结构，凸轮与滚子的接触面形成高压力区。另外，为达到汽车轻型化、低成本的目的，在不影响各个零件性能要求的前提下，应该使零件尽可能简化加工、降低重量，材料使更趋合理。为实现上述目标，对发动机部件，尤其是凸轮轴的设计必须重新考虑，要求其结构紧凑、质量小，能承受更高接触压力，更好的耐胶着、耐点蚀、耐磨损的能力。在配气机构中，对凸轮轴各个部位的性能要求是不同的。对于凸轮，要求耐磨损、耐胶着、耐 4 点蚀;对于轴颈要求滑动性能好;对于轴则要求刚性、弯曲、扭转性能好。传统的凸轮轴主要是铸造或锻造加工而成，各部位金属性能相同。这种由单一金属组成的凸轮轴很难达到上述要求。因此，质量小、加工成本低、材料利用合理的装配式凸轮轴(图1-1)受到业内人士的高度重视。目前在汽车工业发达国家，装配式凸轮轴制造新技术已应用于生产中。而且，这一改变进程还没有到达发展的尽头，因为采用电磁气门驱动系统的无凸轮轴内燃机离成批生产还需要时间。凸轮轴是一种不断地加速和减速的旋转质量。这种加速和减速伴随着能量的消耗。减轻凸轮轴的质量可以对内燃机节能发挥积极影响。所以今天凸轮轴上的创新往往与减轻重量分不开。 凸轮轴的主体是一根与汽缸组长度相同的圆柱形棒体。上面套有若干个凸轮，用于驱动气门。凸轮轴 凸轮轴的一端是轴承支撑点，另一端与驱动轮相连接。 凸轮的侧面呈鸡蛋形。其设计的目的在于保证汽缸充分的进气和排气，具体来说就是在尽可能短的时间内完成气门的开、闭动作。另外考虑到发动机的耐久性和运转的平顺性，气门也不能因开闭动作中的加减速过程产生过多过大的冲击，否则就会造成气门的严重磨损、噪声增加或是其它严重后果。因此，凸轮和发动机的功率、扭矩输出以及运转的平顺性有很直接的关系。 一般来说直列式发动机中，一个凸轮都对应一个气门，V型发动机或水平对置式发动机则是每两个气门共享一个凸轮。而转子发动机和无阀配气发动机由于其特殊的结构，并不需要凸轮。 位置 在以前很长的一段时间里，底置式凸轮轴在内燃机中最为常见。通常这样的发动机中，气门位于发动 5 凸轮轴机的顶部，即所谓的OHV(OverHeadValve，顶置气门)式发动机。此时通常凸轮轴位于曲轴箱的侧面，通过配气机构(如挺杆、推杆、摇臂等)对气门进行控制。因此底置式凸轮轴一般也叫侧置式凸轮轴。由于在这样的发动机中凸轮轴距离气门较远，而且每个气缸通常只有两个气门，因此转速通常较慢，平顺性不佳，输出功率也比较低。不过这种结构的引擎输出扭矩和低速性能比较出色，结构也比较简单，易于维修。 现在大多数量产车的发动机配备的是顶置式凸轮轴。顶置式凸轮轴结构使凸轮轴更加接近气门，减少 了底置式凸轮轴由于凸轮轴和气门之间较大的距离而造成的往返动能的浪费。顶置式凸轮轴的发动机由于气门开闭动作比较迅速，因而转速更高，运行的平稳度也比 较好。较早出现的顶置式凸轮轴结构的发动机是SOHC(SingleOverHeadCam，顶置单凸轮轴)式发动机。这种发动机在顶部只安装了一根凸轮轴，因此一般每个汽缸只有两到三个气门(进气一到两个，排气一个)，高速性能受到了限制。而技术更新一些的则是DOHC式(DoubleOverHeadCam，顶置双凸轮轴)发动机，这种发动机由于配备了两根凸轮轴，每个汽缸可以安装四到五个气门(进气二到三个，排气二个)，高速性能得到了显著的提升，不过与此同时低速性能会受到一定的影响，结构也会变得复杂，不易维修。 分类 按凸轮轴数目的多少，可分为单顶置凸轮轴(SOHC)和双顶置凸轮轴(DOHC)两种。单顶置凸轮轴就是 6 凸轮轴 只有一根凸轮轴，双顶置凸轮轴就是有两根，这是太直白的解释。 单顶置凸轮轴在气缸盖上用一根凸轮轴，直接驱动进、排气门，它具有结构简单，适用于高速发动机。 以往一般采用的侧置凸轮轴，即凸轮轴在气缸侧面，由正时齿轮直接驱动。为了把凸轮轴的转动变换为气门的往复运动，必须使用气门挺杆来传递动力。这样，往复 运动的零件较多，惯性质量大，不利于发动机高速运动。而且，细长的挺杆具有一定的弹性，容易引起振动，加速零件磨损，甚至使气门失去控制。 顶置双凸轮轴是在缸盖上装有两根凸轮轴，一根用于驱动进气门，另一根用于驱动排气门。采用双顶置凸轮轴对凸轮轴和气门弹簧的设计要求不高，特别适用于气门V形配置的半球形燃烧室，也便于和四气门配气机构配合使用。 传动 底置式凸轮轴通常采用星形齿轮组(即所谓的“控制轮”)，辊子链或齿条与曲轴相连。为了控制噪声，直径较大的凸轮轴端传动轮通常由塑料或者轻金属制造，而相对直径较小的曲轴端传动轮则大多采用钢材。 示意图 链条连接也比较多见。这种方式在底置式和顶置式凸轮轴上都可以看到。为了减小噪声(一般是链条在运动中产生的“振摆噪声”)，通常还会附带一个液压压紧装置和塑料材质的导轨。 腔外，附带有钢质的嵌入部件，通过一个可调的辊子帮助张紧。 还有一种结构由于动力在传输过程中损耗过大且过于复杂，现在已经比较少见。这种结构通过一个偏心连杆、星形齿轮组或带中间轴的锥形齿轮组来连接顶置式凸轮轴与曲轴。 凸轮轴与曲轴之间的常见传动方式包括齿轮传动、链条传动以及齿形胶带传动。下置凸轮轴和中置凸 轮轴与曲轴之间的传动大多采用圆柱形正时齿轮传动，一般从曲轴到凸轮轴只需要1对齿轮传动，如果传动齿轮直径过大，可以再增加1个中间惰轮。为了啮合平稳 并降 7 低工作噪声，正时齿轮大多采用斜齿轮。 链条传动常见于顶置凸轮轴与曲轴之间，但其工作可靠性和耐久性不如齿轮传动。近年来在高转速发 动机上广泛使用齿形胶带代替传动链条，但在一些大功率发动机上仍然使用链条传动。齿形胶带具有工作噪声小、工作可靠以及成本低等特点。对于双顶置凸轮轴， 一般是排气凸轮轴通过正时齿形胶带或链条由曲轴驱动，进气凸轮轴通过金属链条由排气凸轮轴驱动，或进气凸轮轴和排气凸轮轴均由曲轴通过齿形胶带或链条驱 动。 安装凸轮轴时，一定要注意凸轮轴带轮或链轮上的正时标记。有些发动机没有明显的正时标记，维修人员可以在拆卸凸轮轴之前标记出曲轴和凸轮轴的准确位置，有些发动机则是需要专用工具才能进行正时的调校。 故障 凸轮轴的常见故障包括异常磨损、异响以及断裂，异响和断裂发生之前往往先出现异常磨损的症状。 凸轮轴 (1)凸轮轴几乎位于发动机润滑系统的末端，因此润滑状况不容乐观。