凸轮轴零件的数控加工工艺设计及数控编程-工艺-说明书

凸轮轴零件的数控加工工艺设计及数控编程-工艺-说明书内容摘要：

产品的竞争力。 (2)对于关键设备和技术，优先考虑国内外可靠厂家的先进设备。 (3)保 证先进性与经济性相结合，再保证产品质量的前提下，降低成本 (4)充分考虑各生产缓解的安全性和操作的方便性。 (5)在投资允许的情况下，尽量考虑柔性生产。 由于凸轮轴具有细长且形状复杂的结构特点，技术要求又高，尤其是凸轮毕业设计（论文） 9 的加工，因此其加工工艺性较差。 在凸轮轴的加工过程中，有两个主要因素影响其加工精度。 其一是易变形性，其二是加工难度大。 易变形特性 从细长轴的角度来说，突出的问题就是工件本身的刚度低，切削加工时会产生较大的受力变形，其表面残余应力也会引起变形。 尤其是在加工凸轮和齿轮时，这种变形会更为显 著。 凸轮轴在加工过程中的变形，不仅影响到后续工序加工中的余量分配是否均匀，而且变形过大会导致后序加工无法进行，甚至造成中途报废。 凸轮轴加工后的变形，将直接影响到装配后凸轮轴的使用性能 [2]。 因此，在安排其工艺过程时，必须针对工件易变形这一特点采取必要的措施。 不仅要把各主要表面的粗精加工工序分开，以使粗加工时产生的变形在精加工中得到修整，半精加工中产生的变形在精加工中得到修正，还必须在加工过程中增设辅助支承以采取分段加工等措施，这是保证凸轮轴加工精度所必须解决的问题。 加工难度大 从形状 复杂的角度来说，突出的问题凸轮、齿轮这些复杂表面的加工。 对于这些表面，不仅有尺寸精度要求，还有形状、位置精度要求，如采用普通的加工设备和一般表面常规加工方法，显然是根本无法保证其加工质量和精度的。 例如对于凸轮的加工，从满足使用要求的角度来说，既要求其相位角准确又要求凸轮曲线升程满足气门开启和关闭时升降过程的运动规律，但注意到凸轮曲线上的各点相对其回转中心的半径是变化的，当选用一般的靠模机床加工时，由于加工半径的变化，势必引起切削速度和切削力的变化，加之工件旋转时的惯性力和靠模弹簧张力的瞬间变化，将会使加 工后的凸轮曲线产生形状误差，即曲线的升程误差，从而直接影响凸轮轴的使用性能。 小结 综上所述，虽然各种方案都各有优点，但其技术的不成熟或者成本问题，都成为在国内实施的困难。 考虑到成本及大批量生产，选择成熟技术和成熟的设备，使工艺方案符合经济性与合理性原则。 3 凸轮轴工艺设计 10 3 凸轮轴工艺 设计 工艺设计 定位基准的选择 对于一般的轴类零件来说，其轴线即为它的设计基准。 发动机凸轮轴遵循这一设计基准，由于凸轮轴各表面的加工难以在一次装夹中完成，因此，减小工件在多次装夹中的定位误差，就成为保证凸轮轴加工 精度的关键。 本文采用两顶尖孔作为轴类零件的定位基准，这不仅避免了工件在多次装夹中因定位基准的转换而引起的定位误差，也可作为后续工序的定位基准，即符合 “基准统一 ”原则。 这种方法不仅使工件的装夹方便、可靠。 简化了工艺规程的制定工作，使各工序所使用的夹具结构相同或相近，从而减少了设计、制造夹具的时间和费用，而且有可能在一次装夹中加工出更多表面。 这对于大量生产来说，不仅便于采用高效专用机床和设备以提高生产效率，而且也使得所加工的各表面之间具有较高的相互位置精度。 加工阶段的划分与工序顺序的安排 a. 加 工阶段的划分 由于凸轮轴的加工精度较高，整个加工不可能在一个工序内全不完成。 为了利于逐步地达到加工要求，所以把整个工艺过程划分为三个阶段，以完成各个不同加工阶段的目的和任务。 发动机凸轮轴的加工的三个阶段 [3]： (1) 粗加工阶段包括车各支承轴颈、齿轮外圆轴颈和粗磨凸轮。 该阶段要求机床刚性好，切削用量选择尽可能大，以便以提高生产率切除大部分加工余量。 (2) 半精加工是精车各支承轴颈和精磨齿轮外圆轴颈。 该阶段主要为支承轴颈齿轮的加工做准备。 (3) 精加工包括精磨各支承轴颈、止推面和凸轮以及斜齿轮加工。 该 阶段加工余量和切削量小，加工精度高。 工艺编排：首先以 的毛坯面为定位基准，然后以大端外圆的端面作轴向定位，具体每序的定位基准和夹紧位置，见表 31 发动机凸轮轴生产工艺毕业设计（论文） 11 简介。 b. 工序顺序的安排 加工顺序的安排与零件的质量要求有关，工序安排是否合理，对于凸轮轴加工质量、生产率和经济性都有很大影响。 对于各支承轴颈是按粗车 ——精车——精磨加工的，对于是按凸轮粗磨 ——精磨加工的，对于斜齿轮是按粗车 ——精车 ——精磨 ——滚齿加工的。 各表面的加工顺序按从粗到精、且主要表面与次要表面的加工工序相互交叉进行，从整 体上说，符合 “先粗后精 ”的加工原则。 凸轮形面的加工 在凸轮轴的加工中，最重要同时难度最大的是凸轮形面的加工。 该形面的加工方法目前主要有车削和磨削两种。 凸轮形面的粗加工目前在国内主要是凸轮轴车床车削加工，也有采用铣削加工和磨削加工的。 如采用双靠模凸轮轴磨床，机床有两套靠模，当砂轮直径在一定范围内时，使用第一个靠模来工作。 当砂轮磨损到一定程度时，靠模自动转换，使用第二个靠模来工作 [4]。 该磨床通过对砂轮直径的控制来提高凸轮外形的精度，不仅提高了凸轮形面的加工精度，也使砂轮的利用更经济、合理。 发动 机凸轮轴毛坯采用精铸的方法制造，毛坯精度较高，切削量小，故采用磨削的加工工艺，简化了凸轮形面的加工。 凸轮形面的加工采用磨削的方法，在凸轮磨床上完成粗磨及精磨的加工。 工件安装在两顶尖之间并以键槽做轴向定位，在支承轴颈处安装辅助支承保证凸轮形面的加工精度。 发动机凸轮轴形面的加工所采用的凸轮轴磨床是立方氮化硼磨床，该磨床能迅速地变换磨削的凸轮形状，超过一般仿珩磨的生产率。 机床具有较大的刚度，能承受大的工作负荷。 由于立方氮化硼（ CBN）砂轮的使用寿命高，因此，砂轮的直径变化所造成的凸轮形状误差显著减小，也大大提 高了凸轮形面的磨削精度。 工艺特点 发动机凸轮轴工艺特点： a. 毛坯硬度高 （冷激区 HRC45 非冷激区 HB229~302） b. 生产节拍 分钟 c. 轮轴数控车床用于支撑轴颈的粗加工 凸轮部分在铸造时冷激，不需加工后淬火 d. 凸轮采用粗、精磨加工，以磨代车，凸轮轮廓直接磨削 e. 凸轮精加工采用全数控无靠磨磨削 毕业设计（论文） 12 f. 加工中主要定位基准中心孔采用打孔后修磨，保证加工质量 凸轮轴工艺分析 生产纲领 生产类型 生产纲领的大小对生产组织和零件加工工艺过程起着重要的作用，它决定了各工序所需专业化和自动化的程度，以及所应选用的工艺方法和工艺装备。 零件生产纲领可按下式计算： N=Qn(1+a%+b%) 由此公式可以算的凸轮轴的年生产量为 5000 件，根据生产纲领和生产类型的关系可以确定其生产类型是大批量生产。 表 1 生产纲领与生产类型的关系 材料选择 凸轮轴材料的选择：由于轴的载荷通常是变载荷，或变应力，故材料应具有较好的强度和韧性；对轴的表面与支承有相对滑动的轴，还须要求较好的耐磨性。 