毕业论文：汽车凸轮轴加工工艺分析

毕业论文：汽车凸轮轴加工工艺分析内容摘要：

工艺 分析 表 发动机凸轮轴生产工艺简介 8 工序号 工序内容 定位基准 夹紧位置 备注 10 铣端面，打中心孔 φ 外圆 2V （成活尺寸φ ） φ 36 外圆 2V （成活尺寸φ 32） φ 端面 1V φ 外圆 φ 36 外圆 专机 20 粗车主轴颈 φ 外圆 1V （成活尺寸φ ） 两端中心孔 4V φ 外圆 半自动液压仿形车床 30 车削主轴颈并切槽 φ 外圆 1V 两端中心孔 4V φ 外圆 半自动液压仿形车床 40 两端螺孔钻、扩、攻丝、修中心孔 φ 外圆 2V （成活尺寸φ ） φ 外圆 2V （成活尺寸φ 32） φ 端面 1V φ 外圆 φ 外圆 专机 50 大端外圆磨削 两端中心孔 1V φ 外圆 1V φ 外圆 半自动端面外圆磨床 60 前轴颈磨削 两端中心孔 4V φ 外圆 1V φ 外圆 CNC 磨床 70 中间轴颈、后轴颈及推力部端面磨削 两端中心孔 4V φ 32 外圆 1V φ 32 外圆 CNC 磨床 80 铣键槽 φ 外圆 2V φ 32 外圆 2V φ 30 端面 1V 角 向 90176。 1V φ 外圆φ 32 外圆 专机 两端中心孔 4V 9 90 粗磨凸轮（靠磨） 键 1V 卡盘 1V φ 22 外圆 凸轮磨床 100 精磨凸轮（无靠磨） φ 30 端面 1V 两端中心孔 2V 键 1V φ 22 外圆 凸轮磨床 120 滚齿 φ 30 端面 3V 两端中心孔 2V 键 1V φ 22 外圆 130 清洗 φ 30 与 1IN 之间非加工面 2V φ 31 与 3EX 之间非加工面 2V 无夹紧 工艺特点 发动机凸轮轴工艺特点： （ 1） 毛坯硬度高 （冷激区 HRC45 非冷激区 HB229~302） （ 2） 生产节拍 分钟 （ 3） 轮轴数控车床用于支撑轴颈的粗加工 （ 4） 凸轮部分在铸造时冷激，不需加工后淬火 （ 5） 凸轮采用粗、精磨加工，以磨代车，凸轮轮廓直接磨削 （ 6） 凸轮精加工采用全数控无靠磨磨削 （ 7） 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 工艺先进性 分析： 1)磨削密集型工艺－外圆、轴颈、端面及凸轮均采用磨削方法 [5] 凸轮的外圆、轴颈、端面及凸轮的粗精加工均采用磨削方法。 凸轮传统的粗加工方法是采用靠模车床及液压仿形凸轮铣床，大量生产的凸轮轴毛坯均采用精锻或精铸成形，其毛坯精度高，加工余量小，采用以磨代车的新工艺，极大的简化了凸轮形面的加工。 同时，高速磨削及金刚石滚轮连续修整工艺，保证了其生产效率及产品的质量。 2)凸轮采用数控无靠模磨削 长期以来，凸轮轴磨床采用靠模，滚轮摆动 仿形机构，典型的设备如日平－兰迪斯 SCAM 10 － R 型凸轮磨床。 靠模凸轮机构摆动工作台凸轮轴磨床，在磨削中存在着一系列的加工缺陷，而采用数控凸轮磨削的新工艺，取消了靠模，完全靠 CNC 控制获得精密的凸轮轮廓，同时工件无级变速旋转，并采用 CBN 砂轮加工凸轮轴，从根本上解决了传统凸轮磨床的缺陷，不仅摆脱了靠模精度对凸轮精度的影响，而且砂轮的磨损不影响加工精度。 同时，由于这种工艺具有较好的柔性，为以后的产品改进、更新以及多品种的凸轮轴共线生产提供了保证。 