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)動機配氣機構(gòu)中的關(guān)鍵部件，其性能直接影響著發(fā)動機整體性能。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)實意義。
本文針對凸輪軸的加工特點，結(jié)合工廠的實際，從前期規(guī)劃開始，對凸輪軸的加工工藝進行了深入的分析、研究。建立了用數(shù)控?zé)o靠模方法。對凸輪廓形進行計算和推倒，對凸輪輪廓的加工進行了探討并提出適用于發(fā)動機凸輪軸的加工方法。
關(guān)鍵詞：發(fā)動機；凸輪軸；工藝分析
目 錄
一、引言 .................................................................... 3 （一）汽車發(fā)動機行業(yè)的發(fā)展狀況 .............................................. 3 （二）凸輪軸的性能要求 ...................................................... 3 （三）本文研究內(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 ........................................... 錯誤！未定義書簽。 （二）工藝設(shè)計 .............................................................. 7 （三）工藝分析 .............................................................. 9 （四）工藝特點 ............................................................. 10 （五）工藝難點 ............................................................. 13
四、凸輪廓形理論計算及加工控制參數(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 ......................................................... 17
五、總結(jié) .................................................................. 參考文獻 .................................................................. 致謝 ........................................................................
汽車凸輪軸加工工藝設(shè)計
學(xué)生姓名：孟德宏 指導(dǎo)老師：郭小凱
一、引言
（一）汽車發(fā)動機行業(yè)的發(fā)展狀況
現(xiàn)代汽車發(fā)動機行業(yè)的發(fā)展十分迅速，這種趨勢要求各發(fā)動機廠家不僅要具有大批量生產(chǎn)的能力，也同時要具有小批量、多品種的生產(chǎn)技術(shù)。所以，在汽車發(fā)動機廠家現(xiàn)在已經(jīng)普及了互換性、自動化生產(chǎn)，做到了流水線式生產(chǎn)線布置及工藝安排，實現(xiàn)了按節(jié)拍生產(chǎn)。輔助時間包括上料、輸送、檢驗時間，而機加工時間則是指從夾具定位、夾緊到機加工完成，夾具松開并推出工件這段時間。
除按節(jié)拍生產(chǎn)以外，我國的發(fā)動機生產(chǎn)廠家多數(shù)采用流水線布置。生產(chǎn)線分為半自動生產(chǎn)線與全自動生產(chǎn)線兩種形式。半自動生產(chǎn)線與全自動生產(chǎn)線的區(qū)別在于前者靠人工在工序間輸送工件，而后者則實現(xiàn)了無人操作、輸送、加工及檢驗全部實現(xiàn)自動化。全自動生產(chǎn)線雖然自動化程度高，質(zhì)量穩(wěn)定、可靠，但是投資巨大，成本太高，而我們國家人力資源豐富，人工價格偏低，所以大部分發(fā)動機生產(chǎn)廠家采用半自動生產(chǎn)線與局部全自動化生產(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)動機的零部件的設(shè)計及生產(chǎn)上均采用了一些先進的形式及工藝。例如多氣缸多氣門的設(shè)計，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，精密加工，柔性生產(chǎn)，在線自動測量及自動補償?shù)鹊�，這些都為機加工生產(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)動機的性能要求概括為以下幾點：⑴高的動力性能。⑵高的燃料經(jīng)濟性。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，在近些年中得到很大的關(guān)注。由于發(fā)動機性能指標的不斷提高，其加工精度、難度也不斷增加，所以在發(fā)動機行業(yè)中，數(shù)控機床，精密加工機床，加工中心，自動生產(chǎn)線，成組技術(shù)等先進設(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)動機的各個零件及機構(gòu)中，配氣機構(gòu)是非常重要的，配氣機構(gòu)必須根據(jù)發(fā)動機氣缸內(nèi)所發(fā)生的工作過程，保證正確地打開和關(guān)閉氣門。而凸輪軸是配氣機構(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)時刻，從而直接影響發(fā)動機的進排氣量，影響發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放。
