汽車發(fā)動機凸輪軸的主要機械加工工藝設計 - 副本

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. 畢業(yè)設計(論文) 汽車發(fā)動機凸輪軸的主要機械加工工藝設計 教學單位:機電工程學院 專業(yè)名稱:機械設計制造及其自動化 學 號: 學生姓名: 指導教師: 指導單位: 完成時間: . 汽車發(fā)動機凸輪軸的主要機械加工工藝設計 摘 要 凸輪軸作為發(fā)動機的重要組成部分，對其配氣功能有著舉足輕重的作用。 當發(fā)動機工作運轉的時候，凸輪軸負責控制進排氣門的開合和開合量，但是由于工作時轉速比較高，需要承受的扭矩的比較大，所以對凸輪軸的強度和支撐力的要求也比較高，因此在材質的選擇上必須滿足凸輪軸對強度等性能的要求。凸輪軸作為一個重要的零部件，它的改進和發(fā)展對汽車發(fā)動機的配氣性能的提高和進步意義重大。 本課題選取直列四缸頂置氣門式發(fā)動機F3000，對它的凸輪軸加工工藝進行分析與設計，而工藝路線的擬定是工藝規(guī)程制定中的關鍵階段，是工藝規(guī)程制定的總體設計。撰寫一條合理科學的工藝路線，既可以保證加工質量和生產效率，也可以有效合理的安排工人、設備、工藝裝備，最終有利于降低整個生產周期和生產成本。所以，本次設計是在仔細分析凸輪軸零件加工技術要求及加工精度后，合理確定毛坯類型，經過查閱相關書籍、手冊、圖標、標準、等技術資料，確定工藝的機械加工余量、工序尺寸及公差，最終定制凸輪軸零件的加工工序卡片。 關鍵詞: 發(fā)動機；凸輪軸；工藝設計 The Main Machining Process Design Of The Automobile Engine Camshaft Abstract The 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 錄 1 概 述 1 2 確定凸輪軸的加工工藝過程 4 2.1 凸輪軸的作用和分類 4 2.2 凸輪軸傳動與工作條件 5 2.3 凸輪軸的結構及其特點 5 2.4 凸輪軸的主要技術要求分析 6 2.5 凸輪軸的材料和毛坯的確定 7 2.6 凸輪軸的機械加工工藝過程 7 2.7 凸輪軸的機械加工工藝路線 8 3 凸輪軸的機械加工工藝過程分析 10 3.1 凸輪軸的機械加工工藝特點及分析 10 3.2 凸輪軸主要加工工序分析 11 3.2.1 銑凸輪軸兩端面，鉆中心孔 11 3.2.2 主軸頸的加工 11 3.2.3 凸輪軸頸的加工 11 3.2.4 凸輪軸頸的加工 12 4 機械加工余量、工序尺寸及公差的確定 14 4.1 凸輪軸主要加工表面的工序安排 14 4.2 機械加工余量、工序尺寸及公差的確定 14 4.2.1 凸輪軸主軸頸工序尺寸及公差的確定 14 4.2.2 凸輪軸小外圓序尺寸及公差的確定 15 4.3 凸輪軸機械加工工藝過程卡片的制定 15 5 總結與展望 18 參考文獻 19 致 謝 20 . . 