如果机油泵因为使用时间过长等原因出现供油压力不足，或润滑油道堵塞造成润滑油无法到达凸轮轴，或轴承盖紧固螺栓拧紧力矩过大造成润滑油无法进入凸轮轴间隙，均会造成凸轮轴的异常磨损。 (2)凸轮轴的异常磨损会导致凸轮轴与轴承座之间的间隙增大，凸轮轴运动时会发生轴向位移，从而产生异响。异常磨损还会导致驱动凸轮与液压挺杆之间的间隙增大，凸轮与液压挺杆结合时会发生撞击，从而产生异响。 (3)凸轮轴有时会出现断裂等严重故障，常见原因有液压挺杆碎裂或严重磨损、严重的润滑不良、凸轮轴质量差以及凸轮轴正时齿轮破裂等。 (4)有些情况下，凸轮轴的故障是人为原因引起的，特别是维修发动机时对凸轮轴没有进行正确的 拆装。例如拆卸凸轮轴轴承盖时用锤子强力敲击或用改锥撬压，或安装轴承盖时将位置装错导致轴承盖与轴承座不匹配，或轴承盖紧固螺栓拧紧力矩过大等。安装轴 承 8 盖时应注意轴承盖表面上的方向箭头和位置号等标记，并严格按照规定力矩使用扭力扳手拧紧轴承盖紧固螺栓。 改装 为了提升发动机的动力，有些改装店对发动机的凸轮轴进行了改装，其中换装高角度凸轮轴 凸轮轴CAM)是常见的一种改装方法。这种改装操作并不复杂，但由于一些改装人员对凸轮轴上凸轮的工作角度和工作原理了解不足，使得改装后的效果并不明显甚至导致发动机的性能恶化。 高角度凸轮轴是相对于普通凸轮轴的240?左右的凸轮工作角度而言的，高角度凸轮轴的凸轮工作 角度通常可以达到280?以上。大角度的凸轮轴可以延长气门的开启时间，增大气门的升程，使进气门和排气门实现早开和晚关，使更多空气进入气缸，以提高发 动机中、高转速的动力输出。对于民用车来说，改装时应该选择凸轮工作角度在278?以下的凸轮轴，因为工作角度大于278?的凸轮轴会大幅度增加气门重叠角，使发动机高转速时的动力提升很多，但发动机在低转速时会因为气缸密封性不好而导致怠速严重抖动甚至熄火，这样的车辆无法适应日常使用，而只能用于竞赛用途。 生产技术 凸轮轴是发动机的关键零件之一，凸轮桃尖的硬度和白口层深度是决定凸轮轴使用寿命和发动机效率的关键技术指标。在保证凸轮有足够高的硬度和相当深的白口层的前提下，还应考虑轴颈不出现较高的碳化物，使其具有较好的切削加工性能。 目前，国内外生产凸轮轴的主要方法有:采用钢质锻造毛坯经切削加工后，凸轮桃尖部分经高频淬火形成马氏体层的工艺。20世纪 70年代末，德国和法国相继开发了凸轮轴氩弧重熔 9 新工艺;另有以美国为主的可淬硬铸铁凸轮轴;以日本和法国为主的冷硬铸铁凸轮轴;以及凸轮部位用 Cr-Mn-Mo 合金涂料进行铸件表面合金化的生产工艺等。 第二章 凸轮轴工作特性 2.1凸轮轴的概念 凸轮轴是发动机配气机构的一部分，专门负责驱动气门按时开启和关闭，作用是保证发动机在工作中定时为汽缸吸入新鲜的可燃混合气，并及时将燃烧后的废气排出汽缸。凸轮轴直接通过摇臂驱动气门，很适用于高转速的轿车发动机，由于转速较高，为保证进排气和传动效率、简化传动机构、降低高转速的振动和噪音，多采用顶置式气门和顶置式凸轮轴，这样，发动机的结构也比较紧凑。但任何事物都有两面性，顶置式凸轮轴的缺点是由于部件的布置设计比较复杂，维修起来也比较麻烦。但衡量利弊，它还是比较适合于轿车。 2.2凸轮轴的作用 凸轮轴是发动机配气机构的一部分，专门负责驱动气门按时开启和关闭，作用是保证发动机在工作中定时为汽缸吸入新鲜的可燃混合气，并及时将燃烧后的废气排出汽缸。凸轮轴直接通过摇臂驱动气门，很适用于高转速的轿车发动机，由于转速较高，为保证进排气和传动效率、简化传动机构、降低高转速的振动和噪音，多采用顶置式气门和顶置式凸轮轴，这样，发动机的结构也比较紧凑。但任何事物都有两面性，顶置式凸轮轴的缺点是由于部件的布置设计比较复杂，维修起来也比较麻烦。但衡量利弊，它还是比较适合于轿车。 2.3凸轮轴的特点 ,(凸轮轴的结构 凸轮轴凸轮轴的主体是一根与汽缸组长度相同的圆柱形棒体。上面套有若干个凸轮，用于驱动气门。凸轮轴的一端是轴承支撑点，另一端与驱动轮相连接。 凸轮的侧面呈鸡蛋形。其设计的目的在于保证汽缸充分的进气和排气，具体来说就是在尽可能短的时间内完成气门的开、闭动作。另外考虑到发动机的耐久性和运转的平顺性，气门也不能因开闭动作中的加减速过程产生过多过大的冲击，否则就会造成气门的严重磨损、噪声增加或是其它严重后果。因此，凸轮和发动机的功率、扭矩输出以及运转的平顺性有很直接的关系。 一般来说直列式发动机中，一个凸轮都对应一个气门，V型发动机或水平对置式发动机则是每两个气门共享一个凸轮。而转子发动机和无阀配气发动机由于其特殊的结构，并不需要凸轮。 虽然在四冲程发动机里，凸轮轴的转速是曲轴转速的一半，但是它的转速依然很高，而且需要承受很大的转矩，因此对凸轮轴的强度和可靠支撑方面的要求很高。凸轮轴的主体是 10 ,根与气缸组长度相同的圆柱体，上面加工有若干个凸轮，凸轮轴的材质一般是特种铸铁，有时也采用锻刚和合金制造。大多数凸轮轴的内部被制造成中空结构，这不仅可以降低凸轮轴的质量，同时也提高了凸轮轴承受载荷的能力。凸轮轴上还加工有润滑油道，润滑油由此经过，为凸轮轴、摇臂轴以及摇臂等部件提供润滑。图2-1所示是三菱,,,, ,,,,发动机使用的凸轮轴。 图2-1 ,(凸轮轴的位置 凸轮轴在以前很长的一段时间里，底置式凸轮轴在内燃机中最为常见。通常这样的发动机中，气门位于发动机的顶部，即所谓的OHV(OverHeadValve，顶置气门)式发动机。此时通常凸轮轴位于曲轴箱的侧面，通过配气机构(如挺杆、推杆、摇臂等)对气门进行控制。因此底置式凸轮轴一般也叫侧置式凸轮轴。由于在这样的发动机中凸轮轴距离气门较远，而且每个气缸通常只有两个气门，因此转速通常较慢，平顺性不佳，输出功率也比较低。不过这种结构的引擎输出扭矩和低速性能比较出色，结构也比较简单，易于维修。 现在大多数量产车的发动机配备的是顶置式凸轮轴。顶置式凸轮轴结构使凸轮轴更加接近气门，减少了底置式凸轮轴由于凸轮轴和气门之间较大的距离而造成的往返动能的浪费。顶置式凸轮轴的发动机由于气门开闭动作比较迅速，因而转速更高，运行的平稳度也比较好。较早出现的顶置式凸轮轴结构的发动机是SOHC(SingleOverHeadCam，顶置单凸轮轴)式发动机。