汽车发动机凸轮轴的主要机械加工工艺设计 副本.docx

毕业设计(论文)汽车发动机凸轮轴的主要机械加工工艺设计教学单位:机电工程学院专业名称:机械设计制造及其自动化学 号: 学生姓名:指导教师:指导单位:完成时间:III汽车发动机凸轮轴的主要机械加工工艺设计摘 要凸轮轴作为发动机的重要组成部分，对其配气功能有着举足轻重的作用。 当发动机工作运转的时候，凸轮轴负责控制进排气门的开合和开合量，但是由于工作时转速比较高，需要承受的扭矩的比较大，所以对凸轮轴的强度和支撑力的要求也比较高，因此在材质的选择上必须满足凸轮轴对强度等性能的要求。凸轮轴作为一个重要的零部件，它的改进和发展对汽车发动机的配气性能的提高和进步意义重大。 本课题选取直列四缸顶置气门式发动机F3000，对它的凸轮轴加工工艺进行分析与设计，而工艺路线的拟定是工艺规程制定中的关键阶段，是工艺规程制定的总体设计。撰写一条合理科学的工艺路线，既可以保证加工质量和生产效率，也可以有效合理的安排工人、设备、工艺装备，最终有利于降低整个生产周期和生产成本。所以，本次设计是在仔细分析凸轮轴零件加工技术要求及加工精度后，合理确定毛坯类型，经过查阅相关书籍、手册、图标、标准、等技术资料，确定工艺的机械加工余量、工序尺寸及公差，最终定制凸轮轴零件的加工工序卡片。关键词: 发动机；凸轮轴；工艺设计The Main Machining Process Design Of The Automobile Engine CamshaftAbstractThe camshaft as an important part of engine, has a pivotal role on its distribution. When the engine running at work, camshaft is responsible for controlling the exhaust opening and closing and opening and closing of the door, however, because of the high speed in the work, it needs to bear large torque and also has a high strength and support of the camshaft. On the choice of the material must meet the requirements of camshaft on the strength of performance. The camshaft as an important component, its improvement and development is of great significance.In this paper, the camshaft of the OHV engine processing technology for analysis and design. operational path routing is the key stage and general design. Write a reasonable scientific process route are have many advantage. This design is the careful analysis of CAM shaft parts processing technical requirements and processing accuracy, reasonable blank type, after consulting related books, manuals, ICONS, standards, technical data, determine the