汽车凸轮轴加工工艺分析

编号毕业论文（设计）

201001院（系 机电工程 专 机械设计制造及其自动姓 学论文（设计）题 汽车凸轮轴加工工艺分一、选题目的和意凸轮轴作为汽车发动机配气机构中的关键部件，其性能与质量直接影响着发动机整体降低加工成本、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。因此对于汽车凸轮轴的加工拥有十分广阔的发展前景和市场。二、本选题在国内外的研究现状和发展趋500多种相关报纸杂志的信息以及我中心对全国各地区的市场调查获得的考。三、课题设计方案[主要说明：研究（设计）的基本内容、观点及拟采取的研究途径和方法。在建立一条集先进性与经济性统一的凸轮轴对凸轮轴的加工工艺设计和质量控制进行了深入的分析、研究。使整个生产过程处于控制状态。四、计划进度安排[主要说明：起止时间及分阶段的进度要求。学期第20周学生选课题，师生见面。交课题说明书学期第21-22周确定选题，查阅相关资料，书籍，完成开题报告提交老师批阅 开始对论文构思，整理出整体框架，查阅相关资料，书籍写论文学期第5 提交论文期中检查，供老师审阅批改 完成论文并提交论文，审周答五、主要参考文[１]陈金贵.凸轮制造技术[M].北京:机械工业出版社[２]路长厚艾兴.国内外砂轮平衡技术发展状况[J].磨床与磨[５]齐治昌.数值分析与应用[M].北京:国防工业出版社指导教师意见及建议签名 教学单位领导小组审批意见组长签名 院(系)：机电工程 专业：机械设计制造及其自动 2010年3月13 学号指导教 职计划完成时间：2010510毕业论文（设计）的进度计划2010.01.20-教师对论文的思路及资料收集等相关问题进行第一轮指导2010.01.24-查阅相关资料，理清论文设计的思路、方法及相关问题2010.02.02-构建论文整体框架开始论文撰写期间遇到问题及时与师进行交流2010.03.13-据课题进展情况完成中期检查表，并口头汇报工作2010.03.16-根据老师提出的意见进行论文修改并提交答辩小组审阅2010.04.16-进一步完善论文，准备论文答辩完成情况艺分析。指导教师评议（指出优点和不足，如有其它建议，可另附页签名年月备注目录目摘要及关键 引 汽车发动机行业的发展状 凸轮轴的性能要 本文研究内 凸轮轴生产线前期规 产品规 工艺设计原则及凸轮轴加工工艺分 小 凸轮轴生产线工艺分 生产线布 工艺设 工艺分 工艺特 工艺难 凸轮廓形理论计算及加工控制参 凸轮轴凸轮的廓形要 包络线理 凸轮廓形坐 砂轮的中心坐 磨削圆周进给量计 等周速曲 砂轮座加速 光顺处 工件主轴转速配 磨削用量数 总 参考文 谢 高晓（德州学院机电系，山东德州摘关键词：发动机；凸轮轴；工艺分5/5多气缸多气门的设计，从直列三缸到V1加工机床，加工中心，自动生产线，成组技术等先进设备及技术都得到了广泛的普及。凸轮轴的性能要在汽车发动机的各个零件及机构中，配气机构是非常重要的，配气机构必须根据发动最关键的零件，它决定着气门的升程曲线和气门开关时刻，从而直接影响发动机的进排气[]。V（V比值是燃烧室的表面积S和燃烧室的容积V之比是非常重要的。用顶置凸轮轴（）的。在顶置凸轮轴的发动机中，凸轮轴置于气缸盖上，凸轮直接作用于摇臂或者挺杆来控制气门。除单顶置凸轮轴外，还有双顶置凸轮轴（）的，其中一根凸轮轴操纵进气门，另一根控制排气门。这种单顶置凸轮轴发动机，由于没有推杆和挺杆，因而减小了配气机构的惯性力，减少了气门产成颤动的倾向，同时也减少了系统的变形量。而且这种单顶置凸轮轴发动机还有一个优点，由于运动质量小，凸轮轮廓可以设计的比较陡一些，可以使气门能够更快的这样可提高发动机的性能，特别是高速下的性能。一根控制排气门。2的技术要求如表1表述。1.1凸轮轴的技术要主要项 一般性要支撑轴