發(fā)動機行業(yè)現(xiàn)在都采用氣門頂置式配氣機構(gòu)，其主要原因是由于頂置式配氣機構(gòu)的發(fā)動機能選用較高的壓縮比。其氣門可以設(shè)計的比較大，混合氣進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)動機的容積效率比較高。另外，頂置氣門式發(fā)動機燃燒室的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，不僅廢氣中未燃碳氫化合物的含量較少，而且發(fā)動機的熱效率也較高，這在排放標準日益提高的今天是非常重要的。
在頂置氣門式配氣機構(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)動機中，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氣門，另一根控制排氣門。
這種單頂置凸輪軸發(fā)動機，由于沒有推桿和挺桿，因而減小了配氣機構(gòu)的慣性力，減少了氣門產(chǎn)成顫動的傾向，同時也減少了系統(tǒng)的變形量。而且這種單頂置凸輪軸發(fā)動機還有一個優(yōu)點，由于運動質(zhì)量小，凸輪輪廓可以設(shè)計的比較陡一些，可以使氣門能夠更快的打開和關(guān)閉，保持更多的時間停留在全開的位置上，改善發(fā)動機的換氣，提高容積的效率，這樣可提高發(fā)動機的性能，特別是高速下的性能。
由于發(fā)動機的發(fā)展趨勢為多氣缸多氣門設(shè)計，而每一個氣門的進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)展趨勢是一個凸輪軸上排列著越來越多的凸輪，如果是三缸以下的發(fā)動機，不論是兩氣門還是四氣門，排氣凸輪與進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氣門，另一根控制排氣門。
凸輪軸是內(nèi)燃機配氣系統(tǒng)中關(guān)鍵的零件之一，整個配氣機構(gòu)是由凸輪軸驅(qū)動的，凸輪的設(shè)計對整個配氣系統(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、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
主要項目
尺寸（mm） 表面粗糙度（μm）
圓柱度（mm）
凸輪軸表面粗糙度（mm）
中間軸頸相對于兩端軸頸的跳動(mm)
相鄰兩軸頸的徑向跳動(mm)
凸輪軸對稱中心平面對正時齒輪鍵槽中心平面
或定位銷軸線的角度偏差（′） （三）本文研究內(nèi)容
支撐軸承
一般性要求 IT5~IT6
RZ0.4
5級精度
RZ0.4
0.06 0.02 ±30′
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。建立一條集先進性與經(jīng)濟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產(chǎn)汽車的市場。
凸輪軸在發(fā)動機中的重要地位決定了國內(nèi)發(fā)動機生產(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質(zhì)量的前提下，盡可能的降低成本，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，從前期準備、工藝設(shè)計、理論計算、生產(chǎn)實踐、和產(chǎn)品檢測這幾個方面，闡述了凸輪軸加工的一整套設(shè)計思路和方法，對發(fā)動機制造業(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
凸輪軸生產(chǎn)線承每臺發(fā)動機凸輪軸的機加工，每臺發(fā)動機上使用一根凸輪軸。 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1
2.1.3 發(fā)動機凸輪軸主要加工內(nèi)容和精度要求
（1）支承軸徑
0.0150.02
前軸徑前端φ32-，后端φ32-，表面粗糙度Rz3.2 -0.045-0.04
0.09中間軸徑φ47.5-，表面粗糙度Rz3.2 -0.115
0.06后軸徑φ48.5-，表面粗糙度Rz3.2 -0.085
（2）凸輪
0.056個凸輪基圓尺寸為φ16.7+，表面粗糙度Rz3.2。 -0.05
各凸輪基圓相對與前后軸頸的基準軸線的徑向跳動允差0.03mm 各凸輪基圓相對與前后軸頸的基準軸線的平行度允差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4-0.05，深3.5+0.2，對稱度0.025 2.2工藝設(shè)計原則及凸輪軸加工工藝分析
(1)保證工藝具有合理的先進性，再保證節(jié)拍的基礎(chǔ)上，吸收先進技術(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)外可靠廠家的先進設(shè)備。 (3)保證先進性與經(jīng)濟性相結(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)。
