毕业设计凸轮轴的设计与加工工艺的编制

PAGEPAGE27毕业设计论文凸轮轴的设计与加工工艺的编制摘要凸轮轴作为汽车发动机配气机构中的关键部件，其性能直接影响着发动机整体性能。因此凸轮轴的加工工艺有特殊要求，合理的加工工艺对于降低加工成本、减少生产环节以及合理布置凸轮轴生产线具有很大的现实意义。本文针对凸轮轴的加工特点，结合工厂的实际，从前期规划开始，对凸轮轴的加工工艺进行了深入的分析、研究。建立了用数控无靠模方法。对凸轮廓形进行计算和推倒，对凸轮轮廓的加工进行了探讨并提出适用于发动机凸轮轴的加工方法。关键词：发动机；凸轮轴；工艺分析ProductionProcessandTechnologyofCamshaftforAutomobile[Abstract]CamshaftEngineValveasakeycomponentinitsperformancedirectlyaffectstheoverallperformanceoftheengine.

Therefore,theprocessingtechnologycamshafthasspecificrequirementsforareasonableprocesstoreduceprocessingcosts,reduceproductionprocessesandtherationalarrangementofthecamshaftproductionlineofgreatpracticalsignificance.

Inthispaper,theprocessingcharacteristicsofthecamshaft,withtheactualplant,startingfromthepre-planning,onthecamshaftoftheprocessconductedin-depthanalysisandresearch.

EstablishedbythemodelwiththeNC-freemethod.

Convexcontourshapeofcalculatedandpulleddowntheprocessingofthecamprofilearediscussedandmadeapplicabletotheprocessingmethodoftheenginecamshaft.

Keywords:engine;camshaft;ProcessAnalysis

第一章引言凸轮轴是汽车发动机配气机构中重要的零件，凸轮轴的结构设计与加工质量好坏，直接影响发动机的性能。凸轮轴专司控制内燃机进气门和排气门开启和关闭的时间。就其功能而言，凸轮轴多少年来都没有什么改变。自从气门控制的内燃机问世以来，直至今天凸轮轴还是以曲轴转速之半运转。但是，凸轮轴设计的发展从来都没有停止过:在现代发动机中，凸轮轴的位置已经从下置式改成了上置式。上置式凸轮轴通过挺杆、圆柱齿轮、链条、摇臂或者辊子随动件驱动顶置式气门。此外，由于采用多气门的缘故，每一台内燃机凸轮轴的数量也增加了。还开发了各种各样可变气门定时的凸轮轴。同时，在材料和制造工艺上也发生了改变。近年来，又因环境保护的需要，正在开发低油耗、无污染的汽车发动机。为解决汽车尾气无污染排放问题，实现发动机的高转速、高输出功率，许多发动机采用多气门及配气相位、气门升程可变的结构，这就增加了气门弹簧的载荷。同时，为降低油耗及摩擦损耗，轮与摇臂间采用滚子结构，凸轮与滚子的接触面形成高压力区。另外，为达到汽车轻型化、低成本的目的，在不影响各个零件性能要求的前提下，应该使零件尽可能简化加工、降低重量，材料使更趋合理。为实现上述目标，对发动机部件，尤其是凸轮轴的设计必须重新考虑，要求其结构紧凑、质量小，能承受更高接触压力，更好的耐胶着、耐点蚀、耐磨损的能力。在配气机构中，对凸轮轴各个部位的性能要求是不同的。