尺寸表面粗糙度（μ

ZRZ5级精ZRZ

本文研究内本文研究内

质量、降低成本，这样才能保住我们国产汽车的市场。凸轮轴在发动机中的重要地位决定了国内发动机生产厂家都建有自己的凸轮轴生产线，这样可以在保证整机质量的前提下，尽可能的降低成本，提高竞争力。制造业中的零部件加工具有重要的参考作用。2产品产品规零件的结构特凸轮轴生产线承担每台发动机凸轮轴的机加工，每台发动机上使用一根凸轮轴材料（FCA-3）铜铬钼合金铸铁，各主轴颈及端面的硬度HB180~240，凸轮凸轮轴简3发动机凸轮轴主要加工内容和精度要支承轴前轴径前端

- ， ，后端

32-0.02，表面粗糙度-中间轴径-

--

，表面粗糙度后轴径

--

，表面粗糙度凸--各凸轮基圆相对与前后轴颈的基准轴线的径向跳动允差0.03mm各凸轮基圆相对与前后轴颈的基准轴线的平行度允差0.01mm各凸轮对称中心线相对于键槽的相对位置偏差（相位角）±20′（见图1）凸轮型线误差作用段一缸凸轮轴对键槽位置斜齿齿形误差≤0.025；齿向误差≤0.017；齿槽对键槽的角度20°±2°键工艺设计原则及凸轮轴加工工艺分(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4易变形性，其二是加工难度大。易变形特显著。[]。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，将会小经济性与合理性原则。53生产生产线布选择生产线U型布置，设备安置在中间走道两旁，各序设备操作面板及上下料开口一这种布置形式在保证物流通畅、占地面积小的情况下，减少了工人的走动时间，可以同时还要负责定工件时、定量检验及自检；最终工序操作工人还要负责最终质量检查。所以，由于生产线布置合理、紧凑，使得工人劳动效率得到了很大的提高。采用高架线结构，使水、电、气维修非常方便。每台设备后留有水、电、气接口，生有利于我们更换产品时，重新安排、增加或减少设备，进行柔性生产线布置。工艺工艺设定位基准的选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。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（一）加工阶段的划和任务。发动机凸轮轴的加工的三个阶段6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。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φ32和φ48.5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3-1发动机凸轮轴生产工艺简介。（二）工序顺序的安上说，符合“先粗后精”的加工原则。凸轮形面的加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[]。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。刚度，能承受大的工作负荷。由于立方氮化硼）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。工艺分3.1动机凸轮轴生产工艺简7工序 工序内 定位基 夹紧位 备