1 概 述 凸輪軸是發(fā)動機上的一個的旋轉機件，它的運動對于發(fā)動機有極其重要的作用，在發(fā)動機工作循環(huán)中，它合理地控制進排氣門的開啟、關閉，使經過壓縮的燃油混合氣充分燃燒，推動活塞運動做功，然后將廢氣排出燃燒室 。凸輪軸主要有兩個重要的加工部位:主軸頸和凸輪。凸輪軸軸頸，主要是通過軸承與發(fā)動機接觸，其表面有著足夠高的精度、足夠的剛度、較小的表面粗糙度以及良好的耐磨性，技術要求復雜而且比較高。而另一個重要的加工部位是凸輪，它更是決定著凸輪軸的質量。 凸輪軸只是發(fā)動機的其中一個部件，發(fā)動機的機體另外還由氣缸體、氣缸蓋、曲軸箱等組成，發(fā)動機各機構和各系統(tǒng)也是以發(fā)動機機體為基礎安裝的，發(fā)動機機體的內、外則是安裝著發(fā)動機的所有主要零件和附件，承受各種載荷。氣缸體是發(fā)動機的框架，材料一般用灰鑄鐵制造，氣缸體里面放置有活塞、曲軸等許多零部件，另外還有加強筋、潤滑油道等結構。曲軸箱是放置曲軸的空腔部件，其中分為上下兩部分，上曲軸箱在鑄造的時候就跟氣缸體就是一體的，下曲軸箱的功能更，能夠存放潤滑 油，分隔上曲軸箱，由于它受力小所以下曲軸箱厚度薄，形狀不一，可根據(jù)發(fā)動機的結構和汽油量靈活變動。氣缸體的上面就是氣缸蓋安裝的位置，從上部密封氣缸并構成燃燒室。由于氣缸蓋所處的特殊位置，所以氣缸蓋不得不承受氣體力和緊固氣缸螺栓所造成的機械負荷，同時還由于與高溫燃氣接觸而承受很高的熱。 汽車經100多年來的不斷改進、創(chuàng)新，凝聚了人類的智慧和匠心，最后才發(fā)展成現(xiàn)在的樣子。而作為汽車的心臟發(fā)動機的重要零件，凸輪軸也經過漫長的發(fā)展過程成為現(xiàn)在的樣子。在過去凸輪軸大多是由鑄造以及鍛造生產，個別也有用碳鋼切削加工制造。鑄造式凸輪軸主要有冷硬鑄鐵、淬火鑄鐵等。為了減輕重量，有些凸輪軸采用型芯鑄造，使軸呈空心狀。在不同的國家所采用凸輪軸種類也不同，日本使用冷硬鑄鐵凸輪軸較多，美國使用淬火鑄鐵凸輪軸較多。近年為提高發(fā)動機性能，出現(xiàn)了重融冷硬鑄鐵、淬火球墨鑄鐵等多種形式的凸輪軸，但由于性價比較低等諸多因素影響并沒有廣泛使用。鍛造式凸輪軸以碳鋼為主進行熱鍛，凸輪部分采用高頻淬火處理，主要應用于大中型發(fā)動機上。由于其耐點蝕性能較好，多與氣門頂置式(OHV)機構的挺桿組合使用，也有與搖臂配合應用于柴油發(fā)動機凸輪上置式(OHC)結構上。由于鍛造式凸輪軸無法實現(xiàn)輕量化，發(fā)展?jié)摿^小。鑄造凸輪軸生產工藝為冷激鑄鐵。冷激鑄鐵產品，歐美國家早在上世紀二十年代初已經開始研制，廣泛推廣于上世紀六、七十年代，八十年代技術完全成熟。冷激鑄鐵產品以其低成本、高性能的顯著特點，廣泛應用于內燃機上。在國外，內燃機行業(yè)中有43%~47%汽油機、柴油機采用冷激鑄鐵作為凸輪軸材料，冷激鑄鐵普遍作為凸輪軸材料以其低成本、高性能的顯著特點，得到了廣泛的應用。冷激鑄鐵凸輪軸的性能及應用 冷激鑄鐵由于具有高硬度的碳化物組織而具有良好的抗磨性和抗擦傷性。