process of machining allowance, process dimension and tolerance, and customize the camshaft parts machining process card finally.Keyword: Engine; Camshaft; Process Design目 录1 概 述12 确定凸轮轴的加工工艺过程42.1 凸轮轴的作用和分类42.2 凸轮轴传动与工作条件52.3 凸轮轴的结构及其特点52.4 凸轮轴的主要技术要求分析62.5 凸轮轴的材料和毛坯的确定72.6 凸轮轴的机械加工工艺过程72.7 凸轮轴的机械加工工艺路线83 凸轮轴的机械加工工艺过程分析103.1 凸轮轴的机械加工工艺特点及分析103.2 凸轮轴主要加工工序分析113.2.1 铣凸轮轴两端面，钻中心孔113.2.2 主轴颈的加工113.2.3 凸轮轴颈的加工113.2.4 凸轮轴颈的加工124 机械加工余量、工序尺寸及公差的确定144.1 凸轮轴主要加工表面的工序安排144.2 机械加工余量、工序尺寸及公差的确定144.2.1 凸轮轴主轴颈工序尺寸及公差的确定144.2.2 凸轮轴小外圆序尺寸及公差的确定154.3 凸轮轴机械加工工艺过程卡片的制定155 总结与展望18参考文献19致 谢20III 1 概 述凸轮轴是发动机上的一个的旋转机件，它的运动对于发动机有极其重要的作用，在发动机工作循环中，它合理地控制进排气门的开启、关闭，使经过压缩的燃油混合气充分燃烧，推动活塞运动做功，然后将废气排出燃烧室 。凸轮轴主要有两个重要的加工部位:主轴颈和凸轮。凸轮轴轴颈，主要是通过轴承与发动机接触，其表面有着足够高的精度、足够的刚度、较小的表面粗糙度以及良好的耐磨性，技术要求复杂而且比较高。而另一个重要的加工部位是凸轮，它更是决定着凸轮轴的质量。凸轮轴只是发动机的其中一个部件，发动机的机体另外还由气缸体、气缸盖、曲轴箱等组成，发动机各机构和各系统也是以发动机机体为基础安装的，发动机机体的内、外则是安装着发动机的所有主要零件和附件，承受各种载荷。气缸体是发动机的框架，材料一般用灰铸铁制造，气缸体里面放置有活塞、曲轴等许多零部件，另外还有加强筋、润滑油道等结构。曲轴箱是放置曲轴的空腔部件，其中分为上下两部分，上曲轴箱在铸造的时候就跟气缸体就是一体的，下曲轴箱的功能更，能够存放润滑 油，分隔上曲轴箱，由于它受力小所以下曲轴箱厚度薄，形状不一，可根据发动机的结构和汽油量灵活变动。气缸体的上面就是气缸盖安装的位置，从上部密封气缸并构成燃烧室。由于气缸盖所处的特殊位置，所以气缸盖不得不承受气体力和紧固气缸螺栓所造成的机械负荷，同时还由于与高温燃气接触而承受很高的热。 汽车经100多年来的不断改进、创新，凝聚了人类的智慧和匠心，最后才发展成现在的样子。而作为汽车的心脏发动机的重要零件，凸轮轴也经过漫长的发展过程成为现在的样子。在过去凸轮轴大多是由铸造以及锻造生产，个别也有用碳钢切削加工制造。铸造式凸轮轴主要有冷硬铸铁、淬火铸铁等。为了减轻重量，有些凸轮轴采用型芯铸造，使轴呈空心状。在不同的国家所采用凸轮轴种类也不同，日本使用冷硬铸铁凸轮轴较多，美国使用淬火铸铁凸轮轴较多。近年为提高发动机性能，出现了重融冷硬铸铁、淬火球墨铸铁等多种形式的凸轮轴，但由于性价比较低等诸多因素影响并没有广泛使用。锻造式凸轮轴以碳钢为主进行热锻，凸轮部分采用高频淬火处理，主要应用于大中型发动机上。由于其耐点蚀性能较好，多与气门顶置式(OHV)机构的挺杆组合使用，也有与摇臂配合应用于柴油发动机凸轮上置式(OHC)结构上。由于锻造式凸轮轴无法实现轻量化，发展潜力较小。铸造凸轮轴生产工艺为冷激铸铁。冷激铸铁产品，欧美国家早在上世纪二十年代初已经开始研制，广泛推广于上世纪六、七十年代，八十年代技术完全成熟。冷激铸铁产品以其低成本、高性能的显著特点，广泛应用于内燃机上。