由于凸輪軸具有細長http://www.wEnku1.com且形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點，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，切削加工時會產(chǎn)生較大的受力變形，其表面殘余應(yīng)力也會引起變形。尤其是在加工凸輪和齒輪時，這種變形會更為
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，而且變形過大會導(dǎo)致后序加工無法進行，甚至造成中途報廢。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，必須針對工件易變形這一特點采取必要的措施。不僅要把各主要表面的粗精加工工序分開，以使粗加工時產(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)雜表面的加工。對于這些表面，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，既要求其相位角準確又要求凸輪曲線升程滿足氣門開啟和關(guān)閉時升降過程的運動規(guī)律，但注意到凸輪曲線上的各點相對其回轉(zhuǎn)中心的半徑是變化的，當(dāng)選用一般的靠模機床加工時，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)時的慣性力和靠模彈簧張力的瞬間變化，將會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，但其技術(shù)的不成熟或者成本問題，都成為在國內(nèi)實施的困難�？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)濟性與合理性原則。
三、 凸輪軸工藝分析
3.1工藝設(shè)計
3.1.1定位基準的選擇
對于一般的軸類零件來說，其軸線即為它的設(shè)計基準。發(fā)動機凸輪軸遵循這一設(shè)計基準，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，這不僅避免了工件在多次裝夾中因定位基準的轉(zhuǎn)換而引起的定位誤差，也可作為后續(xù)工序的定位基準，即符合“基準統(tǒng)一”原則。
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、制造夾具的時間和費用，而且有可能在一次裝夾中加工出更多表面。這對于大量生產(chǎn)來說，不僅便于采用高效專用機床和設(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，整個加工不可能在一個工序內(nèi)全不完成。為了利于逐步地達到加工要求，所以把整個工藝過程劃分為三個階段，以完成各個不同加工階段的目的和任務(wù)。
發(fā)動機凸輪軸的加工的三個階段：
（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φ32和φ48.5的毛坯面為定位基準，然后以大端外圓的端面作軸向定位，具體每序的定位基準和夾緊位置，見表3-1發(fā)動機凸輪軸生產(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行，從整體上說，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，機床有兩套靠模，當(dāng)砂輪直徑在一定范圍內(nèi)時，使用第一個靠模來工作。當(dāng)砂輪磨損到一定程度時，靠模自動轉(zhuǎn)換，使用第二個靠模來工作[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)動機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)動機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。機床具有較大的剛度，能承受大的工作負也使砂輪的利用更經(jīng)濟、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)動機凸輪軸生產(chǎn)工藝簡介
工序號 工序內(nèi)容
銑端面，打中10 心孔
夾緊位置
φ52.5外圓V2（成活尺寸φ
48.5） φ52.5外
圓
φ36外圓V2（成活尺寸φ32）
φ36外圓
φ52.5端面V1
定位基準
備注 專機
20
粗車主軸頸
φ37.5外圓V1（成活尺寸φ
37.2） 兩端中心孔V4
φ37.5外
圓 φ37.5外
圓
半自動液壓仿形車床
30
車削主軸頸并切槽
φ37.5外圓V1 兩端中心孔V4
半自動液壓仿形車床
40
φ48.9外圓V2（成活尺寸φ
兩端螺孔鉆、48.5） φ48.9外擴、攻絲、修圓
φ32.4外圓V（成活尺寸φ32） 2
中心孔 φ32.4外
圓
φ52.5端面V1
大端外圓磨削
前軸頸磨削
兩端中心孔V1 φ37.5外圓V1 兩端中心孔V4
φ37.5外
圓 φ37.5外
專機
50
半自動端面外圓磨床
60
CNC磨床
φ37.5外圓V圓 1
中間軸頸、后
70
軸頸及推力兩端中心孔V4 φ32外圓
CNC磨床
部端面磨削 φ32外圓V1 φ48.5外圓V2 80
銑鍵槽
φ32外圓V2 φ48.5外專機
φ30端面V圓φ32外
1 圓
角向90°V1
兩端中心孔V4
90
粗磨凸輪（靠
φ22外圓
凸輪磨床
磨）
鍵V1 卡盤V1
φ30端面V1
100
精磨凸輪（無φ22外圓
