凸轮轴零件铣削加工毕业论文.doc

1.1 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。1.2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，寻求最好的工艺方案，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。1.3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。1.4凸轮轴加工的有关定义升程(Lift) 随动件与凸轮凸角相接触进行直线运动的总量.端部(Nose)凸轮轴的尖端，随动件升程最大处，凸轮上升曲线的最大半径与最小半径之差。我们给定代号为h，单位是毫米。基圆(Base circle)凸角上将零升程传递给随动件的区域。侧面(Flank)凸轮轴上引导至并离开凸轮轴端部的大致扁平部分。正是在该区到最大，最可能发生磨床烧伤.凹入轮廓(Re-entrant profile) NROC的另一个叫法。加工速度(Work speed) 凸轮轴在磨削中的自旋速度。横向进给量(Infeed)砂轮每刀进入凸轮轴凸角的直线量(增量)。径绿色磨削(Green grinding) 从圆棒料上磨削凸角轮廓的过程。新的砂轮技术正 转拉工艺的竞争对手。切削轮在精磨前粗切凸角轮廓。接触弧(Arc of contact) 砂轮和凸轮轴凸角之间的接触区。该接触区对基圆、NROC及端部各不相同。当量直径(Equivalent diameter) 表示接触弧的一个值，从砂轮直径以及不断变化的加工(凸角)直径中推导而来。上升曲线凸轮上升的起点到最高点的弧线称为上升曲线下降曲线凸轮下降的最高点到最低点的弧线称为下降曲线升角从凸轮的上升起点到最高点的角度，即上升曲线的角度。我们定个代号为。降角从凸轮的最高点到最低点的角度，即下降曲线的角度。代号为1。降距凸轮下降曲线的最大半径与最小半径之差。代号为h1。导程即凸轮的曲线导程，就是假定凸轮曲线的升角（或降角）为360时凸轮的升距（或降距）。代号为L，单位是毫米。第二章 凸轮轴零件分析2.1 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。2.2轴的要求2.2.1 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。2）止推面对于支承轴线的垂直度。3）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。4）凸轮的位置精度。5）凸轮的形状精度。2.2.2 以发动机该凸轮轴为例具体说明（如图）1）支承轴颈 两个支承轴颈的外圆尺寸43.85 mm表面粗糙度Ra0.4 m.。各部分的倒角都为C2。凸轮轴长208，属细长轴。2）凸轮凸轮基圆尺寸R15.50.05，表面粗糙度Ra0.8 m。凸轮上的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铰。3）轴上油壁孔轴上油壁孔尺寸为8 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6mm的半圆，表面粗糙度要求为3.2。 第三章 凸轮轴零件工艺规程设计3.1凸轮轴的概念凸轮轴大家应该不会陌生，我们经常听到的气门、气门正时皮带、正时链条等等都跟它有着紧密的关系，气门室正是它的栖身之地。现在市面上的车大多都是双顶置凸轮轴(DOHC)设计，也就是说有两根凸轮轴。一根负责进气气门的开闭，一个负责排气气门的开闭。 凸轮轴的名字是因为它的模样而定，有很多凸起的部位。这些凸起的部位作用是推动气门(俗称滑佬)开启，当转到凸起部分时将会把气门顶起，此时气门将属于开启状态。