冷激鑄鐵中的白口層是萊氏體組織，在常溫下是珠光體和碳化物的機械混合物，由于含有大量的碳化物，它起一個骨架作用。硬度較高，而萊氏體中的球光體起到儲油作用。冷激鑄鐵凸輪軸是在HT25基礎上加入一定量的合金元素，經過特殊的鑄造成型工藝鑄造而成。合金元素的加入提高了凸輪軸基體硬度和綜合機械性能，大大提高耐磨性。冷激鑄鐵凸輪軸的機械性能：抗拉強度b>25N/mm2；硬度HRC48~54；耐磨層深度達6~1mm。 由于目前采用的球墨鑄鐵和45#鋼采用等溫淬火或高頻淬火獲得馬氏體組織。高速運轉后，凸輪桃尖部位出現(xiàn)早期磨損，而冷激鑄鐵采用特殊的成型工藝，不需熱處理。凸輪軸各部位即能得到所需的不同硬度值。桃尖部位的磨損量僅為球墨鑄鐵和45#鋼的1/7，同時具有降低加工成本，提高經濟性等優(yōu)點。為了減輕重量，凸輪軸芯鑄成中空圓柱或者中空異型狀成為發(fā)展趨勢。中空圓柱或者中空異型狀對加工設備和生產材料提出了很高的要求，如對磨床等設備的加工精度和穩(wěn)定性要求很高。 作為優(yōu)化整個氣門驅動系統(tǒng)的基本要素，組合式凸輪軸的發(fā)展正成為趨勢。組合式凸輪軸由精密鋼管和裝配于其上的凸輪節(jié)組成，而凸輪節(jié)的材料可以是鋼或粉末金屬材料。裝配式凸輪軸的發(fā)展前景 由于傳統(tǒng)的凸輪軸主要是鑄造或鍛造加工而成，各個部位金屬性能相似。這種凸輪軸很難同時保證發(fā)動機配氣機構對凸輪軸各個部位不同性能的要求，凸輪的排列也不可能緊湊，材料利用不盡合理，后續(xù)加工復雜，在輕量化、功能高度集中和降低成本方面難有新的突破。隨著汽車輕量化發(fā)展，凸輪軸向輕量化、功能高度集中和低成本方向發(fā)展，裝配凸輪軸的優(yōu)勢逐漸被人們認可和接受。裝配式凸輪軸的軸和凸輪分開制造，然后裝配在一起。凸輪一般采用碳鋼或粉末冶金材料，軸頸采用粉末冶金件或集中于芯軸的鋼管上，芯軸則采用冷拔薄壁無縫鋼管。碳鋼凸輪可進行高頻淬火或滲碳處理，具有較高的耐膠著、耐點蝕性能。 在設計方面裝配式凸輪軸可將凸輪寬度設計較窄，間隔亦可很小，凸輪的排列非常緊湊。它與傳統(tǒng)凸輪軸相比具有重量輕、加工成本低、材料利用合理等優(yōu)點，與實心軸凸輪軸相比，重量減輕多達45％。 裝配式凸輪軸的關鍵技術是連接方法，因其連接方法不同而決定制造工藝及設備。裝配式凸輪軸始于上個世紀8年代，最先研制開發(fā)的是焊接連接式凸輪軸。上個世紀8年代中期燒結連接式凸輪軸投入使用，同期出現(xiàn)了擴管法生產的凸輪軸。上世紀9年代后期滾花連接式凸輪軸開始研制。隨著新的連接方法的出現(xiàn)，裝配式凸輪軸制造技術也不斷地被更新。 