凸輪磨床
靠磨）
兩端中心孔V2
鍵V1
φ30端面V3
120
滾齒
兩端中心孔Vφ22外圓
2
鍵V1
130
清洗
φ30與1IN之間非加工面V2 無夾緊
φ31與3EX之間非加工面V2
3.3工藝特點
發(fā)動機凸輪軸工藝特點：
（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） 凸輪部分在鑄造時冷激，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中心孔采用打孔后修磨，保證加工質(zhì)量 工藝先進性分析：
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，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，滾輪擺動仿形機構(gòu)，典型的設(shè)備如日平－蘭迪斯SCAM－R型凸輪磨床。靠模凸輪機構(gòu)擺動工作臺凸輪軸磨床，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，同時工件無級變速旋轉(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，由于這種工藝具有較好的柔性，為以后的產(chǎn)品改進、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。同時數(shù)控磨削可以運用在線檢測技術(shù)，對零件的加工部位尺寸進行監(jiān)控，并把對砂輪的自動修整數(shù)據(jù)反饋給數(shù)控系統(tǒng)，來控制砂輪的補償，確保加工部位的尺寸。
4)采用立方氮化硼（CBN）砂輪磨削
由于采用了無靠模數(shù)控凸輪磨床，所以整個凸輪輪廓（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)運動完成，其動作為同步動作，所以凸輪磨削過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。另一特點為砂輪磨削過程中接觸點（磨削點）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，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。這一特點要求砂輪直徑較小。
根據(jù)以上特點決定，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間短，能提高工件的疲勞強度和耐磨強性等優(yōu)點。
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
凸輪軸是氣門機構(gòu)的驅(qū)動元件，它的凸輪不僅要有合理的形狀，而且要求表面耐磨，能在長期使用中基本保持設(shè)計給出的合理形狀。所以對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運動的摩擦表面，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0.15～0.20，而強度很低的石墨，在摩擦過程中會脫落于接觸處成為潤滑劑，且石墨脫落后留下的孔穴又會成為絕好的儲油槽，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。
因為凸輪軸轉(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)工序簡單，并可以大幅度提高耐磨性。 3.4工藝難點
3.6.1主軸頸粗糙度的保證
凸輪軸生產(chǎn)的難點是主軸頸的粗糙度達不到圖紙的要求，圖紙要求為Rz3.2，實際加工情況為Rz≤5.2，這就給驗證帶來了很多麻煩。
根據(jù)實際情況，首先通過改變機床的切削用量，把機床規(guī)定好的切削用量徹底改變，一組一組的數(shù)據(jù)進行試驗，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，得出幾組比較好的數(shù)據(jù)。
μ＝0.08 F30 Rz=2.66Z~3.79Z μ＝0.04 F15 Rz=2.50Z~3.50Z μ＝0.06 F30 Rz=2.60Z~3.66Z μ＝0.04 F35 Rz=2.00Z~3.20Z
通過比較，決定選用μ＝0.04，F(xiàn)30這組數(shù)據(jù)，磨5個工件修整一次，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外圓上由三個光亮帶，粗糙度合格。
該凸輪磨床在設(shè)備驗收時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，涉及變動的部分：凸輪磨改三爪、中心架。鍵槽銑床改定位塊、量驗具工藝尺寸鏈重新計算，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表面，對凸輪磨削精度和升程曲線會造成很大的影響。由于磨小端外圓與銑鍵槽定位基準不統(tǒng)一，會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)動機性能無影響，沒必要增加投入。裝工件時鍵槽盡量放在夾具的驅(qū)動鍵槽位置，以免驅(qū)動鍵槽轉(zhuǎn)動時，劃傷加工表面。
四、 凸輪廓形理論計算及加工控制參數(shù)
4.1凸輪軸凸輪的廓形要求
氣門運動的加速度和減速度都是凸輪輪廓的函數(shù)。發(fā)動機的凸輪軸凸輪輪廓如圖4所示，主要包括進氣段C（開啟弧）、排氣段E（關(guān)閉�。�、緩沖段B、緩沖段C、基圓A、頂弧D。