气门的闭合动作则是凸轮轴的凸起部分离开气门后，利用气门弹簧(俗称弹弓)的作用力来完成的。一般标准的凸轮轴在自转240度后，便可以使气门完成一次开合过程，也会用这个度数的大小来界定是否属于高角度凸轮轴。凸轮轴是上有若干个桃形凸轮的轴，是配气机构最关键的零件。它的功用是控制各缸气门的适时开启和关闭，同时驱动汽油泵、机油泵和分电器等附件工作。凸轮轴由进气凸轮、排气凸轮、轴颈、驱动机油泵和分电器的齿轮及推动汽油泵摇臂的偏心轮制成一体。凸轮的个数一般等于气门的个数，凸轮在轴上的分布位置，是由发动机的工作顺序所决定的。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（如图）。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。所以对于凸轮轴的质量要求就非常高了，但目前有很多的公司将凸轮轴制作不好，主要还是在很大一部份上是没有把核心技术吃透，当然我不否机床存在部份因素，但最主要还是要制作出标准的母凸轮3.2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。3.3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。图所示是三菱 发动机使用的凸轮轴。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）。在国外，冷硬铸铁凸轮轴多用于凸轮承受随动件高负荷的场合，这在英国较为普遍，可淬硬的低合金铸铁凸轮轴多用于凸轮承受随动件低负荷的场合，这在美国较为普遍，高合金铸铁和特殊合金铸铁凸轮轴则多用于高速发动机。对于钢凸轮轴，一般是选用中碳钢和渗碳钢经热模锻制坯。就毛坯精度来说，铸件的精度明显的高于锻件。目前，国内外普遍趋向于精铸和精锻。鉴于此，凸轮轴选用50Mn材料毛坯由精锻而成。5凸轮轴的传动 凸轮轴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。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。顶置式凸轮轴结构中比较多见的是用一个塑料齿条链连接。这个齿条链位于发动机机油腔外，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对齿轮传动，如果传动齿轮直径过大，可以再增加个中间惰轮。为了啮合平稳并降低工作噪声，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。6凸轮轴的故障 凸轮轴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。（）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。（）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。（）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。7凸轮轴改装 为了提升汽车发动机的动力，有些汽车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（HiCAM）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。3.4凸轮轴的应用汽车发动机工作原理汽油发动机的目的在于将汽油转换为运动，以便汽车能够开动。 目前将汽油变成运动的最简单方法是在发动机中燃烧汽油。 