在国外，内燃机行业中有43%47%汽油机、柴油机采用冷激铸铁作为凸轮轴材料，冷激铸铁普遍作为凸轮轴材料以其低成本、高性能的显著特点，得到了广泛的应用。冷激铸铁凸轮轴的性能及应用 冷激铸铁由于具有高硬度的碳化物组织而具有良好的抗磨性和抗擦伤性。冷激铸铁中的白口层是莱氏体组织，在常温下是珠光体和碳化物的机械混合物，由于含有大量的碳化物，它起一个骨架作用。硬度较高，而莱氏体中的球光体起到储油作用。冷激铸铁凸轮轴是在HT25基础上加入一定量的合金元素，经过特殊的铸造成型工艺铸造而成。合金元素的加入提高了凸轮轴基体硬度和综合机械性能，大大提高耐磨性。冷激铸铁凸轮轴的机械性能：抗拉强度b25N/mm2；硬度HRC4854；耐磨层深度达61mm。 由于目前采用的球墨铸铁和45#钢采用等温淬火或高频淬火获得马氏体组织。高速运转后，凸轮桃尖部位出现早期磨损，而冷激铸铁采用特殊的成型工艺，不需热处理。凸轮轴各部位即能得到所需的不同硬度值。桃尖部位的磨损量仅为球墨铸铁和45#钢的1/7，同时具有降低加工成本，提高经济性等优点。为了减轻重量，凸轮轴芯铸成中空圆柱或者中空异型状成为发展趋势。中空圆柱或者中空异型状对加工设备和生产材料提出了很高的要求，如对磨床等设备的加工精度和稳定性要求很高。 作为优化整个气门驱动系统的基本要素，组合式凸轮轴的发展正成为趋势。组合式凸轮轴由精密钢管和装配于其上的凸轮节组成，而凸轮节的材料可以是钢或粉末金属材料。装配式凸轮轴的发展前景 由于传统的凸轮轴主要是铸造或锻造加工而成，各个部位金属性能相似。这种凸轮轴很难同时保证发动机配气机构对凸轮轴各个部位不同性能的要求，凸轮的排列也不可能紧凑，材料利用不尽合理，后续加工复杂，在轻量化、功能高度集中和降低成本方面难有新的突破。随着汽车轻量化发展，凸轮轴向轻量化、功能高度集中和低成本方向发展，装配凸轮轴的优势逐渐被人们认可和接受。装配式凸轮轴的轴和凸轮分开制造，然后装配在一起。凸轮一般采用碳钢或粉末冶金材料，轴颈采用粉末冶金件或集中于芯轴的钢管上，芯轴则采用冷拔薄壁无缝钢管。碳钢凸轮可进行高频淬火或渗碳处理，具有较高的耐胶着、耐点蚀性能。 在设计方面装配式凸轮轴可将凸轮宽度设计较窄，间隔亦可很小，凸轮的排列非常紧凑。它与传统凸轮轴相比具有重量轻、加工成本低、材料利用合理等优点，与实心轴凸轮轴相比，重量减轻多达45。 装配式凸轮轴的关键技术是连接方法，因其连接方法不同而决定制造工艺及设备。装配式凸轮轴始于上个世纪8年代，最先研制开发的是焊接连接式凸轮轴。上个世纪8年代中期烧结连接式凸轮轴投入使用，同期出现了扩管法生产的凸轮轴。上世纪9年代后期滚花连接式凸轮轴开始研制。随着新的连接方法的出现，装配式凸轮轴制造技术也不断地被更新。 焊接连接式凸轮轴由于焊接时容易产生热变形，使凸轮轴的尺寸精度降低，激烈的热变化也容易使焊接部位产生裂纹，质量难以保证；烧结连接式凸轮轴在进行粉末烧结成型凸轮的同时，凸轮又要在液相状态下与钢管扩散连接，此过程必须在1以上烧结炉内进行，在高温下轴容易产生弯曲，造成尺寸精度误差，而且在烧结时，对材料的性能也有限制，需要大型烧结炉，热效率不高；扩管法首先使凸轮与钢管配合，然后从管内侧加液压或机械扩管，为承受扩管内压，凸轮壁要有一定的厚度，同时，为了使扩管容易进行，必须使用薄壁钢管，且由于高压作业的特殊要求，也使其设备大型化；冷热套过盈连接法虽然在机械零件生产中被广泛应用，但在凸轮轴生产中未必合适，因为在凸轮与轴热套连接时，凸轮被加热，产生软化现象，难以保证摩擦时的耐磨性，许多凸轮在工作时，会向轴端导热，使得工作初始与完了时的连接过盈量发生变化，连接器度不能保持一致；滚花法在可靠性、精度、设备、能耗等方面都有一定的优越性。 进一步开发组合式凸轮轴的重点将在于开发材料及优化加工工艺。市场上目前正在大力开发应用复合材料，例如陶瓷材料等制造凸轮轴。马勒公司正在进行组合式凸轮轴的扩展功能研发。