对于凸轮，要求耐磨损、耐胶着、耐点蚀;对于轴颈要求滑动性能好；对于轴则要求刚性、弯曲、扭转性能好。传统的凸轮轴主要是铸造或锻造加工而成，各部位金属性能相同。这种由单一金属组成的凸轮轴很难达到上述要求。因此，质量小、加工成本低、材料利用合理的装配式凸轮轴（图1-1）受到业内人士的高度重视。目前在汽车工业发达国家，装配式凸轮轴制造新技术已应用于生产中。而且，这一改变进程还没有到达发展的尽头，因为采用电磁气门驱动系统的无凸轮轴内燃机离成批生产还需要时间。凸轮轴是一种不断地加速和减速的旋转质量。这种加速和减速伴随着能量的消耗。减轻凸轮轴的质量可以对内燃机节能发挥积极影响。所以今天凸轮轴上的创新往往与减轻重量分不开。第二章凸轮轴工作特性2.1凸轮轴的概念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。2.2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。2.3凸轮轴的特点１．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１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2-1所示是三菱４Ｇ６３ＤＯＨＣ发动机使用的凸轮轴。图2-1２．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。３．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）。第三章国内外凸轮轴的生产与研究概况3.1国外凸轮轴的生产方法a、钢质锻造毛坯经切削加工后，凸轮桃尖部分频淬火形成马氏体层。b、20世纪70年代末德国和法国相继开发了凸轮轴氩弧重熔新工艺。在电弧高温作用下，利用氩气层流的保护，在凸轮表面形成微小熔池，电弧转移后，靠工件自身吸热使熔池激冷而得到细小的莱氏体。体组织。这种方法的优点是凸轮的晶粒细小、耐磨性比冷硬铸铁高、易于实现机械化、质量稳定、废品率低、成本低等。目前，我国已引进了此项技术。c、以美国为主的可淬硬铸铁凸轮轴。它是用合金铸铁凸轮轴毛坯通过高、中频淬火，在凸轮周边获得回火马氏体、少量碳化物、少量残余奥氏体及细条状石墨混合组织的耐磨层，其中细条状石墨有储油、自润滑作用。这种凸轮轴的抗擦伤性次于冷硬铸铁凸轮轴，但比钢质凸轮轴好；抗疲劳能力比冷硬铸铁凸轮轴好，但比钢质凸轮轴差。d、以日本和法国为主的冷硬铸铁凸轮轴。e、组合式凸轮轴3.2国内凸轮轴的生产方法a、钢质锻造毛坯或合金铸铁毛坯经切削加工后，凸轮桃尖部分经高频淬火形成马氏体层。如一汽CA1091型汽油机凸轮轴用45号钢；上海汽车铸造总厂采用壳型加钢丸填充物生产凸轮轴毛坯，然后凸轮桃尖表面淬火，此法需要投入钢丸回收设备，工艺较复杂。b、凸轮部位用Cr-Mn-Mo合金涂料进行铸件表面合金化，获得一定厚度的白口层，从而保证工作部位的硬度，提高了耐磨性（如四川铜江机械厂）。c、冷硬铸铁凸轮轴。江西凸轮轴厂采用普通粘土砂造型，生产493QCr-Mo-Ni冷硬铸铁凸轮轴(0.8%～1.0%Cr、0.15%～0.25%Mo、0.15%～0.25%Ni)国营102厂采用304树脂自硬砂造型生产(Cr-Mo-Cu)冷硬铸铁凸轮轴(0.25%～0.40%Cr、0.25%～0.40%Mo、0.80%～1.2%Cu)。东风本田公司采用壳型覆膜砂造型生产QCr-Mo-Ni-Te冷硬铸铁凸轮轴(0.45%～0.65%Cr、0.60%～0.80%Mo、0.8%～1.1%Ni、0.0004%～0.0007%Te)。仅凸轮桃尖180°采用冷铁激冷，每个凸轮只需一个冷铁，壳型砂树脂和壳型粘结剂均为日本进口，该公司也曾经生产过此种凸轮轴。