因此，汽车发动机是一种“内燃发动机”燃烧发生在内部。 需要注意两件事情： 有多种不同的内燃发动机。 柴油发动机是一种，燃气轮机是另外一种。 参见有关HEMI发动机、转子发动机和二冲程发动机的文章。 每种发动机都有自己的优缺点。 还有一种外燃发动机。 老式火车和蒸汽轮船中的蒸汽机是外燃发动机。 在蒸汽机中，燃料（煤、木柴、石油等）在发动机外部燃烧并产生蒸汽，由蒸汽在发动机内部形成运动。 内燃机的效率比外燃机高出许多（每公里消耗的燃料更少），而且内燃发动机比同等功率的外燃发动机要小巧很多。 福特和通用这些公司之所以不使用蒸汽机，原因也在于此。 Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 典型汽车发动机的内部构造 当前几乎所有汽车都使用往复式内燃发动机，因为这种发动机具有以下优点： 相对高效（与外燃发动机相比） 相对廉价（与燃气轮机相比） 相对来说易于加注燃料（与电动汽车相比） 这些优点使得其成为驱动汽车的首选技术。 为了了解往复式内燃发动机的工作原理，对“内部燃烧”的工作方式有一个直观的认识十分有帮助。 加农炮是一个很好的例子。 您可能在电影里看到过它们，士兵们向炮中填入火药和炮弹，然后点着它。 这就是我们说的内部燃烧，但是很难想象发动机是如何完成这些过程的。 内部燃烧土豆加农炮的基本原理与所有往复式内燃发动机完全一致： 如果将一点儿高能燃料（例如汽油）放在一个小的密闭空间中并点燃它，它将以气体膨胀的形式释放出巨大能量。 可以使用这些能量将土豆抛出150米远。 在这个例子中，能量被转换为土豆的运动。 也可以使用这些能量完成更有意思的工作。 例如，如果可以建立一个循环，使得在每分钟内可以进行数百次爆炸，然后将能量用于有意义的事情，现在您已经接触到了汽车发动机的核心秘密！ 目前几乎所有汽车都使用四冲程燃烧循环来将汽油转化为运动。 四冲程方式又称作“奥托循环”，以此纪念1867年发明它的尼克劳斯奥托 (Nikolaus Otto)。这四个冲程如图1所示。 它们分别是： 进气冲程 压缩冲程 燃烧冲程 排气冲程 循环过程 在图中，可以看到称作“活塞”的装置，它取代了土豆加农炮中的土豆。 活塞通过连杆连接到曲轴。 当曲轴旋转时，它的作用相当于“让加农炮复位”。 在发动机的循环过程中会发生如下事情：Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 典型汽车发动机的内部构造1. 活塞开始时位于顶部，排气门打开，然后活塞向下运动，在发动机的气缸中充满空气和汽油的混合物。 这便是吸气冲程。 此时，只需要在空气中混合最少量的汽油即可。 （图中部分1） 2. 然后，活塞向上返回以压缩燃油/空气混合物。 压缩过程使得爆炸更具威力。 （图中部分2） 3. 当活塞到达其冲程的顶部时，火花塞发出一个火花，点燃汽油。 气缸中的汽油爆炸，推动活塞向下运动。 （图中部分3） 4. 在活塞到达其冲程的底部后，排气门开启，废气被排出气缸并进入排气尾管。 （图中部分4） 现在，发动机准备进行下一次循环，再次吸入空气和汽油。 注意，内燃发动机输出的运动是旋转运动，而土豆加农炮产生的运动是线性运动（直线）。 在发动机中，活塞的线性运动转化为曲轴的旋转运动。 而旋转运动非常好，因为我们正好打算通过它让车轮转起来。 发动机的核心是气缸和在气缸内部上下运动的活塞。上面介绍的发动机只有一个气缸。大多数割草机属于这种情况，但是大多数汽车都有多个气缸（通常有四个、六个或八个气缸）。在多缸发动机中，气缸的排列方式通常有三种： 直列式、V型或卧式（也叫水平对置式），如下图所示 图2. 直列式气缸按直线排成一排。 图3. V型气缸按一定角度排成两排。 图4. 卧式气缸在发动机的相对两侧排成两排。 各种配置方式在平滑性、制造成本和外形特征方面均各有利弊。 