这种发动机在顶部只安装了一根凸轮轴，因此一般每个汽缸只有两到三个气门(进气一到两个，排气一个)，高速性能受到了限制。而技术更新一些的则是DOHC式(DoubleOverHeadCam，顶置双凸轮轴)发动机，这种发动机由于配备了两根凸轮轴，每个汽缸可以安装四到五个气门(进气二到三个，排气二个)，高速性能得到了显著的提升，不 11 过与此同时低速性能会受到一定的影响，结构也会变得复杂，不易维修。 发动机的凸轮轴安装位置有下置、中置、顶置三种形式。轿车发动机由于转速较快，每分钟转速可达5000转以上，为保证进排气效率，都采用进气门和排气门倒挂的形式，即顶置式气门装置，这种装置都适合用凸轮轴的三种安装形式。但是，如果采用下置式或者中置式的凸轮轴，由于气门与凸轮轴的距离较远，需要气门挺杆和挺柱等辅助零件，造成气门传动机件较多，结构复杂，发动机体积大，而且在高速运转下还容易产生噪声，而采用顶置式凸轮轴则可以改变这种现象。所以，现代轿车发动机一般都采用了顶置式凸轮轴，将凸轮轴配置在发动机的上方，缩短了凸轮轴与气门之间的距离，省略了气门的挺杆和挺柱，简化了凸轮轴到气门之间的传动机构，将发动机的结构变得更加紧凑。更重要的是，这种安装方式可以减少整个系统往复运动的质量，提高了传动效率。 ,(凸轮轴的分类 凸轮轴按凸轮轴数目的多少，可分为单顶置凸轮轴(SOHC)和双顶置凸轮轴(DOHC)两种。单顶置凸轮轴就是只有一根凸轮轴，双顶置凸轮轴就是有两根。 单顶置凸轮轴在气缸盖上用一根凸根轴，直接驱动进、排气门，它具有结构简单，适用于高速发动机。以往一般采用的侧置凸轮轴，即凸轮轴在气缸侧面，由正时齿轮直接驱动。为了把凸轮轴的转动变换为气门的往复运动，必须使用气门挺杆来传递动力。这样，往复运动的零件较多，惯性质量大，不利于发动机高速运动。而且，细长的挺杆具有一定的弹性，容易引起振动，加速零件磨损，甚至使气门失去控制。 顶置双凸轮轴是在缸盖上装有两根凸轮轴，一根用于驱动进气门，另一根用于驱动排气门。采用双顶置凸轮轴对凸轮轴和气门弹簧的设计要求不高，特别适用于气门V形配置的半球形燃烧室，也便于和四气门配气机构配合使用。 4(凸轮轴毛坯的种类 在制定工艺规程时，正确的选择毛坯具有重要意义。它不仅影响毛坯的制造工艺设备及制造费用，还影响零件的机加工工艺，设备和刀具的消耗及工时订额。正确的选用毛坯需要毛坯制造和机加工工艺人员紧密配合，兼顾冷热加工两个方面的要求。 由于发动机工作时，凸轮轴承受气门开启的周期性冲击载荷。所以，要求凸轮轴和支承轴颈表面应耐磨，凸轮轴本身应具有足够的韧性和刚性。为此，凸轮轴的主要工作表面需经热处理。 对于凸轮轴材料目前国内外主要选用铸铁(冷硬铸铁，可淬硬铸铁，球墨铸铁)和钢(中碳钢，渗碳钢)。 第三章 国内外凸轮轴的生产与研究概况 3.1国外凸轮轴的生产方法 a、钢质锻造毛坯经切削加工后，凸轮桃尖部分频淬火形成马氏体层。 b、 20 世纪 70 年代末德国和法国相继开发了凸轮轴氩弧重熔新工艺。在 12 电弧高温作用下，利用氩气层流的保护，在凸轮表面形成微小熔池，电弧转移后，靠工件自身吸热使熔池激冷而得到细小的莱氏体。 体组织。这种方法的优点是凸轮的晶粒细小、耐磨性比冷硬铸铁高、易于实现机械化、质量稳定、废品率低、成本低等。目前，我国已引进了此项技术。 c、 以美国为主的可淬硬铸铁凸轮轴。它是用合金铸铁凸轮轴毛坯通过高、中频淬火，在凸轮周边获得回火马氏体、少量碳化物、少量残余奥氏体及细条状石墨混合组织的耐磨层，其中细条状石墨有储油、自润滑作用。这种凸轮轴的抗擦伤性次于冷硬铸铁凸轮轴，但比钢质凸轮轴好;抗疲劳能力比冷硬铸铁凸轮轴好，但比钢质凸轮轴差。 d、 以日本和法国为主的冷硬铸铁凸轮轴。 e、组合式凸轮轴 3.2国内凸轮轴的生产方法 a、 钢质锻造毛坯或合金铸铁毛坯经切削加工后，凸轮桃尖部分经高频淬火形成马氏体层。如一汽CA1091 型汽油机凸轮轴用45号钢;上海汽车铸造总厂采用壳型加钢丸填充物生产凸轮轴毛坯，然后凸轮桃尖表面淬火，此法需要投入钢丸回收设备，工艺较复杂。 b、凸轮部位用 Cr-Mn-Mo合金涂料进行铸件表面合金化，获得一定厚度的白口层，从而保证工作部位的硬度，提高了耐磨性(如四川 铜江机械厂)。 c、冷硬铸铁凸轮轴。江西凸轮轴厂采用普通粘土砂造型，生产493QCr-Mo-Ni冷硬铸铁凸轮轴(0.8%,1.0%Cr、0.15%,0.25%Mo、0.15%,0.25%Ni) 国营102厂采用304树脂自硬砂造型生产(Cr-Mo-Cu) 冷硬铸铁凸轮轴(0.25%,0.40%Cr、0.25%,0.40%Mo、0.80 %,1.2%Cu)。东风本田公司采用壳型覆膜砂 造型生产QCr-Mo-Ni-Te冷硬铸铁凸轮轴(0.45%,0.65%Cr、0.60 %,0.80%Mo、 13 0.8 %,1.1%Ni、0.0004%,0.0007%Te)。仅凸轮桃尖180?采用冷铁激冷，每个凸轮只需一个冷铁，壳型砂树脂和壳型粘结剂均为日本进口，该公司也曾经生产过此种凸轮轴。 表 3-1几种主要铸铁凸轮轴工艺及性能特点对照表 冷激铸铁凸轮轴 可淬硬铸铁凸轮轴 氩弧重熔铸铁凸轮轴 在铸型内形成凸轮的型腔采用高熔点的钨棒作电用合金铸铁凸轮轴毛坯通周边需要耐磨的地方放置极，在氩气层流的保护过火焰(或中频)淬火，冷铁块，当高温铁水浇入下，依靠不熔化的钨棒与生产 使凸轮周边获得回火马氏型腔时，利用冷铁块对高凸轮之间产生的电弧熔工艺 体加少量碳化物加少量残温铁水的激冷作用，使凸化铸铁表面，在凝固使凸余奥氏体及细条状石墨混轮表面获得莱氏体组织轮表面由原来的珠光体合组成的耐磨层 (即白口铁)的耐磨层 转变为莱氏体耐磨层 凸轮回火马氏体加少量碳化物莱氏体(含有大量针状碳表面加少量残余奥氏体及细条莱氏体 化物) 组织 状石墨 抗磨特别好 较好 与冷激铸铁凸轮轴相当 能力 抗擦次于冷激铸铁凸轮轴，比伤性特别好 与冷激铸铁凸轮轴相当 钢质凸轮轴好 能 抗疲可与淬硬铸铁凸轮轴相劳能较差 较好，但比钢质凸轮轴差 当 力 市场 占有约64% 约20% 约16% 量 14 化学成分对金相组织的 生产工序少 、耗能少、影响不如激冷凸轮轴敏优点 铸造工艺较为简单 成本最低 感，抗点蚀能力比激冷凸 轮轴略高 重熔前需将凸轮轴预热、需通过火焰(或中频)淬缺点 抗疲劳能力较差 保温、缓冷，工艺复杂、火、能耗大，成本也较高 成本高 汽车凸轮轴、挺杆应用最中、小型高速发动机上，应用 以德国大众为主 广泛 以美国为主 第四章 凸轮轴毛坯生产的发展状况及发展趋势 传统工艺均采用整体式锻造或铸造法生产凸轮轴。