比如燃油泵启动件和传感器组件的集成也日渐受到青睐。SOHC凸轮轴上进气口或出气口凸轮节的同步可通过马勒CamInCam嵌套式凸轮轴来实现。 装配式凸轮轴目前以较快的速度发展，主要应用于高性能的发动机上。随着装配式凸轮轴生产技术的提高，性能会更好、成本更低、技术多样化的装配式凸轮轴将会涌现出来。随着过去10年我国汽车产业的飞速发展，发动机凸轮轴也将会进一步的发展进步，而要求也日益提高:结构紧凑、功能高度集中、重量轻，能承受更高的接触压力等等，我们应该贡献自己的力量，让我们国家的制造迈上一个崭新的台阶。2确定凸轮轴的加工工艺过程2.1 凸轮轴的作用和分类凸轮轴是活塞发动机配气机构的一部分，控制和驱动各缸气门依次开启和关闭，在发动机在工作时主要有两个作用，一是定时为汽缸吸纳新鲜的可燃混合气，二是及时将燃烧后的废气排出汽缸。采用顶置式气门和顶置式凸轮轴的发动机直接通过凸轮轴摇臂驱动气门，这样凸轮轴转速较高，同时可以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等，因此应用比较广泛。凸轮轴根据安装位置来分类，主要有下置，中置，顶置三类，下置式配气机构的凸轮轴位于曲轴箱内，中置式的凸轮轴位于机体上部，上置式的凸轮轴位于气缸盖上。底置式一般为转速较低的发动机，所以农机跟工程机械中应用比较广泛，顶置是目前发动机主流的布置方式，顶置又分为单顶和双顶，单顶置凸轮轴顾名思义就是在气缸盖上仅有唯一的一根凸根轴，没有推杆和挺杆，因此减小了配气机构的惯性力的同时也减少了气门产成颤动的倾向和系统的变形量。而且单顶置凸轮轴发动机还有另外一个特点，那就是运动质量小，从而让凸轮轮廓可以设计的比较陡一些，可以使气门的打开和关闭更为迅速，保证有充分的时间停留在全开的位置上，有利于发动机的换气，提高容积效率，这样也可同时提高发动机的性能，尤其是高速下的性能。双顶置凸轮轴就是比单顶置凸轮轴在缸盖上多安装一跟凸轮轴，第一根用于驱动进气门，第二根用于驱动排气门，省去了挺柱和推杆，使往复运动质量得以大大减小。因此普遍应用于高速发动机，但正时传动机构复杂，且为拆装缸盖造成一定困难。正因为顶置凸轮轴相对于下置，中置而言优点众多，现在大多数量产汽车的发动机配备的是顶置式凸轮轴。2.2凸轮轴传动与工作条件汽车发动机工作时，曲轴转动然后带动凸轮轴运动。曲轴与凸轮轴之间的传动方式有三种，分别是齿轮传动、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主要通过圆柱形正时齿轮的方式传动，一般从曲轴到凸轮轴只需要一对齿轮传动，也可以通过再增加1个中间惰轮，从而避免传动齿轮直径过大。而正时齿轮采用斜齿轮，可以让啮合平稳减少振动和降低工作过程中的噪声。链条传动常见于顶置凸轮轴与曲轴之间，但由于其工作可靠性和耐久性不如齿轮传动。在高转速发动机上通常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优点。对于双顶置凸轮轴，一般是由正时齿形胶带或链条由曲轴驱动排气凸轮轴，通过金属链条由排气凸轮轴驱动进气凸轮轴，又或者是进气凸轮轴和排气凸轮轴二者都由曲轴通过齿形胶带或链条驱动。凸轮轴工作条件和工作环境比较恶劣，在应力作用下凸轮轴与挺杆、气门阀杆形成摩擦副，在工作过程中承受挺杆挤压应力作用，其次受到一定的弯矩和扭矩的作用，同时又要承受周期性变化的挤压应力以及与挺杆相接处产生的摩擦的作用力，也受到周期性的冲击载荷和摩损。凸轮轴在工作过程中与挺柱配合接触面应力大，且摩擦会产生热，而散热条件不好，容易出现撕裂、刮伤、剥落以及早期的磨损等。凸轮轴的主要失效形式为疲劳失效（黏着磨损及擦伤）、凸轮磨损、表面压应力反复作用造成块状剥落和麻点等。2.3凸轮轴的结构及其特点图 21凸轮轴简图图22为凸轮轴实物图凸轮轴的主体部分就是一根轴，轴上附带有数个凸轮，正是这些凸轮的转动实现其进气排气的功能。