發(fā)動機凸輪軸的凸輪廓形是以凸輪與φ10滾珠對滾時二者中心距離y1，y2表示的，如圖5，圖紙給出表列函數(shù)y1＝f1(φ)，y＝f2 (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)從動件半徑（mm）：設(shè)定從動件半徑，用來輪廓計算和測定。
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，因為沒有凸輪的長徑尺寸。
3)角度升程值（mm/deg）：以凸輪頂點轉(zhuǎn)180為0，只輸入有增量的兩個角度之間（90
～
270）的增量數(shù)據(jù)，每隔1進行設(shè)定（機內(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
φ
φ
φ
0 28.387 28.387 41 22.580 24.302 82 21.722 21.865 1 28.384 28.384 42 22.497 24.149 83 21.715 21.855 2 28.375 28.375 43 22.422 24.000 84 21.710 21.846 3 28.359 28.261 44 22.353 23.855 85 21.706 21.837 4 28.337 28.341 45 22.292 23.714 86 21.703 21.827 5 28.307 28.315 46 22.237 23.578 87 21.701 21.818 6 28.271 28.285 47 22.188 23.447 88 21.808 21.808 7 28.226 28.249 48 22.145 23.322 89 21.799 21.799 8 28.173 28.208 49 22.108 23.202 90 21.789 21.789 9 28.112 28.162 50 22.077 23.087 91 21.780 21.780 10 28.040 28.111 51 22.049 22.979 92 21.771 21.771 11 27.958 28.054 52 22.027 22.876 93 21.761 21.761 12 27.864 27.993 53 22.007 22.779 94 21.752 21.752 13 27.757 27.927 54 21.992 22.689 95 21.742 21.742 14 27.634 27.856 55 21.979 22.604 96 21.733 21.733 15 27.492 27.780 56 21.968 22.525 97 21.725 21.725 16 27.327 27.699 57 21.958 22.453 98 21.718 21.718 17 27.133 27.613 58 21.949 22.386 99 21.713 21.713 18 26.907 27.522 59 21.939 22.325 100 21.708 21.708 19 26.657 27.426 60 21.930 22.270 101 21.704 21.704 20 26.395 27.326 61 21.920 22.220 102 21.702 21.702 21 26.129 27.220 62 21.911 22.175 103 21.700 21.700 22 25.865 27.109 63 21.901 22.136 23 25.606 26.993 64 21.891 22.102 24 25.355 26.872 65 21.882 22.072 25 25.113 26.746 66 21.872 22.046 26 24.881 26.616 67 21.863 22.025 27 24.659 26.480 68 21.853 22.006 28 24.447 26.340 69 21.843 21.991 29 24.245 26.196 70 21.834 21.979 30 24.054 26.048 71 21.824 21.968 31 23.873 25.896 72 21.825 21.959 32 23.702 25.741 73 21.8058 21.949 33 23.542 25.583 74 21.795 21.940 34 23.390 25.423 75 21.786 21.930 35 23.248 25.262 76 21.776 21.921 36 23.115 25.100 77 21.766 21.912 37 22.992 24.938 78 21.757 21.902 38 22.876 24.776 79 21.747 21.893
39 40 22.770 24.616 80 22.671 24.458 81 21.738 21.884 21.729 21.874
由于在升程段廓形圓形滾珠與廓形的切點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點來，它的半徑又遠遠大于滾珠半徑，所以必須通過計算得出凸輪廓形（D1,D2）坐標，再換算成砂輪中心的坐標，作為磨床砂輪橫向進給的依據(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圓的曲線族，凸輪廓形實際是它的內(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
因為H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。
dydx
??f? ??x????f? ?y????