φ52.5外圆V（成活尺寸φ22φ36外圆V（成活尺寸φ221φ52.5端面1

φ52.5外φ36外 专 粗车主轴

φ37.5外圆V（成活尺寸φ1两端中心孔14

φ37.5

φ37.5外圆1两端中心孔1242

φ37.5

半自动液压仿形车两端螺孔钻、扩 攻丝、修中心

φ48.9外圆V（成活尺寸φ48.5）φ32.4外圆V（成活尺寸φ32）φ52.5端面V

2φ48.9外21φ32.4外 专1 大端外圆磨

两端中心孔11φ37.5外圆1

φ37.5

两端中心孔 前轴颈磨

φ37.5外 CNC磨1φ37.5外圆1

两端中心孔41φ32外圆1

φ32外 CNC磨2φ48.5外圆2 铣键

φ32外圆211角向211

φ48.5外 专φ32外两端中心孔48 粗磨凸轮（靠磨

键

φ22外 凸轮磨卡盘φ30端面

两端中心孔

φ22外 凸轮磨键φ30端面 滚

两端中心孔

φ22外键 清 φ30与1IN之间非加工面

无夹φ313EX之间非加工面工艺特发动机凸轮轴工艺特点毛坯硬度 （冷激区 非冷激区生产节 1.75分轮轴数控车床用于支撑轴颈的粗加凸轮部分在铸造时冷激，不需加工后淬凸轮采用粗、精磨加工，以磨代车，凸轮轮廓直接磨凸轮精加工采用全数控无靠磨磨磨削密集型工艺－外圆、轴颈、端面及凸轮均采用磨削方法凸轮的外圆、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。凸轮采用数控无靠模磨长期以来，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9AR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NC控制获得精密的凸轮轮廓，同时工件无级变速旋转，并采用N砂轮加工凸轮轴，从根本上解决了传统凸同时，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。凸轮轴支撑轴颈的磨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，可以高效率地馈给数控系统，来控制砂轮的补偿，确保加工部位的尺寸。2凸轮轴的支撑轴采用立方氮化硼（CBN）砂轮磨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另一特点为砂轮磨削过程中接触点（磨削点）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）砂轮磨削凸轮。砂轮转速为0/N砂轮有较好的热导性，工件磨寿命长，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φ600mm减少到现在的φ250mmCBN3mm一片砂轮的修磨次数为300可计算得出一片砂轮的理论加工工件数为300×100＝30000毛坯材料为冷激合金铸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并达到工艺要求：凸轮°以内H5°以内H8以上，如图3所示。这样凸轮外形完全用磨削加工。°3凸轮外形硬度分布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m左右的磨削余量。并可以大幅度提高耐磨性。3.5工艺难主轴颈粗糙度的保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Rz3.2，实际加工情况为Rz≤5.2，这就给验证带来了很多麻烦。整器的修磨速度，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。μμμμ通过比较，决定选用μ＝0.04，F30这组数据，磨5个工件修整一次，粗糙度＜3.2Z。且节拍达到1.75分钟，达到了本线的设计纲领。轴颈夹轴颈夹痕：凸轮轴线120序凸轮磨削时用键槽定位，φ22外圆夹紧。三爪长期使用造成φ22外圆上由三个光亮带，粗糙度合格。Z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。工艺尺寸链重新计算，改所有工艺文件引发的质量问题：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成很大的影响。抛光小端外圆，需要增加投入。该方案没有必要[]4凸轮轴凸轮的廓形要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顶弧D发动机凸轮轴的凸轮廓形是以凸轮与φ10滚珠对滚时二者中心距离y1y2表示的

4凸轮轮廓凸轮升程数

5凸轮廓形（mm：（mm：（mm/deg270）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]4-1轮轴凸轮升程φφφ0123456789由于在升程段廓形圆形滚珠与廓形的切点D1,D2都不在滚珠与凸轮的连心线上而床砂轮必须磨出D1,D2点来，它的半径又远远大于滚珠半径，所以必须通过计算得出凸轮包络线理是它的内包络线。以H表示滚柱与凸轮轴心距，则H=，以fR为滚柱半径，则圆的一般方程为

r(X-Hcosj)2+(Y-Hsinj)2=Rr变j值可得不同的方程式，如图6。6凸轮廓形曲线族中的各点斜率，据微分学，可写成 çx¶y=-趶dx æfö 还可以进一步写作

¶f×dxxd¶j¶

+

dy=dj

包络线既与曲线族相切，其上各点应与曲线族上各切点斜率相等，故也应满足公曲线族方程f(x，y，j)＝0的全微分为df=¶f

+¶f

+¶fd=xy xy

即 ¶f

+¶f

+¶fd=

xy xy

¶f=

即包络线方程，解此式得出以j表示得x、y值，即包络线上的各点坐标[8]凸轮廓形坐滚柱曲线族方程的隐函数形rr将此式对j微分后解出x、y值

¶f=Rfæ1+çHsiæ1+çHsi dHdcoöjç÷÷çHc H×si÷d÷çèdj÷ø

çx×çH×n- çd

÷co÷÷dy=

H×cosj+ddj

计算中微分dH以差分代替，即表列函数中若H对应于j，则d djdH=Hn+1-Hn- 4.2C语言编程计算凸轮轴y1y2两面的坐标值为XD、4-2凸轮轴y1y2两面的坐标值XD、12fX12fXnYnfXnYnfXnYnfXnYn112233445566778899------------Y1Y1YHcHcHcHc1砂轮的中心坐在廓形磨削中砂轮也可想象为绕凸轮旋转，磨削点即为滚轮于廓形的切点D，如7，由图4.4几何关系可导出XC=XX

C×(H×cosj-XRDRRD

FYC=Y

j-R

F1 =(X2+Y2)

æYCjC=arcçta

C4.3为取RC

èXCRF=5计算得出的凸轮的HC、jC值。为了便于数控编程HCjC的数值经过圆整、插补使角度为间隔1°的整数值7廓形磨削示意磨削圆周进给量计如图4—2、图4—3所示，当磨削中凸轮以匀速旋转时，磨削点D沿廓形移动的弧式变化的，以S表示弧长，则dj不变时ds