轴的两端分别作为轴承支撑点以及与驱动轮相连接，而凸轮侧面呈鸡蛋状，鸡蛋形状的凸轮有利于实现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尽可能的吸纳新鲜的可燃混合气，并尽可能地把燃烧后的废气排出汽缸。另外基于发动机的使用寿命和运转稳定性的考虐，气门需要避免开闭动作中的加减速过程所带来的额外冲击，否则会造成气门的不可逆转的损坏、持续的噪声问题或是其它问题的生产。由于凸轮轴工作时的转动速度高，因此凸轮轴需要有很高的强度，同时又因为凸轮轴需要承受的转矩加大，所以对其可靠支撑发面要求也很高。而凸轮轴的材质主要有铸铁跟碳钢两大类。为了降低凸轮轴的质量，并提高凸轮轴的承受载荷能力，凸轮轴通常采用中空结构。凸轮轴上加工有润滑油道，为凸轮轴，摇臂轴以及摇臂等部件提供润滑。2.4 凸轮轴的主要技术要求分析图23 凸轮轴主要尺寸图1 支撑轴颈尺寸为，尺寸精度为IT6，表面粗糙度小于Ra0.60m，径向圆跳动小于0.04mm，圆柱度小于0.006mm，凸轮轴的长度公差为IT10，与中间轴颈相邻的两轴颈的颈向跳动小于0.02。2 凸轮基圆尺寸为32.80.05，表面粗糙度为Ra0.4m ，凸轮基圆相对于基准轴线的径向圆跳动小于0.04mm。3 键槽的尺寸:宽，深4mm，对称度0.03mm；键槽平面相对于前后端轴颈的基准轴线的平行度允许公差为0.02mm；键槽侧面表面粗糙度Rz3.2m，工作面表面粗糙度Rz6.3m。4 两端螺纹孔:螺纹孔为M12，采用基孔制；螺纹孔面轴线相对于支撑轴颈面的基准轴线的同轴度允许公差为0.1mm。（见A3图纸）5 止推面400.1，表面粗糙度Rz6.3m。2.5 凸轮轴的材料和毛坯的确定凸轮轴比较常用材料有铸铁、碳钢、合金钢等。铸铁主要有球墨铸铁、合金铸铁、冷激铸铁；碳钢主要有中碳钢、40钢、45钢、合金钢40Cr等等。球墨铸铁一般用于单缸凸轮轴，合金铸铁一般用于高速凸轮轴。冷激铸铁取消热处理，节约能源，加工余量较小，常用于轿车发动机或汽油机凸轮轴。对于少量生产或试制时，也可利用相应的棒料切削加工成型，但这样材料的利用率很低。凸轮轴对材料的要求较多，首先要有一定的弯曲疲劳强度和足够的韧性，能承受一定的扭转载荷，确保凸轮轴在工作中受力后无明显的变形。其次是工作表面特别是凸轮表面要有较高的粗糙度、中等强度和硬度以及较好的耐磨性，避免凸轮轴在工作过程中产生磨损、刮伤、断裂等严重缺陷。然后材料必须具备较好的耐磨性能以及加工时较好的切削加工性能。最后凸轮轴要具有准确的尺寸，轴颈部分的材料要有中等的抗弯强度和抗扭转载荷及中等的韧性和耐磨性。综合比较各种材料的强度、韧性、耐磨性、加工性以及经济等因素，此次凸轮轴选用材料为45钢。凸轮轴的毛坯根据批量大小、尺寸、结构及材料品种来决定。本次凸轮轴毛坯的直径为53mm，长度为495mm。2.6凸轮轴的机械加工工艺过程凸轮轴的机械加工是一个科学严谨的过程，为保证凸轮轴机械加工工艺的合理，必须满足其工艺设计原则：（1）在工艺的合理性的前提下，保证工艺具有先进性，在保证产品生产节奏的前提，运用先进技术，提升产品的竞争力。（2）如果经济条件允许，在关键技术和设备上，理应选用国内外先进厂家的先进设备。（3）在保证产品质量的前提下，应考虑将工艺的先进性和经济性相结合，降低生产成本。（4）设计工艺时还应充分考虑各个加工环节的安全和操作者的方便性。（5）加工方法应该与企业当前的技术工人水平和加工设备适应。（6）选定的加工方法应该与工件材料的加工性能相适应。（7）在生产进度允许的情况下，尽可能考虑柔性生产。除了加工工艺的合理性以外，工序顺序的合理安排对零件的质量影响也是比较大的。结合本文对凸轮轴加工和零件切屑加工顺序原则进行分析:（1）基准先行，零件加工一般多从精基准的加工开始，再以精基准定位加工其它表面。凸轮轴作为旋转轴类零件应先铣端面加工两端中心孔，然后再以中心孔作为精基准，粗、精加工所有外圆表面。