这些优点和缺点使它们分别适合某些特定车辆的要求。其他发动机部件如图：Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 内燃式发动机气门机构由气门以及开合气门的机构组成。 开合系统称作凸轮轴。 凸轮轴上有凸轮，可以向上和向下移动气门。 图5. 凸轮轴 大多数现代发动机都有称为顶置凸轮轴的机构。 也就是说，凸轮轴位于气门上方（如图5 所示）。凸轮轴上的凸轮直接控制气门，或者通过一个很短的连杆控制气门。 老式的发动机使用的凸轮轴位于曲轴附近的油槽中。 使用横杆将下方的凸轮连接到位于气门上方的气门挺杆。 这种方法使用的运动零件较多，并且会导致凸轮激活气门的动作大大滞后于气门的后续运动。 使用正时皮带或正时链条将曲轴与凸轮轴联系在一起，以便气门与活塞保持同步。 凸轮轴的连接方式使得它的转动速度是曲轴的一半。 许多高性能发动机的每个气缸有四个气门（两个进气门，两个排气门），这种布置方式需要为每组气缸提供两个凸轮轴，因此称作“双顶置凸轮轴”。 汽车凸轮轴响故障排除分析现象：1)发动机怠速运转时响声轻微而清晰，低速时出现沉重而有节奏的“嗒嗒”声，中速时响声明显，高速时响声模糊而不清。2)发动机中速时从缸体凸轮轴侧发出钝重响声，高速时响声混浊不清。3)单缸断火试验时响声不变。4)凸轮轴轴承附近有振动。原因：1)使发动机在声响最强状态下运转，用起子在缸体处触及各轴承附近部位听诊，若某处声响较钝并伴随有振动，则为凸轮轴该节轴承发响。2)进行断火试验声响无变化，缓慢变换节气门，若怠速声响清晰，中速时声响明显，高速时声响由杂乱变弱，则为凸轮轴轴向间隙过大或轴承松动。3.5凸轮轴工艺分析传统制造整体式凸轮轴所用的加工设备和方法成本高，改进凸轮轴的制造工艺，提高生产效率，降低生产成本很有必要。装配式凸轮轴是近20年来的开发的新型内燃机零件，它与铸造或锻造整体式的凸轮轴相比，具有质量轻、加工成本低、材料利用合理等优点；可将凸轮宽度减小，并排练紧凑，可以降低汽车的成本、减轻发动机的质量、提高发动机的性能。目前，世间上许多汽车制造厂家越来越多地生产装配式凸轮轴并用于高性能发动机上。因此，了解装配式凸轮轴的生产工艺及应用，对促进我国汽车产业向高精度、高效率、低成本、高柔性的方向发展具有重要意义。1、传统整体式凸轮轴工艺流程及主要问题1.1传统整体式凸轮轴工艺流程毛坯毛坯检查铣断面，钻中心孔，车轴颈粗磨轴颈钻油孔道，扩铰球座孔，扩螺纹底孔，攻丝，倒角，钻轴颈油孔粗磨凸轮清洗凸轮表面淬火校直精磨油颈精磨凸轮磁粉探伤精车止推面磷化抛光油颈止推面清洗检测轴颈和跳动压装钢球及定位销。1.2传统整体式凸轮轴存在的主要问题（1）配气机构对凸轮轴各个部分的性能要求有很大不同：凸轮要求耐磨损、乃胶着、耐点蚀；轴颈要求滑动性好；芯轴要求刚性、弯曲、扭转性能好。传统凸轮轴很难满足上述要求，材料利用也不尽合理。（2）传统整体式铸造或锻造生产模式很难制造出凸轮密布排列的紧凑结构。（3）传统方法制造凸轮轴需要大量的机械加工工序，耗费大量的机械加工工时，机床、刀具、夹具、操作人员和作业面积较难有新突破。(4)传统加工需对凸轮表面进行耐磨性强化处理，是对整体式凸轮轴进行的并伴有的变形多数用人工校直，费时费力不宜保证精度。（5）凸轮表面的机械加工较难进行，也是影响加工质量的重要因素。传统方法制造凸轮轴，不仅使大量的才来哦变成废屑，生产效率低、材料消耗与能源消耗大，自动化水平低。在降低零件重量方面也难有作为。3.4.1装配式凸轮轴制造工艺 装配式凸轮轴亦称组合式轮轴，是将凸轮轴分解成凸轮、芯轴、轴颈等可装配件。分别进行材料优化及精益加工后，再组装成凸轮轴的新型组合设计与现在制造模式。目前，大部分发动机制造企业都采用整体式凸轮轴，其材料有的采用中碳低合金锻钢（经高频淬火），有的采用球墨铸铁。