3)凸轮轴支撑轴颈的磨削 凸轮轴支撑轴颈的加工尺寸与精度如图 2 所示。 采用数控多砂轮磨削，可以高效率地磨削凸轮轴支撑轴颈，加工出的轴颈具有较高的圆柱度和较小的径向跳动。 同时数控磨削可以运用在线检测技术，对零件的加工部位尺寸进行监控，并把对砂轮的自动修整数据反馈给数控系统，来控制砂轮的补偿，确保加工部位的尺寸。 图 2 凸轮轴的支撑轴颈 4)采用立方氮化硼（ CBN）砂轮磨削 由于采用了无靠模数控凸轮磨床，所以整个凸轮轮廓（包括基圆、缓冲段、作用段）的磨削均由 X轴即砂轮架和 C轴即主轴的相对旋转运动完成，其动作为同步动作， 所以凸轮磨削过程中砂轮于工件接触表面不同且不均匀，缓冲段及作用段接触面积大于基圆，由此造成加工余量不均匀，缓冲段和作用段加工余量大于基圆，故产生法向切削力的变化。 另一特点为砂轮磨削过程中接触点（磨削点）与工件及砂轮二者中心线不在一条直线上，而是在上下移动，故易产生升程误差，也可能在缓冲段及作用段表面产生横纹。 这一特点要求砂轮直径较小。 根据以上特点决定，选用陶瓷结合剂的立方氮化硼（ CBN）砂轮磨削凸轮。 砂轮转速为 5700 转 /分，属于高速磨削，生产率高，耐用度高。 CBN 砂轮有较好的热导性，工件磨削的温度低，可 减少磨削时的烧伤、裂纹和热损现象，与普通的砂轮相比，具有砂轮使用寿命长，更换砂轮和修整砂轮时间短，能提高工件的疲劳强度和耐磨强性等优点。 由于使用了 CBN砂轮，砂轮直径有单晶刚玉的φ 600mm 减少到现在的φ 250mm，且使用 11 寿命长， CBN 砂轮的 CBN 层厚度为 3mm，每 100 件修磨一次，每次修磨量为 ，一片砂轮的修磨 次数为 300 次，可计算得出一片砂轮的理论加工工件数为 300179。 100＝ 30000 件。 且工件的粗糙度及凸轮升程均能很好的满足工艺要求。 5)毛坯材料为冷激合金铸铁 凸轮轴是气门机构的驱动元件 ，它的凸轮不仅要有合理的形状，而且要求表面耐磨，能在长期使用中基本保持设计给出的合理形状。 所以对凸轮轴的材料要求比较高。 尤其凸轮表面与摇臂之间是一对运动的摩擦表面，凸轮轴的材料必须保证其工作可靠性和耐久性。 最后决定采用冷激合金铸铁，即在凸轮轴铸模的凸轮尖端处放一块加速铁水冷却的铁块，使凸轮尖端迅速冷却，形成桃尖硬化层，其主要金属基体为菜氏体，可以提高其硬度，并达到工艺要求：凸轮 140176。 以内 HRC35 以上， 30176。 以内 HRC48 以上，如图 3 所示。 这样凸轮外形完全用磨削加工。 176。 176。 图 3 凸轮外形硬度分布图 铸铁凸轮存在摩擦系数仅为 ～ ，而强度很低的石墨，在摩擦过程中会脱落于接触处成为润滑剂，且石墨脱落后留下的孔穴又会成为绝好的储油槽，使临界油膜容易保持住。 铸铁的导热性大且不留加工余量，而凸轮工作表面只留 左右的磨削余量。 因为凸轮轴转速低，载荷轻，润滑又良好，而铸铁本身也是一种良好的轴承材料，所以不用衬套，把凸轮轴直接装入缸盖凸轮轴孔中。 采用冷激铸铁，工艺简单且成本低，激冷用外冷铁可由我单位生产，反复使用近百次后可作为返回料入炉，所以 生产工序简单，并可以大幅度提高耐磨性。 工艺难点 主轴颈粗糙度的保证 凸轮轴生产的难点是主轴颈的粗糙度达不到图纸的要求，图纸要求为 ，实际加工情况为 Rz≤ ，这就给验证带来了很多麻烦。 12 根据实际情况，首先通过改变机床的切削用量，把机床规定好的切削用量彻底改变，一组一组的数据进行试验，最终结果还是不好。 