（2）先粗后精，先加工精度要求较高的主要表面，即先粗加工再半精加工各主要表面，最后再进行精加工和光整加工。在对重要表面精加工之前，有时需对精基准进行修整，以利于保证重要表面的加工精度。（3）先主后次，根据凸轮轴的共用和技术要求，先将凸轮轴的主要表面如主轴颈，凸轮轴颈等和次要表面分开，然后先安排主要表面的加工，再把次要表面的加工工序插入其中。次要表面一般指键槽、螺孔、等表面。这些表面一般都与主要表面有一定的相对位置要求，应以主要表面作为基准进行次要表面加工，所以次要表面的加工一般放在主要表面的半精加工以后，精加工以前一次加工结束。（4）先面后孔，先铣端面在加工中心孔，比较稳定可靠，也容易加工，有利于保证孔的精度。如果先加工孔，再以孔为基准加工面，则比较困难，加工质量也受影响。凸轮轴的尺寸精度、各支承轴颈的同轴度、凸轮形状精度以及位置精度的要求都很高。基于加工工艺的原则和加工工序的合理性要求，可以让凸轮轴的整个加工工艺过程变得科学合理，凸轮轴的主要的加工表面可以大致确定为:主轴颈，凸轮，小外圆，键槽等，凸轮轴的主要加工工序的顺序可归纳为:铣两端面；钻中心孔；粗车主轴颈；粗、精磨轴颈、凸轮等。2.7 凸轮轴的机械加工工艺路线在进行大量的工艺分析之后，制定出生产凸轮轴的加工工艺路线:（1）铣端面打中心孔（2）粗车主轴颈（3）凸轮轴颈粗加工（4）热处理（5）校直（6）粗磨轴颈、凸轮等（7）精磨轴颈、凸轮等（8）探伤（9）抛光（10）清洗（11）下线检查确定了凸轮轴的工艺路线后，对其的基准进行选择，凸轮轴的定位基准应与设计基准和工序基准相统一重合，基准的选择是工艺设计过程中的重要工作之一。正确与合理的基准，可以让加工质量得到保证，生产成本得到控制，生产率得到提高。否则，不但使实际生产过程中的错漏百出，甚至令最后生产的整批零件由于质量问题而报废，造成很大的经济损失。凸轮轴的粗基准的在第一道工序铣端面打中心孔中选择，工件毛坯外柱圆面及其一个侧面作为粗定位基准。这保证了后续加工余量的均匀性，同时也后续精加工的质量。因为凸轮轴作为轴类零件，各支承轴颈、凸轮、凸轮轴颈、凸轮小外圆的加工等均是采用两中心孔作为定位基准，表面则是以轴的中心线作为设计基准，同时基于基准重合原则应选择两中心孔定位。而基于基准统一原则，多数工序的定位基准应采用中心孔，这样能有利于加工端面和外圆。3 凸轮轴的机械加工工艺过程分析3.1凸轮轴的机械加工工艺特点及分析1)刚性差由于凸轮轴是细长轴，长颈比较大，因此刚度差，通常凸轮轴主轴颈切削加工时工件两端顶针顶着中心孔，然后用鸡心夹夹在小头，当切削工件中间部分时容易出现较大的受力变形，还有表面的残余应力会引起变形，尤其在加工凸轮时，其变形最为明显。凸轮轴在加工过程中的变形，很容易引起后续加工工序加工余量分配均匀性，如果变形过大会直接造成后续加工工序无法进行，甚至会使零件直接中途报废。在设计凸轮轴工艺时，应针对其易变性特性采取相应的辅助措施和合理安排加工工序。 图24 凸轮轴主轴颈加工如图2-4 ，对凸轮轴主轴颈的粗精加工，由于主轴颈数量加多，而且分散在整个凸轮轴上，加工时，中间最容易出现明显变形及残余应力， 针对这些情况应采取以下措施: (1) 可以通过辅助支承，比如托架等，来增强刚度，降低加工造成的变形和振动。 (2) 采用小切削量或者分段加工减少变形。(3) 合理安排工位顺序以减少加工变形。 (4)粗加工产生的变形在精加工中进行修正，半精加工产生的变形在精加工中修正。2）加工难度大，技术要求高凸轮轴的整体加工路线较长，形状相对复杂，精加工占比较高，凸轮轴的凸轮、支承轴径、止推面都是不容易加工的。凸轮更是凸轮轴的加工难度最大的，不但技术要求较高，加工面多而且复杂，需要满足它的尺寸、形状、位置精度要求，凸轮的加工，要满足其性能要求，不仅要求凸轮曲线升程满足进排气门的开启和关闭的规律曲线，还需要满足凸轮的相位角要求，比如说，第三进气相位角为13。