近年来，随着发动机结构的改进和向小型化的发展，凸轮轴润滑方式由浸油润滑改为中心孔通油到轴径润滑，以减少发动机高度和润滑泄漏。随着发动机结构的改进空心凸轮轴问世了，随着市场对先进发动机需求量的增大，空心凸轮轴将随之成为今后凸轮轴的主流产品。最初，空心凸轮轴制造工艺大多是使用实心铸造凸轮轴毛坯钻削中心孔，由于铸件易出现组织偏析，性能不均匀现象，这使得细长中心孔的钻削加工变得十分困难，经常发生钻偏或钻头卡断现象。而采用铸造工艺直接铸出凸轮轴中心孔，又会形成偏心，有时甚至发生轴径小油孔不能与中心孔相通的情况。基于上述事实，发达国家中像美国Ford、GM、Chrysler，法国 Renault，德国 VW、意大利 Fiat 等汽车公司的发动机厂家开始研制、使用组合式空心凸轮轴。 组合式凸轮轴技术的发展经历三代:第一代热装法。装配间隙要求严格，钢管和凸轮内孔需要精确加工，效率低，10 分钟左右装配一根，相位角控制困难，扭矩可靠性差;第二代键连接式。凸轮内孔加工出键槽，钢珠通过钢管内挤压，形成键连接。该方法工艺复杂，设备昂贵。第三代内高压液压装配。该方法为最新装配技术，具有效率高，易于控制，连接可靠等优点，适合批量生产。目前，国外发动机厂家组合式空心凸轮轴的装配方法大多还停留在第一代和第二代装 15 配方法，第三代内高压液压装配方法刚刚开始应用。图4-1为英国Ball Burnishing Machine Tools 公司采用专用粘结剂制造的组合式凸轮轴，图 4-2 为美国 Torrington 公司采用键连接式制造的组合式凸轮轴，用于北美和欧洲的轿车、轻型卡车上。而我国仍主要采用钻孔制造空心凸轮轴，南方个别厂家利用热装法为国外制造空心凸轮轴。哈尔滨工业大学苑世剑教授等在国内首先进行了组合式空心凸轮轴内高压液压装配技术的研究，在哈工大的 400MPa 内高压成形机上，进行了激冷铸铁凸轮单元与钢管的装配试验和 468 凸轮轴装配试验。初步掌握了组合式空心凸轮轴制造工艺的模具设计、工艺过程及关键参数。(图 4-3)、(图4-4) 是哈工大在东安发动机公司铸锻厂的配合下研制的钢管尺寸为 F18mm×3mm 的 HITCAM-1A 组合式空心凸轮轴样件照片。将所研制的HITCAM-1A 组合式空心凸轮轴(进气、排气各 1 支)安装到东安发动机公司DA468 型发动机中，在全速全功率发动机试验台上进行了 300h 的运转，并定时检验装机运行可靠性、装机前后凸轮相位角变化、发动机输出功率等相关指标。经装机考核，发动机工作正常，未出现异常现象。HITCAM-1A 组合式凸轮轴的强度、刚度及抗扭性能均满足发动机的使用要求。装机试验完成后，经检测该凸轮轴的相位角尺寸未发生变化，达到了设计要求。 组合式空心凸轮轴制造原理:由一根厚壁钢管和若干带中心孔的凸轮和轴径，在模具内按一定间距和相位角布置(见图 4-5)，通过钢管内部施加高压液体使与凸轮和轴径对应的钢管部位产生塑性变形，凸轮和轴径产生弹性变形，卸载后凸轮和轴径回弹形成与钢管胀接。 16 图 4-1 英国公司研制的组合式凸轮轴 图4-2美国公司研制的组合式凸轮轴 Fig. 4-1 The assembled camshaft of Fig. 4-2 The assembled camshaft of British company American company 图 4-3 哈工大研制的钢管尺寸为 F18mm×3mm 的组合式空心凸轮轴 第五章 凸轮轴工艺设计 5.1凸轮轴工艺设计的概述 凸轮轴零件设计的任务是让我们综合运用我们所学的机械设计基础、数控编程、CAD技术、机械制图、机械制造原理、机械加工、机械制造工艺等知识，来完成凸轮轴零件的三维造型设计、凸轮轴零件工艺规程文件编制、相关数控程序编制和相关夹具的设计。通过这一环境的训练，使我不但更加深入了解毕业设计的基本理论、基本知识、而且学会使用这些理论、基本知识去了解解决工程中的问题。 这次毕业设计的目的就是要对机械零件的加工设计制造过程有所了解，也是为了巩固所学的关于机械设计加工的理论知识,培养分析和解决问题的能力,提高自己的设计能力和创新设计能力。 5.2凸轮轴设计的作用 在进行凸轮轴工艺设计的时候勇于创新，从这个过程中可以学到很多东西。凸轮轴是一个比较复杂的曲轴，也是一个精密零件，所以在各方面加工要求都比较高，在加工以前要对 17 凸轮轴零件材料加以精细选择，作为以后加工的基础，设计加工时对该件的尺寸规格要求都相当严格，每进行一步都要慎重考虑。 这次设计将运用计算机辅助制图软件，优化设计。在提高生产效率、提高产品质量的前提下，寻求最好的工艺，以至于减少生产过程中的成本。这些将在工艺和编程上得到体现。它的尺寸要求也比较严格，每一个凸轮的角度都要控制在公差范围内。但是还有一些复杂的问题得到改善，在工艺规程设计方面也欠佳，编程方面也不是很完好以及其他地方还存在很大的问题。这次设计将我所学知识融会贯通，让我提高了许多。 5.3凸轮轴设计的结果和意义 这样的一次毕业实践设计，让我们进一步培养了自己分析总结和表达能力，也巩固，深化了在设计过程中所获得的知识，也是对我们以往所学知识的一个考验。它是通过对相关课程的内容进行有机融合，使课程内容与岗位能力的培养紧密结合，使我们在毕业实践与设计过程中，能把所学的知识与岗位实践联系起来，达到岗位的要求。 通过毕业设计让我明白，自己在哪些方面还是薄弱的，欠缺的。借此机会再认真地补一下，在以后的学习和工作中注意这些。积少成多，让我明白学习的重要性，勇于置疑让我明白只有在不断的发问中才能增长自己的见识，学以致用更是掌握知识，技巧的基础，现学现用更能巩固所学知识。 5.4凸轮轴零件分析 5.4.1 加工要求 在选择各表面、孔及槽的加工方法时，要考虑加工表面的精度和表面粗糙度要求，根据各加工表面的技术要求，选择加工方法及分几次加工;要根据生产类型选择设备，在大批量生产中可采用高效率的设备。