表3-1几种主要铸铁凸轮轴工艺及性能特点对照表冷激铸铁凸轮轴可淬硬铸铁凸轮轴氩弧重熔铸铁凸轮轴生产工艺在铸型内形成凸轮的型腔周边需要耐磨的地方放置冷铁块，当高温铁水浇入型腔时，利用冷铁块对高温铁水的激冷作用，使凸轮表面获得莱氏体组织（即白口铁）的耐磨层用合金铸铁凸轮轴毛坯通过火焰（或中频）淬火，使凸轮周边获得回火马氏体加少量碳化物加少量残余奥氏体及细条状石墨混合组成的耐磨层采用高熔点的钨棒作电极，在氩气层流的保护下，依靠不熔化的钨棒与凸轮之间产生的电弧熔化铸铁表面，在凝固使凸轮表面由原来的珠光体转变为莱氏体耐磨层凸轮表面组织莱氏体（含有大量针状碳化物）回火马氏体加少量碳化物加少量残余奥氏体及细条状石墨莱氏体抗磨能力特别好较好与冷激铸铁凸轮轴相当抗擦伤性能特别好次于冷激铸铁凸轮轴，比钢质凸轮轴好与冷激铸铁凸轮轴相当抗疲劳能力较差较好，但比钢质凸轮轴差可与淬硬铸铁凸轮轴相当市场占有量约64%约20%约16%优点生产工序少、耗能少、成本最低铸造工艺较为简单化学成分对金相组织的影响不如激冷凸轮轴敏感，抗点蚀能力比激冷凸轮轴略高缺点抗疲劳能力较差需通过火焰（或中频）淬火、能耗大，成本也较高重熔前需将凸轮轴预热、保温、缓冷，工艺复杂、成本高应用汽车凸轮轴、挺杆应用最广泛中、小型高速发动机上，以美国为主以德国大众为主第四章凸轮轴毛坯生产的发展状况及发展趋势传统工艺均采用整体式锻造或铸造法生产凸轮轴。近年来，随着发动机结构的改进和向小型化的发展，凸轮轴润滑方式由浸油润滑改为中心孔通油到轴径润滑，以减少发动机高度和润滑泄漏。随着发动机结构的改进空心凸轮轴问世了，随着市场对先进发动机需求量的增大，空心凸轮轴将随之成为今后凸轮轴的主流产品。最初，空心凸轮轴制造工艺大多是使用实心铸造凸轮轴毛坯钻削中心孔，由于铸件易出现组织偏析，性能不均匀现象，这使得细长中心孔的钻削加工变得十分困难，经常发生钻偏或钻头卡断现象。而采用铸造工艺直接铸出凸轮轴中心孔，又会形成偏心，有时甚至发生轴径小油孔不能与中心孔相通的情况。基于上述事实，发达国家中像美国Ford、GM、Chrysler，法国Renault，德国VW、意大利Fiat等汽车公司的发动机厂家开始研制、使用组合式空心凸轮轴。组合式凸轮轴技术的发展经历三代：第一代热装法。装配间隙要求严格，钢管和凸轮内孔需要精确加工，效率低，10分钟左右装配一根，相位角控制困难，扭矩可靠性差；第二代键连接式。凸轮内孔加工出键槽，钢珠通过钢管内挤压，形成键连接。该方法工艺复杂，设备昂贵。第三代内高压液压装配。该方法为最新装配技术，具有效率高，易于控制，连接可靠等优点，适合批量生产。目前，国外发动机厂家组合式空心凸轮轴的装配方法大多还停留在第一代和第二代装配方法，第三代内高压液压装配方法刚刚开始应用。图4-1为英国BallBurnishingMachineTools公司采用专用粘结剂制造的组合式凸轮轴，图4-2为美国Torrington公司采用键连接式制造的组合式凸轮轴，用于北美和欧洲的轿车、轻型卡车上。而我国仍主要采用钻孔制造空心凸轮轴，南方个别厂家利用热装法为国外制造空心凸轮轴。哈尔滨工业大学苑世剑教授等在国内首先进行了组合式空心凸轮轴内高压液压装配技术的研究，在哈工大的400MPa内高压成形机上，进行了激冷铸铁凸轮单元与钢管的装配试验和468凸轮轴装配试验。初步掌握了组合式空心凸轮轴制造工艺的模具设计、工艺过程及关键参数。（图4-3）、（图4-4）是哈工大在东安发动机公司铸锻厂的配合下研制的钢管尺寸为F18mm×3mm的HITCAM-1A组合式空心凸轮轴样件照片。将所研制的HITCAM-1A组合式空心凸轮轴（进气、排气各1支）安装到东安发动机公司DA468型发动机中，在全速全功率发动机试验台上进行了300h的运转，并定时检验装机运行可靠性、装机前后凸轮相位角变化、发动机输出功率等相关指标。