有很大的变化，造成工件转一圈中法向dd dddd削力和磨削热都在变化，这必然使工件弹性变量不一致而影响廓形误差，并容易在sdt大处发生烧伤，现代磨床工件主轴采用交流变频传动，完全可以做到使工件在一转中转dd不均匀，有意在dt

大的部分使工件转速变慢，从而减少磨削力不均匀程度以避免烧伤dd廓形误差。故首先应计算若干工件匀速旋转，dt

沿圆周变化规律1 =(X2+Y2) æ Dj=arctançDDdd sdd

s×

èXDdt dt ddd若dj=常数，即工件均速转动，ds dddd 根据微分学可得12 éæ ù2s=êçR

+R

D 仍如上文，以差分代替微分，即若jD对应RDDD

=RDn)-RD(nD(n即可计算各

dsd

[9]，编程后计算得出数据如表4.44.4轮圆周进给量数据 ds

ds

ds

ds2233445566778899等周速曲转速为7转/分，进给量为/秒，以此为基准，保持凸轮各点进给量相同，可计算出相应各点主轴转速如图，得到理想等周速曲线。但实际交流变频转动不可能也无必要按图－6配置主轴转速。砂轮座加速

8等周速曲线

进给数据，由此不难推算出反映砂轮座进给速度与加速度得数据V=dHc以及AC

d2

C，据此画出曲线，图9为其加速度曲线AC[10]CdC光顺处

9加速度曲4.7曲线有多处局部上下抖动，这反映函数Hc

（Smoothing，以对原始数据做小于±0.002mm的修整而使加速度曲线光滑化用于光顺处理的公式很多，下式取自文献[1]，经试用，完全符合要求10为经用公式(4.11)做两次光顺处理后的加HA

-3Xi-2+12Xi-1+17Xi+12Xi+1-3XiiHAX£0.002,则令Xii工件主轴转速配

10光顺处理后的加速度曲化，日本日平富士公司N2凸轮轴磨床的工件主轴转速配置如图，以精磨为例，圆周进给量在图8两个尖峰附近由基圆的s，分别降为s及s，砂轮座3.1mm/s22.6mm/s2。磨削用量数

11主轴转速配置磨削用量数据可随生长节拍、加工余量以及加工精度来调整。机内准备64组数据可（mm：阶段进给量（mm：在总进给量内，可分为3个阶段，根据被加工工件的精度来如图12所示：（mm（mm/min（deg：无火花磨削：根据实际加工情况，设定无火花磨削圈数，无火花磨削的主轴转速与最终转速相同。]。工件中5

12磨削用量数据汽车发动机制造业目前竞争激烈，建立符合中国国情和工厂实际的零部件加工生产线，制定合适的加工工艺，并选用可靠经济的设备，对降低产品成本，保证产品质量，提高竞争力有很大的现实意义。线。主要解决了以下问题：根据凸轮轴加工特点，优化选择了加工设备工质量利用包络线理论，对凸轮轮廓的加工原理进行计算及推导，并计算出相应的砂轮中心坐标及设备主轴转速配置，为生产加工，提供控制参数。提出了关于凸轮升程测量的新方法：测量数据定位法及其数据评价。并使之应用于凸轮轴的测量中，保证了产品的质量。了经济性和先进性的统一，达到了预期的目标。的实际生产有非常重要的参考价值。[1]杨昂岳.梁术.汽车发动机主要零部件技术水平及发展动向[J];汽车工业研究;199406;46-51.[3]W·H·克劳斯汽车发动机设计[M]北京:人民交通出版社[4]吉林工业大学内燃机教研室内燃机理论与设计下册[M]1980,209～258.[6]赵新.多参数在线检测设备的温度补偿机理[M].天津.天内科技[10]吴天林等.机械加工系统自动化[M].北京兵器工业出版社[11]何七荣,潘展,徐琳;凸轮轴型面简易数控磨削技术[J];新技术新工艺;2004年12期ProcessingProcessingTechnologyofAutomobile)theoverallperformanceoftheengine.Therefore,theprocessingtechnologycamshaftshavespecialrequirements,andreasonableprocessingtechnologyforreducingprocessingcosts,reduceproductionprocessesandtherationallayoutofcamshaftproductio