整体式凸轮轴加工工艺包括粗加工、半精加工和精加工。生产中采用自动线多工位机床，设备投资较大，生产线占地面积多，生产成本较高。而装配式凸轮轴只需半精加工和精加工，凸轮、齿轮、轴套可采用不同的材料，因此产品质量可减轻3050；可柔性化生产，设备投资小，生产线占地面积少，生产成本较低。 目前，大部分发动机制造企业都采用整体式凸轮轴，其材料有的采用中碳低合金锻钢(经高频淬火)，有的采用球墨铸铁。整体式凸轮轴加工工艺包括粗加工、半精加工和精加工。生产中采用自动线多工位机床，设备投资较大，生产线占地面积多，生产成本较高。而装配式凸轮轴只需半精加工和精加工，凸轮、齿轮、轴套可采用不同的材料，因此产品质量可减轻3050；可柔性化生产，设备投资小，生产线占地面积少，生产成本较低。1 装配式凸轮轴工艺流程 装配式凸轮轴工艺流程为校直加工两端面中心孔、螺纹孔、驱动孔(2台加工中心并行加工)车轴颈、齿轮毛坯、前止端面及导向轮毂磨轴颈及导向轮毂滚齿压销磨凸轮(3台磨床并行加工)凸轮淬火去毛刺校直轴颈凸轮轴颈及凸轮抛光清洗综合检测。与传统凸轮轴加工的方法相比，装配式凸轮轴加工的优势见表。 装配式凸轮轴内凸轮、轴套、偏心环、齿轮等零部件先后联成完整凸轮轴。装配过程是人工将所有凸轮轴组装。部件包括凸轮、主轴颈、齿坯放到安装上料盒中，钢管穿到各部件孔中，在安装上料盒中进行初定位。启动设备后，该上料盒进入设备中，首先用工装测头进行部件到位检测，并验证凸轮放置位置是否正确。验证通过后，使用机械手将凸轮轴上料到凸轮轴压球工位，然后各部件定位块启动以精确定位凸轮、轴颈、齿轮。到位后同时夹紧各部件，并伸出顶杆将直径超过管子内径的钢球穿过整个钢管内径，钢管外的凸轮轴部件在受到钢管膨胀伸展作用力下和钢管相互弹性变形最终形成装配式凸轮轴，这种凸轮轴组合工艺称为管内滚压扩张法。2 凸轮轴装配工艺方法21 热套法 常温下，外部零件的孔和内部钢管的外径之间有过盈，装配之前先对外部零件(凸轮、轴套)进行加热，对内部钢管进行冷却，借以消除过盈。这种工艺方法在短暂时间内完成联接过程，在轴向尺寸和角度位置方面都有很高精度。22 内部高压成形法(IHU) 已经淬硬的凸轮圈与利用内部的高压力，使钢管变形形成轴向联接。通过在凸轮旁将钢管材料往外压出110 mm左右而达到凸轮的轴向定位。这种IHU工艺制成的装配式凸轮轴已成功应用在奥迪公司2003年投入批量生产的V6TDI轿车柴油机中。IHU装配式凸轮轴是由壁厚为25 mm或30 mm精密钢管上安装等温淬火的凸轮和钢管堵头组成。 整个周长上等壁厚的凸轮被置入一台专门的设备中，这台设备可保证轴向对准凸轮中心线和凸轮转角位置。钢管穿过如此定位好的凸轮推入，一台真空抓取机将预先定位好的各个零件放到带IHU工具的液压机上，IHU工具的模腔形状正好与制好的毛坯轴的外形轮廓相一致。将液体介质注入管内后，钢管两端用轴向塞头封死。通过将管内压力提高，使整个钢管发生塑性变形，直到贴合在IHU工具上。此时，钢管和凸轮之间接产生了力联接和形状联接。23 管内滚压扩张法 利用滑动滚压原理使得薄壁钢管在带孔的外部零件中发生局部的扩张。可以利用带有滚压过盈量，穿过内管的滚压工具，使内管发生塑性扩张。上海通用汽车有限公司发动机装配式凸轮轴就采用钢球在钢管内部扩张方式。24 凸轮压力套装定位法 这种工艺首次在钢管外面滚压加工出圆周方向的槽子，凸轮的孔内加工出轴向的线槽，然后从轴向将加工好的凸轮套上钢管并推入，由于钢管外径和凸轮孔之间有过盈，所以当凸轮推入到钢管上面以后就会发生塑性变形，钢管表面和凸轮孔都有一些锥度，推入之后非常牢固。蒂森克虏伯集团在大连的装配式凸轮轴的装配工艺就是采取这种方法。3 装配式凸轮轴制造工艺特点 a省略了毛坯件粗加工，工艺流程简单。