=-
還可以進一步寫作：
?f
?+?=0 （4.1）
?xd??yd?
dx
?f
dy
包絡(luò)線既與曲線族相切，其上各點應(yīng)與曲線族上各切點斜率相等，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)線上各點既是曲線族里的點，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)線上的各點坐標[8]
。4.3凸輪廓形坐標
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?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)中正負號應(yīng)取負號。 計算中微分
dHd以差分代替，即表列函數(shù)中若Hn對應(yīng)于?n，則取
?
dH=
Hn+1-Hn-1
d?
?n+1-?
n-1
表4.2為C語言編程計算凸輪軸y1、y2兩面的坐標值為XD、YD
（4.3）
（4.4）
（4.5）
表4-2 凸輪軸y1、y2兩面的坐標值XD、YD
φ
Xn
Yn
φ
Xn
Yn
φ
Xn
Yn
φ
Xn
Yn
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 23.382 23.367 23.341 23.305 23.258 23.203 23.138 23.061 22.977 22.885 22.783 22.676 22.565 22.455 22.350 22.311 22.151 21.987 21.847 21.577 21.258 20.909 20.541 20.162 19.779 0.348 0.690 1.031 1.367 1.700 2.027 2.342 2.660 2.959 3.246 3.525 3.785 4.024 4.411 4.234 4.477 4.651 4.848 4.973 5.208 5.469 5.745 6.027 6.313 6.599 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 10.702 10.420 10.137 9.868 9.603 9.341 9.088 8.831 8.573 8.312 8.050 7.790 7.517 7.248 6.977 6.704 6.435 6.153 5.875 5.596 5.315 5.039 4.750 4.466 4.186 13.255 13.450 13.642 13.821 13.992 14.156 14.309 14.457 14.601 14.740 14.875 15.001 15.128 15.249 15.364 15.475 15.578 15.681 15.778 15.868 15.955 16.034 16.111 16.183 16.248 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 23.382 23.366 23.341 23.306 23.259 23.023 23.138 23.063 22.978 22.884 22.780 22.665 22.543 22.412 22.273 22.124 21.968 21.803 21.627 21.446 21.260 21.064 20.806 20.650 20.429 0.348 0.700 1.051 1.397 1.751 2.103 2.449 2.797 3.142 3.480 3.819 4.159 1.490 4.818 5.141 5.459 5.772 6.080 6.386 6.683 6.969 7.252 7.530 7.800 8.064 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 12.055 11.694 11.339 10.991 10.632 10.280 9.933 9.582 9.237 8.898 8.553 8.209 7.876 7.549 7.215 6.894 6.577 6.254 5.949 5.648 5.359 5.074 4.789 4.502 4.208 13.457 13.616 13.772 13.922 14.076 14.226 14.518 14.661 14.661 14.799 14.937 15.075 15.205 15.331 15.457 15.576 15.689 15.802 15.906 16.003 16.092 16.174 16.251 16.323 16.391
26 27 28 19.396 19.015 18.638 6.883 7.162 7.438 77 78 79 3.894 3.607 3.319
16.310 26 20.205 16.366 27 19.975 16.417 28 19.732
8.324 8.572 8.820 77 78 79 3.926 3.636 3.339 16.452 16.508 16.562
表4-3凸輪的Hc、φc值
Y1
Y2
φc
1.561 3.169 4.778 6.435 8.092 9.798 11.599 13.356 15.256 17.251 19.296 21.484 23.857 26.504 29.460 33.699 26.587 39.238 42.699 44.568 45.900 46.880 47.610 48.158 48.596 48.959 49.288 49.582 49.795 49.795
Hc
φc