最后在保证砂轮不变的情况下，改变金刚石修整器的修磨速度 F，修整量μ，来提高工件的粗糙度。 通过反复试验，得出几组比较好的数据。 μ＝ F30 Rz=~ μ＝ F15 Rz=~ μ＝ F30 Rz=~ μ＝ F35 Rz=~ 通过比较，决定选用μ＝ ， F30 这组数据，磨 5个工件修整一次，粗糙度＜。 且节拍达到 分钟，达到了本线的设计纲领。 轴颈夹痕 1)轴颈夹痕：凸轮轴线 120 序凸轮磨削时用键 槽定位，φ 22 外圆夹紧。 三爪长期使用造成φ 22 外圆 上由三个光亮带，粗糙度合格。 该凸轮磨床在设备验收时即有光亮带夹痕存在，据了解目前凸轮桃子磨削工艺大多采用腱槽角向定位三爪夹紧工件小端外圆，中心架支撑轴径向表面来完成磨削过程，此方案势必要产生夹痕。 该工艺丰田汽发，一汽大众均采用，新产品 1SZ 凸轮轴从外观看也采用此加工工艺加工的。 此工艺方案可继续使用。 2)彻底消除夹痕工艺的近一步探讨：采用倒序加工的方法，先磨桃子，后磨小端外圆。 a)使用这种方法，涉及变动的部分：凸轮磨改三爪、中心架。 键槽铣床改定位块、量验具工艺尺寸链重新计算，改所有工艺文件。 b)引发的 质量问题：由于凸轮磨床的中心架支撑轴颈是精车表面，对凸轮磨削精度和升程曲线会造成很大的影响。 由于磨小端外圆与铣键槽定位基准不统一，会对键槽对称度造成很大的影响。 c)抛光小端外圆，需要增加投入。 该方案没有必要。 3)结论：轻微夹痕对发动机性能无影响，没必要增加投入。 装工件时键槽尽量放在夹具的驱动键槽位置，以免驱动键槽转动时，划伤加工表面。 [6] 4 凸轮廓形理论计算及加工控制参数 凸轮轴凸轮的廓形要求 气门运动的加速度和减速度都是凸轮轮廓的函数。 发 动机的凸轮轴凸轮轮 廓如图 4 所示，主要包括进气段 C（开启 弧）、排气段 E（关闭弧）、缓冲段 B、缓冲段 C、基圆 A、顶 13 弧 D。 发动机凸轮轴的凸轮廓形 是以凸轮与φ 10 滚珠对滚时二者中心距离 1y ， 2y 表示的，如图 5，图纸给出表列函数 1y ＝ 1f (φ )， y＝ 2f (φ )表 4— 1为凸轮轴升程表。 图 4 凸轮 轮廓图 图 5 凸轮廓形图 凸轮升程数据 1)从动件半 径（ mm）：设定从动件半径，用来轮廓计算和测定。 2)凸轮基圆直径（ mm）：设定凸轮基圆直径，可以用此数据微调凸轮尺寸，因为没有凸轮的长径尺寸。 3)角度升程值（ mm/deg）：以凸轮顶点转 180 为 0，只输入有增量的两个角度之间（ 90～ 14 270）的增量数据，每隔 1进行设定（机内密化系统），最后制成升程表 [7]。 表 41 凸轮轴凸轮升程表 φ φ φ 0 41 82 1 42 83 2 43 84 3 44 85 4 45 86 5 46 87 6 47 88 7 48 89 8 49 90 9 50 91 10 51 92 11 52 93 12 53 94 13 54 95 14 55 96 15 56 97 16 57 98 17 58 99 18 59 100 19 60 101 20 61 102 21 62 103 22 63 23 64 24 65 25 66 26 67 27 68 28 69 29 70 30 71 31 72 32 73 33 74 34 75 35。