材料 ： 常用材料与热处理：凸轮轴常用材料是 20Cr， 20Cr 的热处理及主要机构性能（参考）如表 2 表 2 20Cr 主要机构性能 材料牌号 热处 理 毛坯直径 mm 硬 度HBS 抗拉强度极限 σb (Mpa) 弯曲疲劳极限σ1(Mpa) 扭转疲劳极限τ1/Mpa 屈服极限σs/Mpa 20Cr 渗碳淬火 回火 15 30 ≤60 表面HRC50~60 850 650 650 550 400 400 375 280 280 215 160 160 热处理分析： 生产类型 零件的年生产纲领（件） 重型零件 中型零件 轻型零件 单件生产 小批生产 中批生产 大批生产 大量生产 ＜ 5 5～ 100 100～ 300 300～ 1000 ＞ 1000 ＜ 10 10～ 200 200～ 500 500～ 5000 ＞ 5000 ＜ 100 100～ 500 500～ 5000 500～ 50000 ＞ 50000 毕业设计（论文） 13 轴类零件的热处理是保证轴类零件性能的重要工艺过程，它对轴类零件的如下性能有着直接的影响 [6]： a. 轴类零件的制造精度：组织转变不均匀、不彻底及热处理后形 成的残余应力过大轴在热处理后的加工、装配和使用过程中的变形，从而降低轴的精度，甚至报废。 b. 轴类零件的强度：热处理工艺制定不当、热处理操作不规范或热处理设备状态不完好，造成被处理轴的强度（硬度）达不到设计要求。 c. 轴的工作寿命：热处理造成的组织结构不合理、晶粒度超标等，导致主要性能如轴的韧性、抗磨损性能等下降，影响轴的工作寿命。 d. 轴的制造成本：作为轴制造过程的中间环节或最终工序，热处理造成的开裂、变形超差及性能超差，大多数情况下会使轴报废，即使通过修补可以使用，也会增加工时，从而增加了 轴的成本。 凸轮轴材料是 20Cr，对强度和韧性要求比较高，而表面易磨损需渗碳。 渗碳的目的就是增加轴的耐磨性能、表面硬度、抗拉强度及疲劳极限。 渗碳以后首先要进行淬火，用来提高其硬度和强度极限。 但淬火时会引起内应力使之变脆，所以淬火以后必须要回火，回火的目的就是用来消除淬火后的脆性和内应力，提高其塑性和冲击韧度。 但是对于凸轮轴来说，半成品热处理以前还有一道重要的工序，就是要对第一和第二个凸轮之间的外圆；第五和第六个凸轮之间的外圆用两顶的装加方式进行粗磨。 这样做是因为轴类零件热处理以后会产生变形，既保证其同轴度。 以便在热处理以后以这两个外圆为基准进行校核。 4 夹具的设计 14 4 夹具的设计 夹具的设计 磨床夹具按其通用化的程度和结构特点，可以分为通用夹具、专用夹具、组合夹具和成组可调夹具等等。 凸轮轴加工时采用的是传动夹头，属于组合夹具类型。 组合夹具是在夹具零部件标准化的基础上发展起来的一种新型工艺装备。 它是由一套预先制造好的标准元件组装而成的。 这些元件有各种不同的形状、不同规格的尺寸，它们相互配合部分的尺寸精度高、硬度高、耐磨性好，且具有完全的互换性。 根据加工工艺的要求，可通过选择和使用标准元件和组合元件，很快装配出 机械加工、检验、装配等所需的夹具来。 使用完毕，可方便地拆卸、清洗、存放、留待以后再使用。 组合夹具的特点： 灵活多变； 保证加工质量、提高生产效率； 节省人力和物力； 减少夹具存放面积。 组合夹具的元件按其用途不同可以分为八大类，即：基础元件、支承元件、定位元件、导向元件、压紧元件、紧固元件、辅助元件及合件。 其中，紧固元件包括各种螺栓、螺钉、螺母和垫圈等，这些紧固元件均为常用的标准件。 本次夹具设计主要是应用于对凸轮轴的凸轮轴颈进行加工。 由于凸轮轴在工作中需要很高的转速承受很大的转矩， 因此 对凸轮轴轴颈的强度和可靠支撑方面的要求很高。 而轴颈的同轴度需要也很高。 由于进行大批量生产同一种凸轮轴所以设计一套专用的夹具。 凸轮轴的材料为 20Cr 且由于凸轮轴颈的位置应该运用铣磨加工比较好。 该零件在数控磨铣加工前，工件是一个经过加工半圆槽的凸轮轴材料，凸轮轴上的半圆槽可以进行定位装夹，无需进行另做工艺孔进行定位。 凸轮轴的组成几何元素之间关系清楚，条件充分，编程时，所需基点坐标很容易求得。 凸轮轴颈的的外轮廓面只要与加。