经装机考核，发动机工作正常，未出现异常现象。HITCAM-1A组合式凸轮轴的强度、刚度及抗扭性能均满足发动机的使用要求。装机试验完成后，经检测该凸轮轴的相位角尺寸未发生变化，达到了设计要求。组合式空心凸轮轴制造原理：由一根厚壁钢管和若干带中心孔的凸轮和轴径，在模具内按一定间距和相位角布置（见图4-5），通过钢管内部施加高压液体使与凸轮和轴径对应的钢管部位产生塑性变形，凸轮和轴径产生弹性变形，卸载后凸轮和轴径回弹形成与钢管胀接。图4-1英国公司研制的组合式凸轮轴图4-2美国公司研制的组合式凸轮轴Fig.4-1TheassembledcamshaftofFig.4-2TheassembledcamshaftofBritishcompanyAmericancompany图4-3哈工大研制的钢管尺寸为F18mm×3mm的组合式空心凸轮轴Fig.4-3AssembledhollowcamshaftwiththesizeofF18mm×3mmproducedbyHIT图4-4DA468组合式凸轮轴成品Fig.4-4ThefinishedproductofDA468assembledcamshaft图4-5组合式凸轮轴装配原理Fig.4-5Theassemblytheoryofassembledcamshaft第五章凸轮轴工艺设计5.1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。5.2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。5.3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。5.4凸轮轴零件分析5.4.1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。5.4.2轴的要求(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)以发动机该凸轮轴为例具体说明（如图5-1）图5-11）支承轴颈两个支承轴颈的外圆尺寸φ43.85mm表面粗糙度Ra≤0.4μm.。2）凸轮凸轮基圆尺寸R15.5±0.05，表面粗糙度Ra≤0.8μm。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。图5-23）轴上油壁孔轴上油壁孔尺寸为φ8mm。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φ6mm的半圆，表面粗糙度要求为3.2。第六章凸轮轴工艺分析先就几个工艺问题探讨如下：6、1凸轮轴毛坯轿车用发动机凸轮轴毛坯多采用冷激铸铁，加工余量小，可以直接粗、精磨成型。柴油机多采用锻钢凸轮轴或球铁凸轮轴，为了减少金属的切除量，多采用滚锻制坯、平锻成型工艺，但当生产批量不大时，如年产量小于5万件，也可以用棒料切削成型，但材料的利用率较低。6、2主轴颈（支承轴颈）的加工主轴颈的加工多采用车拉或CNC车床车削，感应淬火后粗、精磨珠轴颈工艺。传统工艺主轴颈多采用多刀车削工艺，由于切削的变形量大，现已逐渐被车拉或CNC车床车削所代替，以适应于大批量生产。主轴颈的粗、精磨多采用多砂轮磨床一次粗、精磨成型，或采用单砂轮CNC磨床磨削，这要视生产批量的不同进行选择。6、3开档加工冷激铸铁凸轮轴不需要切开档，一次铸造成型，减少了加工量。球铁凸轮轴、棒料凸轮轴、锻钢凸轮轴均需切开档。采用车拉机床车拉或CNC车床车开档工艺，切开档应充分注意减少凸轮轴的切削变形。如果采用HELLERCNC凸轮铣床，可以不必采用CNC车拉开档，HELLER凸轮铣床可以同时将开档和凸轮形状在一台设备上加工完成。过去传统工艺多采用多刀车开档，一次成型，但由于切削变形大，已逐渐被车拉或CNC车削或CNC铣削所代替。