在单件小批量生产中则常用通用设备和一般的加工方法。如、柴油机连杆小头孔的加工，在小批量生产时，采用钻、扩、铰加工方法;而在大批量生产时采用拉削加工;要考虑被加工材料的性质，例如:淬火钢必须采用磨削或电加工;而有色金属由于磨削时容易堵塞砂轮，一般都采用精细车削，高速精铣等;要考虑工厂或车间的实际情况，同时也应考虑不断改进现有加工方法和设备，推广新技术，提高工艺水平;此外，还要考虑一些其它因素，如加工表面物理机械性能的特殊要求，工件形状和重量等。 5.4.2轴的要求 (1) 各种凸轮轴的技术要求 1)支承轴颈的尺寸精度及各支承轴颈间的同轴度。 18 2)止推面对于支承轴线的垂直度。 )凸轮轴基面的尺寸精度和相对于支承轴颈的轴线的同轴度。 3 4)凸轮的位置精度。 5)凸轮的形状精度。 (2) 以该凸轮轴为例具体说明(如图5-1) 图5-1 1)支承轴颈 两个支承轴颈的外圆尺寸φ60 mm表面粗糙度Ra?0.4 μm.。各部分的倒角都为C2。凸轮轴长457，属细长轴。 2)凸轮 凸轮基圆尺寸R6，表面粗糙度Ra?0.8 μm。凸轮上的φ20孔选择的加工方法是钻，但其表面粗糙度的要求为，所以选择加工的方法是钻——扩—Ra,1.6 —铰。 19 图5-2 3)轴上油壁孔 轴上油壁孔尺寸为φ8 mm。油孔底面的加工方案为底平面:粗铣——精铣()，粗糙度为，一般不淬硬的平面，精铣的粗糙度可Ram6.3~0.8,ITIT7~9 以较小。 4)轴上键槽 轴上的键槽起地位作用，基本尺寸为13mm*6mm，左边为φ6mm的半圆，表面粗糙度要求为3.2。 第六章 凸轮轴工艺分析 先就几个工艺问题探讨如下: 6、1凸轮轴毛坯 轿车用发动机凸轮轴毛坯多采用冷激铸铁，加工余量小，可以直接粗、精磨 20 成型。 柴油机多采用锻钢凸轮轴或球铁凸轮轴，为了减少金属的切除量，多采用滚锻制坯、平锻成型工艺，但当生产批量不大时，如年产量小于5万件，也可以用棒料切削成型，但材料的利用率较低。 6、2主轴颈(支承轴颈)的加工 主轴颈的加工多采用车拉或CNC车床车削，感应淬火后粗、精磨珠轴颈工艺。传统工艺主轴颈多采用多刀车削工艺，由于切削的变形量大，现已逐渐被车拉或CNC车床车削所代替，以适应于大批量生产。主轴颈的粗、精磨多采用多砂轮磨床一次粗、精磨成型，或采用单砂轮CNC磨床磨削，这要视生产批量的不同进行选择。 6、3开档加工 冷激铸铁凸轮轴不需要切开档，一次铸造成型，减少了加工量。 球铁凸轮轴、棒料凸轮轴、锻钢凸轮轴均需切开档。采用车拉机床车拉或CNC车床车开档工艺，切开档应充分注意减少凸轮轴的切削变形。如果采用HELLER CNC 凸轮铣床，可以不必采用CNC车拉开档，HELLER 凸轮铣床可以同时将开档和凸轮形状在一台设备上加工完成。 过去传统工艺多采用多刀车开档，一次成型，但由于切削变形大，已逐渐被车拉或CNC车削或CNC铣削所代替。 6、4凸轮加工 6、4、1凸轮粗加工 激冷铸铁凸轮轴的凸轮由于余量小，表面有冷硬层，一次粗、精磨成型。 21 球铁、棒料或锻钢凸轮轴的凸轮粗加工采用CNC无靠模凸轮轴铣床铣削凸轮外形。采用CNC控制，减少了靠模制造精度的影响，更换品种方便，只需改变程序即可加工不同的凸轮，生产率高，减少了靠模车削引起的凸轮轴的变形及制造误差的影响。 6、4、2凸轮精加工 凸轮精加工选用CNC无靠模凸轮轴磨床一次粗、精磨成型，由于取消了靠模，实现自动修整砂轮、自动补偿、恒线速磨削、自动轴向定位、砂轮自动动平衡等技术使凸轮磨削精度大大提高。 6、5凸轮超精加工(抛光)工艺的选择 传统工艺中，凸轮采用单靠模或双靠模凸轮轴磨床磨削后，为了降低凸轮表面粗糙度数值，采用砂带抛光机抛光凸轮。凸轮留的抛光余量为双边0.006,0.008mm，抛光后达到降低凸轮表面粗糙度数值的目的。 但是采用CNC凸轮轴磨床磨削凸轮后，原则上不采用抛光工艺，因 CNC凸轮轴磨床磨削后保证了较高的升程误差精度。若留有抛光余量，而抛光又不是CNC控制的，不能保证均匀去除余量，因此就有可能破坏经CNC凸轮轴磨床磨削后的升程误差精度。直接采用粗、精磨削，表面粗糙度可达Ra0.63,0.4μm，故可不再进行抛光。 6、6中间主轴颈对两端主轴颈跳动量的保证 凸轮轴中间主轴颈对两端主轴颈的跳动量小于或等于0.03mm，为了保证这一跳动量要求，主轴颈及开档的粗加工，采用车拉或CNC车削加工以减少粗加工的变形量。 中频感应淬火回火后，采用多触点校直，控制其跳动量小于或等于0.05mm，该多触点校直机自带直裂纹探伤检测仪，经校直有裂纹的凸轮轴从线上剔出。 22 主轴颈磨削采用多砂轮磨削，带自动跟踪中心架支承，减少凸轮轴的磨削变形。 ,3个机动中心架支承，以减少凸轮凸轮磨削，根据不同的凸轮轴，采用2 的磨削变形，从而达到中间主轴颈对两端主轴颈跳动量要求。 6、7凸轮轴的检测 凸轮轴的检测分线外检测(抽检)，在线检测(100%)，计量检测(每班1,2根)。 a、凸轮轴线外检测(中检) 20J 带数显的电感式测量仪，测量全部主轴颈的尺寸精度，及中间主轴颈 对两端主轴颈的跳动 30J 带数显的电感式测量仪，测量全部开档尺寸及轴向尺寸 80J 无损伤硬度检测 90J 带数显得电感式测量仪，测量中间主轴颈对两端主轴颈的跳动 120J 带数显的电感式测量仪，测量各主轴颈尺寸、圆度、圆柱度及中间 主轴颈对两端主轴颈的跳动 b、凸轮轴在线检测 采用MARPOSS或德国HOMMELWERKE在线综合测量机，检测主轴颈尺寸精度、 圆度、圆柱度、中间主轴颈对两端主轴颈跳动量、检测凸轮基圆尺寸及公 差、凸轮升程误差及相邻每度升程误差。 c、凸轮轴计量检测 在计量室进行检测，室温20?1?C。采用美国ADEOLE 900型检测机或德国HOMMELWERKE凸轮轴综合检测机，对凸轮轴进行综合检测。检测主轴颈圆度、圆柱度、尺寸精度、各开档尺寸及轴向尺寸精度、凸轮基圆尺寸及公差、凸轮升程误差及相邻每度升程误差、凸轮倾角、凸轮宽度等等。每班抽检1,2根，通过上述检测，使凸轮轴加工始终处在有序控制之下，确保凸轮轴的加工质量。 