54.642 55.205 55.765 56.514 57.326 58.200 59.201 60.202 61.202 62.603 63.203 64.267 65.205 66.205 67.206 68.206 69.271 70.208 71.208 72.209 73.209 74.274 75.211 76.211 77.276 78.213 79.213 80.214 81.151 82.023 Hc
φc
1.561 3.076 4.591 6.154 7.624 9.095 10.615 12.089 13.565 15.090 16.571 18.007 19.492 20.980 22.472 23.966 25.464 26.966 28.425 29.935 31.497 33.016 34.540 36.069 37.557 39.096 40.642 42.100 43.563 45.033 Hc
65.159 φc
63.823 64.134 63.823 64.134 64.888 65.476 65.844 66.141 66.491 66.894 67.229 67.557 68.512 68.953 69.517 70.142 70.703 71.451 72.263 73.200 74.201 75.202 76.202 77.139 78.203 79.204 80.141 81.205 82.206 Hc
148.382 148.368 148.342 148.305 148.256 148.194 148.114 148.021 147.905 147.764 147.598 147.395 147.146 146.829 146.425 145.746 145.199 144.683 143.930 143.502 143.195 142.970 142.805 142.685 142.592 142.517 142.452 142.396 142.356 142.326 141.999 141.988 141.980 141.970 141.961 141.952 141.943 141.933 141.924 141.914 141.905 141.895 141.885 141.876 141.866 141.857 141.847 141.837 141.828 141.818 141.809 141.799 141.789 141.780 141.770 141.760 141.751 141.741 1141.73 141.725 148.382 148.369 148.348 148.316 148.278 148.180 148.119 148.052 147.974 147.891 147.804 147.706 147.602 147.490 147.370 147.243 147.109 146.972 146.824 146.662 146.498 146.326 146.146 145.965 145.772 145.570 145.375 145.173 144.966 148.234 142.299 142.270 142.239 142.205 142.184 142.162 142.138 142.120 142.101 142.081 142.066 142.053 142.038 142.023 142.011 142.000 141.988 141.980 141.971 141.962 141.953 141.943 141.934 141.924 141.916 141.906 141.896 141.888 141.878 141.868
五、總結(jié)
汽車發(fā)動機制造業(yè)目前競爭激烈，建立符合中國國情和工廠實際的零部件加工生產(chǎn)線，制定合適的加工工藝，并選用可靠經(jīng)濟的設(shè)備，對降低產(chǎn)品成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高競爭力有很大的現(xiàn)實意義。
凸輪軸作為汽車發(fā)動機的關(guān)鍵部件之一，其性能與質(zhì)量直接影響發(fā)動機整機性能。本文針對夏利汽車凸輪軸的加工特點，結(jié)合工廠實際，在建立一條集先進性與經(jīng)濟性統(tǒng)一的凸輪軸生產(chǎn)線的過程中，從前期規(guī)劃開始，對凸輪軸的加工工藝、設(shè)備和檢測進行了深入研究。在本篇論文里，根據(jù)產(chǎn)品要求，制定合理的凸輪軸生產(chǎn)線節(jié)拍、平面布置和工藝路線。主要解決了以下問題：
1.根據(jù)凸輪軸加工特點，優(yōu)化選擇了加工設(shè)備。
2.詳細分析了凸輪軸的加工特點和加工難點，優(yōu)化設(shè)計了合理的加工工藝，保證了加工質(zhì)量。
3.利用包絡(luò)線理論，對凸輪輪廓的加工原理進行計算及推導(dǎo)，并計算出相應(yīng)的砂輪中心坐標及設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速配置，為生產(chǎn)加工，提供控制參數(shù)。
4.提出了關(guān)于凸輪升程測量的新方法：測量數(shù)據(jù)定位法及其數(shù)據(jù)評價。并使之應(yīng)用于凸輪軸的測量中，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。
作者在實際生產(chǎn)中結(jié)合理論知識總結(jié)出本論文，所以，論文中的知識與結(jié)論對凸輪軸的實際生產(chǎn)有非常重要的參考價值。
參考文獻
[1]楊昂岳.梁術(shù).汽車發(fā)動機主要零部件技術(shù)水平及發(fā)展動向[J];汽車工業(yè)研究;1994年06期;46-51.