但凸轮的轮廓曲线上的各点相对其回转中心的半径是一直变化的。如果选用一般的机床加工，由于加工半径的随时改变必定 会引起机床的切削力和切削速度的变化，这势必会使凸轮轮廓曲线出现误差，从而导致凸轮的性能受到影响。因此凸轮轴加工时应注意以下问题: A 正确分配粗加工、半精加工及精加工余量。B 粗基准选择用凸轮轴两端的中心孔，中心孔的加工以主轴颈外圆作为基准，这样能保证凸轮轴加工颈向及轴向加工余量的均匀性。C 凸轮轴轴向定位以主轴颈轴肩定位，工艺设计时定位基准应尽量与设计基准一致。3.2凸轮轴主要加工工序分析3.3.1铣端面打中心孔铣端面打中心孔作为发动机凸轮轴加工工艺的第一个比较重要的工序，将在钻铣车组合车床上完成，若端面不平则中心钻上的两切削刃的受力不均，钻头可能引偏而折断，因此采用先面后孔的原则。它的的加工质量直接影响着后续加工工序的质量，同时影响着凸轮轴的质量和性能。本工序的中心孔作为后续各支承轴颈，凸轮，止推面的粗加工，半精加工到精加工以及凸轮轴的抛光等工序的定位精基准，十分重要。在铣端面时，一般只限定5个自由度即刻，用2个V型块限定4个自由度，轴向自由度是由凸轮轴轴颈前端面或后端面。目前普遍采用的是自定心定位加紧，密齿刀盘铣削。轴向尺寸保证后端面到毛坯的粗定位基准尺寸和整个凸轮轴长度。3.3.2主轴颈的加工凸轮轴主轴颈的加工常采用车削、热处理、 磨削、抛光的加工工艺，传统粗加工多采用多刀车削工艺，但由于加工变形大、设备柔性差等问题，目前已逐步被CNC车削、外铣等加工方式所替代，磨削加工根据产量的大小，常采用多砂轮或单砂轮磨削，多砂轮磨削可以高效率地磨削凸轮轴支撑轴颈，CNC车削可以通过多触点校直，有效控制凸轮轴主轴颈对两端主轴颈跳动量低于0.04mm圆柱度低于0.006mm。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符合要求。3.3.3凸轮轴颈的加工凸轮轴颈的粗加工常用凸轮仿形车床车削加工或CNC铣削加工，精加工采用凸轮磨床进行磨削，传统磨削采用靠模方式磨削，目前随着数控技术的发展，以采用无靠模的CNC轨迹跟踪磨削，机床砂轮进给轴和工件旋转轴进行插补磨削方式，完全取消了机械靠模，从而具有良好的柔性、加工精度较高。凸轮轴颈传统加工流程:仿形多刀车 粗磨淬火半精磨、精磨靠模砂带抛光，目前的加工流程: CNC无靠模外铣机床铣削凸轮淬火 CNC无靠模磨床CBN砂轮磨削凸轮柔性抛光凸轮。3.3.4凸轮的加工凸轮作是凸轮轴整个加工过程的重点难点，加工过程中要保证凸轮的尺寸精度要求，而且还有形状精度和位置度要求，而其中形面的加工又是凸轮加工中最重要的部分。另外，凸轮的加工还要满足其性能要求，不仅要求凸轮曲线升程满足进排气门的开启和关闭的规律曲线，还需要满足凸轮的相位角要求，如图25，第三进气相位角为13。但凸轮的轮廓曲线上的各点相对其回转中心的半径是一直变化的。如果选用一般的机床加工，由于加工半径的随时改变必定会引起机床的切削力和切削速度的变化，这势必会使凸轮轮廓曲线出现误差，从而导致凸轮的性能受到影响。图 25 凸轮型线相位角但是随着凸轮磨削技术的飞速发展，例如数控技术和CBN砂轮的应用的提高，凸轮磨削的几何尺寸的控制比较准确，这个问题也得到了有效的解决。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。如采用液压仿形凸轮铣床和双靠模凸轮轴磨床，而双靠模凸轮轴磨床有两套靠模，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。该磨床通过对砂轮直径的控制来提高凸轮外形的精度，而且提高了凸轮形面的加工精度。 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，能承受大的工作负也使砂轮的利用更经济、合理。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。 