6、4凸轮加工6、4、1凸轮粗加工激冷铸铁凸轮轴的凸轮由于余量小，表面有冷硬层，一次粗、精磨成型。球铁、棒料或锻钢凸轮轴的凸轮粗加工采用CNC无靠模凸轮轴铣床铣削凸轮外形。采用CNC控制，减少了靠模制造精度的影响，更换品种方便，只需改变程序即可加工不同的凸轮，生产率高，减少了靠模车削引起的凸轮轴的变形及制造误差的影响。6、4、2凸轮精加工凸轮精加工选用CNC无靠模凸轮轴磨床一次粗、精磨成型，由于取消了靠模，实现自动修整砂轮、自动补偿、恒线速磨削、自动轴向定位、砂轮自动动平衡等技术使凸轮磨削精度大大提高。6、5凸轮超精加工（抛光）工艺的选择传统工艺中，凸轮采用单靠模或双靠模凸轮轴磨床磨削后，为了降低凸轮表面粗糙度数值，采用砂带抛光机抛光凸轮。凸轮留的抛光余量为双边0.006～0.008mm，抛光后达到降低凸轮表面粗糙度数值的目的。但是采用CNC凸轮轴磨床磨削凸轮后，原则上不采用抛光工艺，因 CNC凸轮轴磨床磨削后保证了较高的升程误差精度。若留有抛光余量，而抛光又不是CNC控制的，不能保证均匀去除余量，因此就有可能破坏经CNC凸轮轴磨床磨削后的升程误差精度。直接采用粗、精磨削，表面粗糙度可达Ra0.63～0.4μm，故可不再进行抛光。6、6中间主轴颈对两端主轴颈跳动量的保证凸轮轴中间主轴颈对两端主轴颈的跳动量小于或等于0.03mm，为了保证这一跳动量要求，主轴颈及开档的粗加工，采用车拉或CNC车削加工以减少粗加工的变形量。中频感应淬火回火后，采用多触点校直，控制其跳动量小于或等于0.05mm，该多触点校直机自带直裂纹探伤检测仪，经校直有裂纹的凸轮轴从线上剔出。主轴颈磨削采用多砂轮磨削，带自动跟踪中心架支承，减少凸轮轴的磨削变形。凸轮磨削，根据不同的凸轮轴，采用2～3个机动中心架支承，以减少凸轮的磨削变形，从而达到中间主轴颈对两端主轴颈跳动量要求。6、7凸轮轴的检测凸轮轴的检测分线外检测（抽检），在线检测（100%），计量检测（每班1～2根）。a、凸轮轴线外检测（中检）20J带数显的电感式测量仪，测量全部主轴颈的尺寸精度，及中间主轴颈对两端主轴颈的跳动30J带数显的电感式测量仪，测量全部开档尺寸及轴向尺寸80J无损伤硬度检测90J带数显得电感式测量仪，测量中间主轴颈对两端主轴颈的跳动120J带数显的电感式测量仪，测量各主轴颈尺寸、圆度、圆柱度及中间主轴颈对两端主轴颈的跳动b、凸轮轴在线检测采用MARPOSS或德国HOMMELWERKE在线综合测量机，检测主轴颈尺寸精度、圆度、圆柱度、中间主轴颈对两端主轴颈跳动量、检测凸轮基圆尺寸及公差、凸轮升程误差及相邻每度升程误差。c、凸轮轴计量检测在计量室进行检测，室温20±1°第七章传动凸轮轴加工与性能比较7、1毛坯比较凸轮轴毛坯材料一般都采用锻钢或棒料，选用优质中碳钢或低碳合金钢，经热处理后具有较高的强度和良好的耐磨性及抗点蚀剂剥落等特点，但毛坯加工余量较大，凸轮间的开档必须粗加工，凸轮轴经冷热加工后的变形大，又需增设校直工序。近年来凸轮轴采用冷激铸铁，同时又提高了铸造技术，减少了凸轮加工余量和省去开档粗加工和凸轮热处理，凸轮可直接粗磨，精磨至成品，简化了加工，提高了精度。7、2冷激铸铁凸轮轴工艺分析以一实际凸轮轴为例介绍凸轮轴重要加工位置支撑轴颈和凸轮的工艺：（见图7-1）1-支撑轴颈2-凸轮3-驱动分电器的斜齿轮4-驱动汽油泵的偏心轮图7—1凸轮轴形状示意图7、2、1凸轮轴轴颈的加工尺寸链确定a、轴颈加工工序分析粗车—精车——粗磨—精磨每道工序都可以以轴心为基准定位尺寸，确定加工余量。b、分析轴颈尺寸链（见图7-2）a为各工序的加工前尺寸b为加工后尺寸c为加工余量图7—2支撑轴颈尺寸链C、轴颈尺寸链的计算首先根据加工方法查出加工余量的大致值，运用下列公式计算出轴颈每道加工工序前的基本尺寸，计算极限偏差和公差，最后计算平均尺寸。