装配式凸轮轴的各个零件加工余量小，精度高，不像整体式凸轮轴要从毛坯件(铸件或锻件)开始进行大量的毛坯粗加工和繁杂的工艺后，才能达到所要求的形状。装配式凸轮轴只需要在装配后进行半精加工和精加工，从而缩短了整个工艺流程。 b加工余量小，便于高效率生产。各凸轮采用精铸部件，因而加工余量小。设备加工单件时间短，产能高，有利于规模化生产。如凸轮按最终形状精铸，减少了磨削余量，从而缩短了磨削时间。 c不同的零件可使用不同的材料，以提高产品性能和加工性能。发动机对不同零件(轴套、凸轮、齿轮)有着不同的性能要求，装配式凸轮轴可在不同零件上采用不同材料。如凸轮采用粉末冶金或铸钢，凸轮轴采用冷拔钢管。这不仅有利于优化产品性能，也有利于改善凸轮轴加工性能和优化成本。 d适应产品多品种柔性化要求。通过更换不同的轴颈和磨削不同的凸轮型线即可生产出多品种的凸轮轴。该系列产品的基本参数是一致的，包括轴颈、凸轮基圆半径、钢管直径、轴方向、长度间距等，生产线只需通过更换安装盒中的轴颈模具和切换磨床程序即可。4 装配式凸轮轴加工工艺发展方向 a柔性化的生产线布局。生产线布置采用单元自动化模块。单元内有龙门架式机械手上、下料，在瓶颈单元内预留位置便于扩展。单元问输送可采用自动化或人工运输，这样有利于生产线开动率的提高。 b柔性化的产品。凸轮轴的材料和结构可根据产品设计需要灵活变化，以更多地满足市场要求，通过轴颈和凸轮型线的变化提供多品种产品。 c高速磨削、高速磨削CBN(氮化硼)工具的使用。可以大幅度提高磨削效率，减少设备使用台数。磨削力小，零件加工精度高，工件表面粗糙度降低。砂轮寿命延长，生产成本降低。 d多砂轮磨削和两个砂轮头架的使用。在提高砂轮转速的同时采用多砂轮磨削是另一种减少加工节拍的方法，如多砂轮磨削凸轮的同时磨轴颈外径，一台磨床使用两个砂轮头架同步加工凸轮等。 e在线量仪的使用。为保证尺寸稳定性，装配式凸轮轴加工的关键设备越来越多地使用在线检测自动补偿功能。 f粉末冶金等材料的使用。 g工序集中方式加工。该方式就是将车、铣、钻、磨削的工序内容分别集中在一起，采用柔性设备组成的制造单元集中式加工。这样，将最大限度地减少工件装夹次数和上下料输送等辅助时间，有利于减少误差和提高生产效率。 h设备单元可采用双主轴或双机床来减少加工节拍，如一个磨削单元可组合两台磨床，共用一套控制系统，并通过内置的龙门架式上下料装置输送工件。与采用两台独立的机床相比，不但节省了设备费用，而且大大减小了占地面积，并且每台磨床可使用多主轴完成磨床组合。车床和加工中心也都可以采用双主轴的方式来提高效率。蒂森克虏伯集团在大连建立了装配式凸轮轴工厂，为发动机制造企业提供装配式凸轮轴。 采用装配式凸轮轴，发动机性能得到提高，明显改善了燃油经济性，降低了排放，减少了振动，同时也降低了制造成本。目前，装配式凸轮轴已越来越受到发动机制造企业的欢迎。3.6夹具的设计凸轮轴是发动机配气系统中极为重要的零件，其各项性能也成为制约发动机的工作的主要因素之一。为提高凸轮轴的性能，各发动机制造企业在设计和加工工艺方面采取了一系列措施，如：零件的结构、尺寸；零件毛坯的选材与热处理工艺经过了诸多措施的实施，汽车凸轮轴各项性能较从前来说有了质的飞跃，但新问题应运而生：凸轮轴的加工难度大大增加，这对生产厂家的专业化程度无疑是一个严峻考验。 目前，大部分发动机制造企业都采用整体式凸轮轴，其材料有的采用中低碳合金锻钢（经高频淬火），有的采用球墨铸铁。整体式凸轮轴加工工艺包括粗加工、半精加工和精加工。生产中采用自动线多工位机床，设备投资较大，生产线占地面积多，生产成本较高。对此，有相当一部分设计者提出了“装配式凸轮轴”。装配式凸轮轴，就是将原本整体化的凸轮轴设计分解为由若干零件装配的凸轮轴部件。实践证明，该设计方案降低了加工难度，但对改造后的凸轮轴各零件间存在间隙，并且在装配时会因各种因素而产生误差，因此，装配式凸轮轴方案不能为广大发动机制造商所采纳。