23 第七章 传动凸轮轴加工与性能比较 7、1毛坯比较 凸轮轴毛坯材料一般都采用锻钢或棒料，选用优质中碳钢或低碳合金钢，经热处理后具有较高的强度和良好的耐磨性及抗点蚀剂剥落等特点，但毛坯加工余量较大，凸轮间的开档必须粗加工，凸轮轴经冷热加工后的变形大，又需增设校直工序。近年来凸轮轴采用冷激铸铁，同时又提高了铸造技术，减少了凸轮加工余量和省去开档粗加工和凸轮热处理，凸轮可直接粗磨，精磨至成品，简化了加工，提高了精度。 7、2 冷激铸铁凸轮轴工艺分析 以一实际凸轮轴为例介绍凸轮轴重要加工位置支撑轴颈和凸轮的工艺:(见图7-1) 1-支撑轴颈 2-凸轮 3-驱动分电器的斜齿轮 4-驱动汽油泵的偏心轮 图 7—1 凸轮轴形状示意图 7、2、1凸轮轴轴颈的加工尺寸链确定 a、轴颈加工工序分析 粗车—精车——粗磨—精磨 每道工序都可以以轴心为基准定位尺寸，确定加工余量。 b、分析轴颈尺寸链(见图7-2) 24 c为加工余量 a为各工序的加工前尺寸 b 为加工后尺寸 图7—2支撑轴颈尺寸链 C、轴颈尺寸链的计算 首先根据加工方法查出加工余量的大致值，运用下列公式计算出轴颈每道加工工序前的基本尺寸，计算极限偏差和公差，最后计算平均尺寸。初步得出毛坯尺寸。如果得出值不符合要求和实际生产可以通过计算算出每道加工工序的加工余量，从而对工序尺寸公差进行修改。 加工余量分析计算式 1)采用浮动镗刀镗孔或浮动铰刀铰孔或拉刀拉孔，由于这些加工方法不能纠正位置误差 Z= T+ 2( R + H) (7—1) min a ya 2)无心磨床磨削外圆时无装夹误差，故算式可简化为 Z= T+ 2 (R + H) + 2, a, (7—2) ,min a ya 3)精密加工方法如研磨、超精加工等，加工时仅去掉上工序留下的加工痕迹，因此计算式可简化为 Z= T+ R + H(7—3)min a ya 4)对于抛光，仅用于降低表面粗糙度，因此 25 Z= R(7—4) miny 参照基本尺寸计算公式如下计算各工序的基本尺寸 n,1m AA,,j A =- (7—5) 0kj,1 m，1参照偏差及公差计算公式计算偏差和公差 nn,1 EIES,kj,ES- (7-6) 0=k,m，1j,1 nn,1 EIESj,,EI = - (7—7) k0j,1k,m，1 n,1 Ti, = (7—8) T ol i,1 计算项目 工 工序 余 最 平 平 工 序 尺寸 量 小 均 均 序 名 公差 公 余 余 尺 号 称 差 量 量 寸 初拟 修正后 Zmin ZiM LiM ??Ti ??Tzi 1 50.06 毛坯 ?0.6 2 2.59 3.06 50.086 粗车 ?0.3 ?0.9 3 1.05 1.05 47.08 精车 ?0.07 ?0.37 26 4 0.459 0.592 46.25 粗磨 ?0.25 ?0.024 5 0.055 0.061 46.003 精磨 ?0.012 ?0.01 ?0.012 7、2、2凸轮轴凸轮的加工尺寸链确定 a、凸轮加工工序分析 粗车—精车——粗磨—精磨 由于毛坯的形状为一较规则的凸轮，所以每道工序都可以以基圆圆心为基准定位尺寸，确定加工余量 b、分析凸轮尺寸链(见图7-3) 图7-3凸轮的尺寸链示意图 a为各工序的加工前尺寸 b 为加工后尺寸 z为加工余量 C、凸轮尺寸链的计算 同样运用上述公式计算凸轮的尺寸链和加工余量 运用同样的方法可以逐步的确定各个尺寸的公差，偏差和加工的技术要求， 27 在此就省约。 第8张 凸轮靠模工装设计 通过对凸轮加工过程的数学模 拟, 利 用原始产 品 凸轮外形来直接设 计凸轮 仿形 车床的 靠模。 无论所原始凸轮参数是以方程式形式还是列表曲 线 提供 的计算机辅助设计( CAD) 计 算出 靠模 实 际形 线上 形式, 都能利 用 各点 的坐 标 尺寸并转换 成线切割加 工机 床或其 他加 工机 床所需 的加 工 参数, 并直接加工出符合精度要求的靠模。 主要有 2 种方法: 一种为数控铣床加 工, 多 为进口设备 , 价 格昂贵, 它的优点是产品变型只需相应 更改零件的 加工参数 就可以实现, 国内仅少数厂家使用; 第二种方 法, 大 部分厂家 采工件凸轮基圆中心 O 与 靠模基圆中心 O3 在同一水平线上, 凸轮轴和靠模轴 同步转 动, 凸轮 加工 外廓 线通过 可伸 缩 刀杆和靠轮 O 2 由靠模 的外廓线 来控 制。随着 汽车工 业的 飞速发展和市场竞争的日益激烈, 发动 机产品的更 新换代速 度 也在加快, 品种不断增加。不同的产品其 凸轮形线也 不相同, 配套的仿形加工车床的靠模也要更换, 另外旧靠 模使用过 一 段时间后也会因磨损而 28 更新。如 果委托 机床 厂制造 , 生产 周 期长, 费用 高。而该方 法具有 生产周 期短, 简单 可靠的 优点。 且由于程序中对参数输入采用文件输入的 形式, 输入不同 组 的原始数据, 即会产 生相应 的靠 模数据, 因而 适用于 多种 不 同的产品。 1 概述 凸轮靠模是在凸轮轴磨床上磨削凸轮轴时必须具备的工艺装备。凸 轮靠模的设计、制造与检测是发动机生产准备阶段技术准备工作的一个重要环节，也是凸轮轴大量生产中，工艺装备的储备、维修的技术保证。因此，对凸轮靠模必 须做到设计简便，制造容易，检测数据准确。本文提出的“补偿反靠”制造凸轮靠模方法，做到了靠模设计简便、制造容易，检测数据准确，制造周期短，靠模质量 高，已在生产中取得了良好的技术、经济效果。 29 图1 1.弹簧 2.缓冲器 3.摇架 4.靠模 5.导轮 6.工件凸轮 7.砂轮 2 凸轮轴磨床的“磨削”与“反靠”过程 凸轮轴磨床主要是用于加工或修磨汽车、拖拉机、摩托车等发动机的凸轮轴。目前国内外生产的凸轮轴磨床，除少数采用程序控制加工外，大部分仍然采用仿形原理来磨削凸轮的轮廓曲线。 凸轮轴磨床以切入式靠模法进行“磨削”与“反靠”。如图1所示，它的布局与外圆磨床相似，只是工作台(摇架)，既能往复摆动，又可随下工作台纵向移动。 凸轮轴装在摇架上的头尾顶针之间，凸轮靠模串装在头架主轴上与凸轮轴同轴等速转动，并借助于弹簧的拉力使靠模与导轮始终接触，当头架主轴转动时，摇架随着靠模轮廓曲线轨迹往复摆动，从而使砂轮磨出所需要的工件凸轮轮廓曲线。 “反靠”，即将图1a凸轮轴磨床上的砂轮换成直径等于平均砂轮直径的导轮，将导轮换成与导轮直径相等的砂轮。将头尾座顶针间的凸轮轴换装上标准凸 30 轮(原始靠模)，并借助于弹簧拉力使导轮靠紧旋转主轴上的标准凸轮，驱动砂轮即可以进行磨削凸轮靠模。 3 导轮包络线——凸轮靠模轮廓曲线的形成 可把机 为了便于说明凸轮靠模轮廓曲线的形成过程，根据相对运动关系， 床主轴的转动看成是机床系统围绕主轴作反向转动。因此，可以把磨削过程看成是工件凸轮和机床主轴不动，而是整个机床绕工件凸轮作反向转动。此时，砂 轮中心沿着一定的轨迹运动，以便磨出工件凸轮轮廓曲线。当砂轮直径为定值时，机床系统三角形(?AOK)也不变(图1b)，即由砂轮中心A，导轮中心K和 摇架中心O所构成的机床系统三角形围绕着工件凸轮中心O的运动轨迹运动。摇架中心1 O的轨迹是以O为圆心，摇架半径R为半径的圆;而砂轮中心A的轨迹和导轮中1E 心K的轨迹，则取决于工件凸轮轮廓曲线的参数和机床参数。 图2表示了机床系统三角形(?AOK)的运动轨迹。从图可以看出，砂轮中心A的运动轨迹可保证磨出合格工件的凸轮轮廓曲线。因此，工件凸轮轮廓曲线是砂轮按其运动轨迹所作的一系列圆簇的包络线。 图2 凸轮靠模轮廓曲线的形成 当砂轮中心的运动轨迹确定之后，由于导轮中心K至砂轮中心A之间的距离B和砂轮中心A至摇架中心O的距离AO均为定值，所以可以确定出摇架中心O及机床系统?AOK，这样，导轮中心K的运动轨迹即可作出。如果以导轮中心的运动轨迹线为圆心作半径等于导轮半径R的圆簇，则该圆簇的包络线就是凸轮靠p 模的轮廓曲线。 31 显然，上述凸轮靠模轮廓曲线的形成过程，可以通过在凸轮轴磨床上“反靠”，直接磨出凸轮靠模的轮廓曲线。 4 工件凸轮的仿形放大——得到靠模坯形 综上所述，设计凸轮靠模轮廓曲线时，首先根据工件凸轮的升程要求和机床参数得到砂轮中心相对运动轨迹(向径P和向角α)，其次是根据已知的砂轮中AA 心的相对运动轨迹和机床参数求得导轮中心K的运动轨迹(向径P和相角α)，KK按导轮中心K的运动规律作导轮圆簇，即可得到由这些圆簇包络出的凸轮靠模轮廓曲线。 但是，按照以上方法来计算凸轮靠模的升程，而获得精确的凸轮靠模轮廓曲线，计算过于烦琐。当采用“反靠”制造靠模时，是通过以靠模磨出的工件凸轮是否 合格来评定靠模的质量的，所以不需要费很大精力去精确计算反靠用靠模坯形的升程值，而只需给出靠模坯形的粗略轮廓外形。所以，可按如下方法近似求出:如图 3所示，以工件凸轮基圆中心O为圆心，以选定的凸轮靠模基圆半径R为半径作靠模基圆，然后以工件凸轮轮廓各段曲线的几何中心O为圆心，Ki以该段曲线的曲率半径加上靠模基圆半径再减去工件凸轮基圆半径为半径，即 R=r+R-r iiK0 凸轮靠模坯形轮廓曲线 图3 1.靠模坯形2.工件凸轮 作出靠模轮廓各段曲线，再对坯形整个轮廓外形加上3,5mm的加工余量。 5 一次反靠不能得到合格的凸轮靠模 32 上述“反靠”的过程，如果单从几何关系来分析，只要保证反靠时标准凸轮的精度，就可以反靠出合格的凸轮靠模。但是，实践证明，如果只注意机床的系统刚性和几何精度，而忽略了反靠过程中机床系统的各种动态因素的影响，这种纯几何的分析将是不全面的。 实际上，在反靠过程中，除了凸轮轴磨床的系统刚性及几何诸因素的影响外，由于摇架摆动的角速度及加速度的变化，弹簧张力的变化，磨削冲击，机床缓冲和 阻尼装置的效果等动态因素的影响，用反靠出的靠模磨出的工件凸轮并不能复现标准凸轮的精度。一般来说，如果只提高机床的几何精度，不排除机床诸动态因素的 影响，尽管反靠时标准凸轮的精度很高，一次反靠也不可能制造出合格的凸轮靠模。 6 两种校正凸轮靠模的方法 精修靠模，通常采用两种方法:一种是直接在靠模上找出与工件凸轮的对应点，逐点手工修正靠模;另一种是根据磨出的工件凸轮升程误差的规律性，通过修正标准凸轮，进行再次反靠，即“补偿反靠”的方法。 点手工修正凸轮靠模时，关键是要准确地找到靠模升程曲线上与工件凸轮 逐 升程曲线上的对应点。可是由于凸轮轴磨床采用了摇架结构，使得靠模的升程与工件 凸轮的升程不是呈线性关系，因此即使有丰富的经验，也不易做到准确无误。特别是当工件凸轮升程在某点出现负值超差时，为修复超差点要修正靠模的整个轮廓， 这对于淬硬的靠模来说，工作量是相当大的，往往得不偿失。 用补偿修正标准凸轮的修正靠模，关键是掌握工件凸轮升程误差出现的规律性，准确确定标准凸轮的补偿量。根据补偿量重新制造标准凸轮(修正标准凸轮)，再次反靠。如果补偿量得当，通过再次反靠即补偿反靠后，就可以磨出合格的工件凸轮。 7 工件凸轮的规律性误差 在凸轮靠模制造过程中，工件凸轮的升程总是以一定的规律性误差表现出来的。 7.1 “桃尖”下陷 尽管“反靠”时标准凸轮的最大升程(hmax)是理论正确值，但是磨出的工B 件凸轮最大升程(hmax)总比标准凸轮要小(图4)。这一现象称为“桃尖”下陷，G 下陷量一般为0.03,0.1mm。 “桃尖”下陷的主要原因是机床液压缓冲器的调节压力和弹簧的最小拉力配 33 合不当所致。当液压缓冲器的压力为0.4MPa时，直接测量反靠出的靠模，发现 其最大升程比标准凸轮的最大升程小0.1mm;当把液压缓冲器的压力减小到0.15MPa时，则发现:开始进刀时，仅在靠模的基圆段出现火花，而顶圆段不 与砂轮接触，再进刀，直至顶圆段出现火花，表明整个靠模轮廓表面都与砂轮接触，再次测量靠模，其最大升程比标准凸轮最大升程小0.02mm。 图4 工件凸轮规律性误差 上述现象可以从图5得到解释:在磨削“桃尖”时(图5a)，由 于升程逐渐增大，迫使摇架向外摆动，弹簧被拉长，拉力增大，液压缓冲器的活塞杆并未受到摇架的压力，只是在本身的液压作用下保持与摇架接触。在被拉长弹簧 越来越大的拉力作用下，标准凸轮与导轮，靠模与反靠砂轮接触良好，因而磨去了应当磨去的金属层。磨完“桃尖”后，由于升程逐渐减小，摇架在弹簧拉力作用下 向内摆动(图5b)，受到液压缓冲器活塞的阻力，弹簧的拉力也越来越小。如果液压缓冲器调节压力大于弹簧的拉力，磨基圆及其附近处时，有可能造成标准凸轮 与导轮接触不上，没有磨去应当磨去的金属层，而形成靠模“桃尖”下陷。同理，磨削工件凸轮的过程中，上述现象又重复出现。