[2]韋于.凸輪軸實測數(shù)據(jù)光順處理[J].廣西:微車情報網(wǎng),1999.
[3]W?H?克勞斯汽車發(fā)動機設(shè)計[M] 北京:人民交通出版社,1986,123～15.
[4]吉林工業(yè)大學(xué)內(nèi)燃機教研室內(nèi)燃機理論與設(shè)計下冊[M] 北京.機械工業(yè)出版社1980,209～258.
[5]劉永福.凸輪評定公差標準問題探討[M].北京精密制造與自動化.2002,15～17.
[6]趙新.多參數(shù)在線檢測設(shè)備的溫度補償機理[M].天津.天內(nèi)科技.2002,21～25.
[7]哈爾濱工業(yè)大學(xué)機械制造教研室機械制造工藝理論基礎(chǔ)[M].北京.機械工業(yè)出版社.1993,44～511.
[8]王先逵.機械制造工藝學(xué)[M].北京清華大學(xué).1995,5～86.
[9]謝存嬉等.機電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計[M].北京.機械出版社.1999.
[10]吳天林等.機械加工系統(tǒng)自動化[M].北京兵器工業(yè)出版社.1999.
[11]何七榮,潘展,徐琳;凸輪軸型面簡易數(shù)控磨削技術(shù)[J];新技術(shù)新工藝;2004年12期;40.
致謝
三年的讀書生活在這個季節(jié)即將劃上一個句號，而于我的人生卻只是一個逗號，我將面對又一次征程的開始。三年的求學(xué)生涯在師長、親友的大力支持下，走得辛苦卻也收獲滿囊，在論文即將付梓之際，思緒萬千，心情久久不能平靜。 偉人、名人為我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和贊美獻給一位平凡的人，我的老師。我不是您最出色的學(xué)生，而您卻是我最尊敬的老師。您治學(xué)嚴謹，學(xué)識淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。授人以魚不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了宏偉的學(xué)術(shù)目標，領(lǐng)會了基本的思考方式，從論文題目的選定到論文寫作的指導(dǎo),經(jīng)由您悉心的點撥,再經(jīng)思考后的領(lǐng)悟,常常讓我有“山重水復(fù)疑無路,柳暗花明又一村”。
感謝我的爸爸媽媽，焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報，你們永遠健康快樂是我最大的心愿。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯謝意！
另外，感謝學(xué)校給予我這樣一次機會，能夠獨立地完成一個課題，并在這個過程當(dāng)中，給予我們各種方便，使我們在即將離校的最后一段時間里，能夠更多學(xué)習(xí)一些實踐應(yīng)用知識，增強了我們實踐操作和動手應(yīng)用能力，提高了獨立思考的能力。再一次對我的母校表示感謝。
23
【汽車凸輪軸加工工藝分析】相關(guān)文章：
氣缸蓋加工藝分析 -工程01-01
汽車焊接橋殼成型工藝的分析對比07-26
數(shù)控加工工藝分析的一般步驟與方法 -工程01-01
典型軸類零件加工工藝分析 -工程01-01
化油器本體盲孔螺紋的加工分析及工藝改進07-06
探論現(xiàn)代汽車座椅加工成型工藝07-25