此后，众多设计人员开始把目光转向提高整体式凸轮轴加工的效率。由于传统的凸轮轴加工采用磨削，因此，四坐标凸轮轴磨床、CBN砂轮，凸轮轴CBN磨削技术相继诞生。而这些技术均围绕着一个中心：专用机床。 事实证明，专用机床较普通机床在价格上相差许多。机床的科技含量越高，其价格就越昂贵，这实际是提高了其加工产品的成本。 在综合分析凸轮轴加工技术的领域知识及信息需求与处理需求的基础上，1.以仿形加工为平台，通过分析设计提出了改变汽车凸轮轴的凸轮部位传统加工方式，采用专用夹具配合数控铣床加工，从而降低了凸轮轴的生产成本。2.提出数控机床加工过程中的“人机配合”，在编程时将手动控制考虑在加工过程中，大大降低了对数控编程及机床硬件配置的要求。专用夹具的设计与开发、数控机床手动元件在数控加工过程中的充分利用等将是今后继续研究的方向。1车轴凸轮轴夹具设计2铣削凸轮夹具设计平面凸轮零件是数控铣削加工中常见的零件之一，其轮廓曲线组成不外乎直线圆弧、圆弧?圆弧、圆弧非圆曲线及非圆曲线等几种。加工中心所用数控机床多为两轴以上联动的数控铣床。加工工艺过程也大同小异。下面以平面槽形凸轮为例分析其数控铣削加工工艺。 1零件图样工艺分析 图样分析主要分析凸轮轮廓形状、普通车床尺寸和技术要求、定位基准及毛坯等。 材料为铸铁，切削加工性较好。 该零件在数控铣削加工前，工件是一个经过加工、含有两个基准孔、直径为巾280mm、厚度为18mm的圆盘。圆盘底面且及手35C7和412H7两孑L可用作定位基准，无需另作工艺孔定位。 凸轮槽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。凸轮槽内外轮廓面对A面有垂直度要求，只要提高装夹精度，使A面与铣刀轴线垂直， 加工中心即可保证；手35G7对上面的垂直度要求已由前工序保证。 2确定装夹方案 一般大型凸轮可用等高垫块垫在工作台上，然后用压板螺栓在凸轮的孑L上压紧。外轮廓平面盘形凸轮的垫块要小于凸轮的轮廓尺寸，不与铣刀发生干涉。对小型凸轮，一般用心轴定位、压紧即可。 凸轮的结构特点，采用“一面两孑L，定位，设计一“一面两销”普通车床专用夹具。用一块320mmX320mmx40mm的垫块，在垫块上分别精镗，少35mm及412mm两个定位销安装孔，孔距为800015mm，垫块平面度为005mm，加工前先固定垫块，使两定位销孔的中心连线与机床的X轴平行，垫块的平面要保证与工作台面平行，并用百分表检查。 凸轮零件的装夹方案示意图。采用双螺母夹紧，加工中心提高装夹刚性，防止铣削时振动。 3确定进给路线 进给路线包括平面内进给和深度进给两部分路线。对平面内进给，对外凸轮廓从切线方向切人，对内凹轮廓从过渡圆弧切人。在两轴联动的数控铣床上，对铣削平面槽形凸轮，深度进给有两种方法：一种方法是在XZ(或YZ)平面内来回铣削逐渐进刀到既定深度；另一种方法是先打一个工艺孑L，普通车床然后从工艺孔进刀到既定深度。 本例进刀点选在户(150，0)，刀具在r15及r十15之间来回运动，逐渐加深铣削深度。当达到既定深度后，刀具在XY平面内运动，铣削凸轮轮廓。为保证凸轮的工作表面有较好的表面质量，采用顺铣方式，即从户(150，0)开始，对外凸轮廓，按顺时针方向铣削，对内凹轮廓按逆时针方向铣削。加工中心即为铣刀在水平面内的切人进给路线。 4选择刀具及切削用量 铣刀材料和几何参数主要根据零件材料切削加工性、普通车床工件表面几何形状和尺寸大小选择；切削用量是依据零件材料特点、刀具性能及加工精度要求确定。通常为提高切削效率要尽量选用大直径的铣刀；侧吃刀量取刀具直径的三分之一到二分之一，背吃刀量应大于冷硬层厚度；切削速度和进给速度应通过试验选取效率和刀具寿命的综合最佳值。精铣时切削速度应高一些。 