图26 凸轮轴凸轮加工凸轮的加工以键槽作为定位基准，全部凸轮的径向偏角为7301130，凸轮高度为，基圆半径为16.40.05，凸轮基圆轴线相对于两中心孔基准轴线的径向圆跳动为0.04mm。以第三对凸轮（图26）为例，进气凸轮对称中心线相对键槽对称中心线的夹角为1330，两凸轮对称中心线夹角为9330。在精磨凸轮过程中需要注意在加工前应用高压气枪吹出中心孔的铁屑，并用棉纱擦拭中心孔，加工完后检验工件是否符合技术要求。 4 机械加工余量、工序尺寸及公差的确定4.1凸轮轴主要加工表面的工序安排轮轴的主要加工表面为主轴颈、凸轮、外圆；次要加工表面为两端面、键槽。此外，还有还有检验、清洗、去毛刺等工序。凸轮轴各主要表面的工序安排如下:（1）、主轴颈:粗车、精车、磨削；（2）、凸轮:粗车、粗磨、精磨；（3）、350.0440.022mm小外圆:粗车、精车、磨削。4.2机械加工余量、工序尺寸及公差的确定4.2.1凸轮轴主轴颈工序尺寸及公差的确定表1凸轮轴主轴颈的工序尺寸及公差工序名称工序余量经济精度工序尺寸及公差铸造531粗车3.2mmIT1149.8-0.160精车1.3mmIT848.5-0.0550磨削0.5mmIT648-0.075-0.0504.2.2凸轮轴小外圆工序尺寸及公差的确定表2凸轮轴小外圆的工序尺寸及公差工序名称工序余量经济精度工序尺寸及公差铸造53粗车14mmIT1139-0.290精车3.5mmIT835.5-0.0500磨削0.5mmIT6 350.0440.0224.3 凸轮轴机械加工工艺过程卡片的制订填写工艺卡片是制订机械加工工艺规程的最后一项工作，它主要包括发动机凸轮轴的工序顺序及内容的填写、工序简略的绘制、合理选择各工序所用机床设备的名称与型号、工艺装备的名称与型号。表3发动机凸轮轴主要加工工艺过程工序号工序名称基准工序简图设备1铣端面打中心孔粗基准:前后两支承轴颈毛坯外圆钻床2粗车外圆及划线两个中心孔、小头用辅助支撑CNC车床3粗切槽两个中心孔、小头用辅助支撑车床4正火正火生产线续表35精车外圆两个中心孔、小头用辅助支撑CNC车床6粗车凸轮两个中心孔、键槽CNC车床7粗磨外圆两个中心孔、凸轮轴小外圆CNC磨床8精研中心孔台钻9精磨凸轮两个中心孔 磨床10精磨大外圆两个中心孔磨床或专机11抛光、去毛刺两个中心孔抛光机12探伤探伤机13 清洗、防锈清洗机续表314下线检查5 总结与展望本文通过对F3000发动机凸轮轴加工工艺的了解分析和设计，合理选择制定加工工艺以及工艺路线，并选择经济合适的材料，有利于降低生产成本以及保证凸轮轴质量。通过这次工艺分析设计，让我结合到自己所学到的知识的同时，对机械加工艺方面的知识有了更加深刻的理解。凸轮轴作为配气机构的关键部件，其外形复杂，技术要求很高，因此在加工过程中合理的选材、合理的定位基准的选择、合理的热处理工艺的设计以及设备的选择变得非常重要，在本次设计过程中，选用的材料为45钢，第二道工序铣端面打中心孔凸轮轴实际加工选取的粗基准为凸轮轴支承轴颈的毛坯外柱圆面及其一个侧面，然后后面的加工精基准的选择是中心孔。凸轮轴的热处理主要是正火和淬火，凸轮轴的支承轴颈和进排气凸轮表面进行中频淬火等。本毕业设计以发动机凸轮轴加工工艺为例，制定了相应工艺，绘制了工艺图，可直接指导生产过程加工，根据工艺生产的产品加工质量达到产品图纸要求、加工效率得到高、生产成本得到降低，对企业的实际生产有着重要的意义。参考文献1 王先逵编著.机械制造工艺学M. 第二版.北京:机械工业出版社,2006.12 李洪编著.机械加工工艺手册M.第一版.北京:北京出版社,1996.13 鞠鲁粤编著.机械制造基础.第四版.上海:上海交通大学出版社,2007.84 赵程编著.机械工程材料M.第二版.北京:机械工业出版社,2007.85 石枫编著.公差配合与技术测量.北京:理工大学出版社 2010.7 6 徐