初步得出毛坯尺寸。如果得出值不符合要求和实际生产可以通过计算算出每道加工工序的加工余量，从而对工序尺寸公差进行修改。加工余量分析计算式1)采用浮动镗刀镗孔或浮动铰刀铰孔或拉刀拉孔，由于这些加工方法不能纠正位置误差Zmin=Ta+2(Ry+Ha)（7—1）2）无心磨床磨削外圆时无装夹误差，故算式可简化为Zmin=Ta+2(Ry+Ha)+2｜a｜(7—2)3）精密加工方法如研磨、超精加工等，加工时仅去掉上工序留下的加工痕迹，因此计算式可简化为Zmin=Ta+Ry+Ha(7—3)4）对于抛光，仅用于降低表面粗糙度，因此Zmin=Ry(7—4)参照基本尺寸计算公式如下计算各工序的基本尺寸A0=-(7—5)参照偏差及公差计算公式计算偏差和公差ES0=-(7-6)EI0=-(7—7)Tol=(7—8)工序号工序名称计算项目工序尺寸公差余量公差最小余量平均余量平均尺寸初拟修正后±½Ti±½TziZminZiMLiM1毛坯±0.650.062粗车±0.3±0.92.593.0650.0863精车±0.07±0.371.051.0547.084粗磨±0.25±0.0240.4590.59246.255精磨±0.012±0.01±0.0120.0550.06146.0037、2、2凸轮轴凸轮的加工尺寸链确定a、凸轮加工工序分析粗车—精车——粗磨—精磨由于毛坯的形状为一较规则的凸轮，所以每道工序都可以以基圆圆心为基准定位尺寸，确定加工余量b、分析凸轮尺寸链（见图7-3）图7-3凸轮的尺寸链示意图a为各工序的加工前尺寸b为加工后尺寸z为加工余量C、凸轮尺寸链的计算同样运用上述公式计算凸轮的尺寸链和加工余量运用同样的方法可以逐步的确定各个尺寸的公差，偏差和加工的技术要求，在此就省约。第八章传统整体式凸轮轴工艺流程及主要问题7.1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。7.2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。第九章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30％～50％；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30％~50％；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。9.1装配式凸轮轴工艺流程图9-1装配式凸轮轴工艺流程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。装配式凸轮轴和整体式凸轮轴比较装配式凸轮轴经济性整体式凸轮轴经济性工艺流程只有半精加工和精加工，工艺流程简单，设备少+有粗加工，半精加工和精加工，设备多加工余量加工余量小只精磨主轴颈和凸轮+加工余量大，需粗磨、半精磨、精磨轴颈和凸轮-柔性化工艺简单，采用柔性化生产，采用多台CNC加工中心、车床、磨床集中式加工，具有较高的柔性化+加工工艺程序多，多采用自动线多工位方式，柔性化较低-设备投资由于采用柔性化生产，可提高预期产量规模分期实施，留有地方进一步扩展，分期投资，可降低投资风险+采用自动线，设备数和工位数多，初期投资较大，也不便与产能的扩大-生产线占地面积占有较少场地+占用较大的场地-生产成本由于采用粉末冶金等材料，加工余量小，将减少生产成本，料废率较低+多次磨削不仅使设备投资大，也使刀具成本大-毛坯成本各组装部件加工余量控制严格，精度较高，所以毛坯成本较省-毛坯积案成本较低+产品性能凸轮轴总重量减轻30%～50%，强度高，改善发动机性能+表3第十章装配式凸轮轴工艺流程10、校直20、加工两端面中心孔、螺纹孔、驱动孔（2台加工中心并行加工）30、车轴颈、齿轮毛坯、前止端面及导向轮廓40、磨轴颈及导向轮毂50、滚齿60、压销子70、磨凸轮（3台磨床并行加工）80、凸轮淬火90、去毛刺100、校直轴颈110、凸轮轴颈及凸轮抛光120、清洗130、综合检测装配式凸轮轴内凸轮、套轴、偏心环、齿轮等零部件先后连成完整凸轮轴。