本例零件材料(铸铁)属于一般材料，加工中心切削加工性较好，选用批8mm硬质合金立铣刀，主轴转速取150235rmin，进给速度取3060mmmin。槽深14mm，普通车床铣削余量分三次完成，第一次背吃刀量8mm，第二次背吃刀量5mm，剩下的1mm随同轮廓精铣一起完成。凸轮槽两侧面各留0507mm精铣余量。在第二次进给完成之后，检测零件几何尺寸，依据检测结果决定进刀深度和刀具半径偏置量，分别对凸轮槽两侧面精铣一次，达到图样要求的尺寸。传统的盘形凸轮设计主要有图解法和解析法，加工方法有手工画线加工和数控铣削加工，大批量生产亦可采用仿形铣。图解法直观、简单，但是手工作图选取的等分数有限、精度差。以此为基础的手工画线加工的精度和加工表面精度都比较低。解析法设计虽然解决了凸轮精度问题，但要得到完整的凸轮轮廓曲线就要编制复杂的程序。尤其在滚子推杆盘形凸轮设计中，对于理论轮廓曲线的等距线的编程更为复杂，以此为基础的数控铣床加工也就同样存在着编程复杂的问题。因此它的应用也就受到了很大的限制。利用CAD软件的强大作图功能，可以十分方便地进行凸轮的廓形设计，精度好效率高。本文介绍了利用CAXA系列CAD/CAM软件及图解法进行盘形凸轮的设计与加工。 1 盘形凸轮CAD CAXA-电子图板（下称EB）是一个通用的二维CAD软件，它有一个很好的功能-画公式曲线，只要在公式曲线的对话框中填入曲线公式及相关参数就可以画出曲线。这样就可以很容易地完成凸轮廓形曲线的设计，而无需任何形式的语言编程。下面介绍作图法设计盘形凸轮的过程，其中的所有作图过程完全是在EB上交互作图完成。 已知推杆运动规律S、最大行程h或max以及升程许用压力角1和回程许用压力角2，用作图法设计盘形凸轮轮廓有两个步骤:先要确定凸轮基圆半径r0，然后再求凸轮轮廓廓形。 11 盘形凸轮基圆半径的确定 111 直动推杆盘形凸轮的最小基圆半径 首先在直角坐标系中作曲线C X=S Y=dS/d 其中S=S()，为凸轮转角。此曲线可用EB的公式曲线功能来实现。 其次作两条直线与X轴成升程许用压力角1和回程许用压力角2，且与所作曲线相切，则有交点A，那么就有OA=r0min，如图1所示。图1中阴影部分为凸轮回转中心的可行区。以此为基础将偏心距e及OA进行圆整，就可确定基圆半径，即取r0=OA1 112 摆动推杆盘形凸轮的最小基圆半径 由文献1可知，先在直角坐标系中作曲线C1 X=cos Y=sin 且 =L(1+d/d) =,其中摆杆的摆角=()，L为摆杆的长度。 如图2所示，用EB的圆形阵列画法过O点在最大摆动角max做N条等分射线，与曲线的推程和回程段分别交于D、C点。再过D点做直线mm与直线OD成角（=90-1），过C点做直线nn与直线OC成1角(1=90-2)，则图2中的阴影部分为凸轮回转中心的可行区，且O1A =r0min。以此为基础将O1A及中心距a进行圆整，就可得到基圆半径r0=O2A。 12 设计凸轮轮廓曲线 当确定了凸轮基圆半径r0，并已知推杆运动规律及盘形凸轮轮廓曲线的解析公式1，就可用EB中的公式曲线功能来画出凸轮轮廓曲线。 121 直动滚子推杆盘形凸轮设计 先作出滚子中心的理论轮廓曲线。 X=(S0+S)sin+ecosY=(S0+S)cos+esin 其中， 因为工作廓线与理论廓线在法线方向的距离处处相等，且等于滚子半径。那么工作廓线为理论廓线的等距线。为了确定滚子半径rr，用三点画圆的画法在理论轮廓曲线曲率最大的位置取三点求出min，使rr=0.8min。这样一来，在EB中作出理论廓线，再用EB中的画等距线的功能画出工作廓线（距离为rr），则完成了该凸轮的轮廓曲线设计。 122 对心平底推杆（平底与推杆轴线垂直）盘形凸轮设计 根据反转法作图法可知，推杆平底与凸轮切点的轨迹为凸轮的轮廓曲线。此时，平面凸轮机构压力角与凸轮的基圆半径及从动