两次“桃尖”下陷的叠加致使工件 凸轮“桃尖”显著下陷。 图5 磨削凸轮“桃尖”、基圆轮廓 34 7.2 左廓瘦右廓胖 经多次测量发现，磨出的工件凸轮左侧的升程值总是偏小，而右侧的升程值总是偏大，即出现所谓“左廓瘦右廓胖”的现象(图4)。 这里所说的左廓，是指磨削过程摇架向外摆动时所磨削的那一侧轮廓(图6a)，而右廓是指摇架向内摆动时所磨削的另一侧轮廓(图6b)。 图6 磨削凸轮左右侧轮廓 当磨削左廓时，靠模的升程逐渐增大，迫使摇架向外摆动，弹簧拉 力越来越大，缓冲器的阻尼不起作用，砂轮与工件凸轮接触点处的压力角也越来越大(图7)，形成“上坡”，在压力角逐渐增大，弹簧张力也逐渐增大的情况下， 有可能导致砂轮对工件凸轮的“啃削”，使左廓多磨去了一层金属，左侧升程值减小，形成“左廓瘦”。 当磨削右廓时，靠模升 程逐渐减小，摇架内摆并受到缓冲器活塞杆阻尼力的抵抗，由于弹簧拉力和磨削点的压力角越来越小(图7)，形成“下坡”，导致砂轮与工件凸轮接触不良，没有磨去应磨去的金属层，因而右廓升程值增大，形成“右廓胖”。 图7 弹簧张力和磨削压力角分析 7.3 机床刚性的影响 35 机床刚性在“反靠”和“磨削”过程中，将会对靠模和工件凸轮的 基圆直径尺寸产生影响。当以同一靠模磨削工件凸轮时，发现凸轮轴上各凸轮基圆直径的尺寸变化较大:处于头部的排气凸轮的基圆直径接近理论尺寸;处于中间部 位的进气凸轮的基圆直径最大，比理论尺寸大0.20mm。在靠模上，三个靠模的基圆直径也存在同样的误差，但数值比工件凸轮要小。 为什么凸轮轴上进排气凸轮是由同一靠模磨出的，而它们的基圆直径会存在这么大的误差呢?实践证明，磨削时由于进刀反作用力的作用，机床尾座产生变形， 使尾座向外移动0.04,0.06mm，因而形成尾座偏离受力前的正确位置，越是靠近尾座的凸轮，尾座变形对它的影响就越大。 ，则在进刀抗力的作用下，推动尾座外移，尾 如果事先将尾座内移0.06mm 座处于受力前的正确位置，这样磨出的凸轮轴上各凸轮的基圆直径的尺寸差不大于0.01mm。 这里应指出，机床尾座的刚性，是由机床尾座的结构所决定的。磨削过程中尾座变形量的大小与磨削进刀量有直接关系。因此，这一误差的大小，只能根据机床结构和磨削进刀量的大小，通过试验确定。 夹具装配图 36 37 结束语 根据2135G凸轮轴工艺及工装设计设计要求，在本设计中制定的工艺规程是比较合理的，它保证了零件的加工质量，可靠地达到了图纸所提出的技术条件，并尽量提高生产率和降低消耗同时还尽量降低工人的劳动强度，使其有良好的工作条件。同时依据夹具设计原理和相关资料可以了解到该设计中的夹具设计也是合理可行的，该夹具确保了工件的加工质量，不仅工艺性好结构简单而且使用性好、操作省力高效，同时定位及夹紧快速准确，提高了生产率，降低了制造成本。因此，可知此次毕业设计是成功的，通过本次的毕业设计，使我能够对本的知识做进一步的了解与学习，对资料的查询与合理的应用做了更深入的了解，本次进行工件的工艺路线分析、工艺卡片的制定、工艺过程的分析、钻夹具的设计与分析，使理论与实践得到综合的运用，通过本次的毕业设计，使我能够对书本的知识做进一步的了解与学习，对资料的查询与合理的应用做了更深入的了解，本次进行工件的工艺路线分析、工艺卡的制定、工艺过程的分析、钻夹具的设计与分析，对我们在大学期间所学的课程进行了实际的应用与综合的学习。 38 致 谢 首先感谢母校，是她给我一个难得的学习机会，让我在即将毕业之际学到了很多知识，经过这几个月的紧张的毕业设计，使我在理论和实践能力上都有了进一步的提高。 我的毕业设计主要在吴晟老师指导下,让我对所学的知识进行系统性的复习,并根据毕设要求查阅有关资料。在设计过程中受到吴晟老师无微不至的关心与耐心指导，使我的毕业设计得以顺利的进展。在吴晟老师帮助下我解决了很多以前解决不了的问题,在此我向您表示衷心的感谢～ 作为一名即将完成学业，离开学校生活的我，我要感谢母校，是她给我创造了一个学习的机会，创造了美好的学习生活环境，让我在这里学到了很多知识;感谢各位老师，是他们传授给我的知识;感谢各位同学和朋友，是他们让我的学习和生活充满乐趣，感谢你们～在这里特别要感谢吴晟老师，在设计期间帮助我理清设计思路，提出有效的改进方案，他渊博的知识、严谨的教风、诲人不倦的态度的使我受益终生～ 39 参 考 文 献 [1] 孟少农. 机械加工工艺[M]. 北京:机械工业出版社，1991.107, 108. [2] 李益民. 机械制造工艺设计简明手册[M]. 北京:机械工业出版社，1993. 69,74. [3] 崇旋主. 机械制造技术基础[J]. 航空制造技术,2003,21(11):38,40. [4] 王绍俊. 机械制造工艺设计手册[M]. 武昌:华中科技大学出版社， 2000.288,320. [5] 黄如林. 切削加工简明实用手册[M]. 北京:化学工业出版社， 2004.20,25. [6] 艾兴，肖诗纲. 切削用量简明手册[M]. 北京:机械工业出版社，2002. [7] 崇凯. 机械制造技术基础课程设计指南[M]. 西安:化学工业出版社， 2006.12,15. 40 [8] 陈于萍，高晓康. 互换性与测量技术[M]. 北京:高等教育出版社，2005. [9] 张龙勋. 机械制造工艺学课程设计指导及习题[M]. 北京:机械工业出 版社，1999. [10] 顾崇衔. 机械制造工艺学[M]. 西安:陕西科学技术出版社,1990.56,58. [11] 张福润,徐鸿本,刘延林. 机械制造技术基础[M]. 武昌:华中科技大学 出版社，2000.288,320. [12] 薛源顺. 机床夹具设计[M]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社， 1996.129,134，207,249. [13] 王小华. 机床夹具图册[M]. 北京:机械工业出版社，1992.36,37， 40,43. [14] 余光国，马俊，张兴发( 机床夹具设计[M]( 重庆:重庆大学出版社，1995. [15] 周振宝. 机床夹具精度的分析[J]. 机床与液压，2004,21(2):137,138. 41