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（Camshaftpre-AssemblyNeat）中，钢管穿到各部件孔中，在安装上料盒中进行初定位。启动用工装测头（ComponentProbeTooling）进行部件到位检测，并验证凸轮放置是否正确。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、各轴颈、齿轮。到位后同时加紧各部件并伸出顶杆将直径超过管子内经的钢球穿过整个钢管内径，钢管外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。第十一章装配式凸轮轴装配工艺方法11.1热套法在热套法中，按照热学连接方法制造组合式凸轮轴。常温下，外部零件的孔和内部管子的外径之间有过盈，装配之前先对外部零件(凸轮、轴套)进行加热、对内部管子进行冷却，籍以消除过盈。这种工艺方法允许在短暂的时间内完成连接过程，在轴向尺寸和角度位置方面都有很高的精度。有些制造商选择了在凸轮位置上使柔软的管子张开以连接外部零件(凸轮、轴套)的方法。需要连接的零件就被压在轴上，由此形成了一种形状连接的和力连接的压配。11.2硬钎焊/烧结法一些制造商利用硬钎焊/烧结法制造组合式凸轮轴。在采用PM(粉末金属)烧结材料时，赫兹挤压应力的限值在1200MPa左右。此限值也可提高到2000MPa以下，视烧结合金的成分而定。11.3内部高压成形法还有一种通过内部高压成形(IHU)的凸轮轴，在这种IHU工艺过程中，已经淬硬了的凸轮圈以力连接和形状连接的方式与通过内部的高压力变形的钢管制成的轴相连接，见图12-1。凸轮圈的内部轮廓明显地偏离圆形，以便实现形状连接。通过在凸轮旁边将管子材料往外压出一些而达到凸轮的轴向定位，压出的尺寸是1/10左右。这种工艺制成的组合式凸轮轴已经成功地应用于奥迪公司2003年投入成批生产的V6-TDI轿车柴油机中，见图12-2。组合式凸轮轴由壁厚为2.5mm和3mm的精密钢管(St37-2)、用100Cr6钢制成的等温淬火凸轮圈以及钢质堵头或者焊接的终端零件组成。整个周长上等壁厚的凸轮圈被置入一台专门的设备中，这台设备可以保证轴向对准凸轮圈中心线和凸轮圈的转角位置。钢管穿过如此定位的凸图12-1从内部施加高压制造组合式凸轮轴的工艺图12-2奥迪6-轿车柴油机中的组合式凸轮轴艺接着，一台真空抓取机将预先定位好的各个零件放到带IHU工具的油压机上，IHU工具的模腔形状正好与制好的毛坯轴的外形轮廓一致。将液体介质注入管内之后，管子两端用轴向冲头封死。通过将管内压力提高至300MPa，整个管子发生塑性变形，直至贴合在IHU工具上。此时，在管子和凸轮之间就发生了力连接和形状连接。11.4管内滚压扩张法还有一种通过管内滚压扩张制造组合式凸轮轴的工艺。管内滚压法的前提是采用薄壁管子作为内部零件，其基础是滑动滚压原理，只是插入的管子元件具有较大的滚压过盈量。利用这种方法，使得轴在带孔的外部零件中发生局部的扩张。这种方法的开发，最初是为了加工制造长的、管状的连接零件。使用带有滚压过盈量、穿过内管的滚压工具，使内管发生塑性扩张。如果在滚压处的外面有一个相应的、间隙较小的外部零件，那么这个外部零件就由于往外推挤的内管而发生弹性变形，以致通过内管的塑性扩张，同时还由于接缝处的外部零件的弹性反弹作用而发生很高的面压配，由此形成力连接，见图12-3。图12-3管内滚压扩张法的原理接缝连接强度主要取决于滚压体的直径和连接副的材料。此