焊接連接式凸輪軸由于焊接時容易產生熱變形，使凸輪軸的尺寸精度降低，激烈的熱變化也容易使焊接部位產生裂紋，質量難以保證；燒結連接式凸輪軸在進行粉末燒結成型凸輪的同時，凸輪又要在液相狀態(tài)下與鋼管擴散連接，此過程必須在1℃以上燒結爐內進行，在高溫下軸容易產生彎曲，造成尺寸精度誤差，而且在燒結時，對材料的性能也有限制，需要大型燒結爐，熱效率不高；擴管法首先使凸輪與鋼管配合，然后從管內側加液壓或機械擴管，為承受擴管內壓，凸輪壁要有一定的厚度，同時，為了使擴管容易進行，必須使用薄壁鋼管，且由于高壓作業(yè)的特殊要求，也使其設備大型化；冷熱套過盈連接法雖然在機械零件生產中被廣泛應用，但在凸輪軸生產中未必合適，因為在凸輪與軸熱套連接時，凸輪被加熱，產生軟化現(xiàn)象，難以保證摩擦時的耐磨性，許多凸輪在工作時，會向軸端導熱，使得工作初始與完了時的連接過盈量發(fā)生變化，連接器度不能保持一致；滾花法在可靠性、精度、設備、能耗等方面都有一定的優(yōu)越性。 進一步開發(fā)組合式凸輪軸的重點將在于開發(fā)材料及優(yōu)化加工工藝。市場上目前正在大力開發(fā)應用復合材料，例如陶瓷材料等制造凸輪軸。馬勒公司正在進行組合式凸輪軸的擴展功能研發(fā)。比如燃油泵啟動件和傳感器組件的集成也日漸受到青睞。SOHC凸輪軸上進氣口或出氣口凸輪節(jié)的同步可通過馬勒CamInCam嵌套式凸輪軸來實現(xiàn)。 裝配式凸輪軸目前以較快的速度發(fā)展，主要應用于高性能的發(fā)動機上。隨著裝配式凸輪軸生產技術的提高，性能會更好、成本更低、技術多樣化的裝配式凸輪軸將會涌現(xiàn)出來。 隨著過去10年我國汽車產業(yè)的飛速發(fā)展，發(fā)動機凸輪軸也將會進一步的發(fā)展進步，而要求也日益提高:結構緊湊、功能高度集中、重量輕，能承受更高的接觸壓力等等，我們應該貢獻自己的力量，讓我們國家的制造邁上一個嶄新的臺階。 2確定凸輪軸的加工工藝過程 2.1 凸輪軸的作用和分類 凸輪軸是活塞發(fā)動機配氣機構的一部分，控制和驅動各缸氣門依次開啟和關閉，在發(fā)動機在工作時主要有兩個作用，一是定時為汽缸吸納新鮮的可燃混合氣，二是及時將燃燒后的廢氣排出汽缸。采用頂置式氣門和頂置式凸輪軸的發(fā)動機直接通過凸輪軸搖臂驅動氣門，這樣凸輪軸轉速較高，同時可以保證進排氣和傳動效率、簡化傳動機構、降低高轉速的振動和噪音等，因此應用比較廣泛。 凸輪軸根據(jù)安裝位置來分類，主要有下置，中置，頂置三類，下置式配氣機構的凸輪軸位于曲軸箱內，中置式的凸輪軸位于機體上部，上置式的凸輪軸位于氣缸蓋上。底置式一般為轉速較低的發(fā)動機，所以農機跟工程機械中應用比較廣泛，頂置是目前發(fā)動機主流的布置方式，頂置又分為單頂和雙頂，單頂置凸輪軸顧名思義就是在氣缸蓋上僅有唯一的一根凸根軸，沒有推桿和挺桿，因此減小了配氣機構的慣性力的同時也減少了氣門產成顫動的傾向和系統(tǒng)的變形量。而且單頂置凸輪軸發(fā)動機還有另外一個特點，那就是運動質量小，從而讓凸輪輪廓可以設計的比較陡一些，可以使氣門的打開和關閉更為迅速，保證有充分的時間停留在全開的位置上，有利于發(fā)動機的換氣，提高容積效率，這樣也可同時提高發(fā)動機的性能，尤其是高速下的性能。雙頂置凸輪軸就是比單頂置凸輪軸在缸蓋上多安裝一跟凸輪軸，第一根用于驅動進氣門，第二根用于驅動排氣門，省去了挺柱和推桿，使往復運動質量得以大大減小。因此普遍應用于高速發(fā)動機，但正時傳動機構復雜，且為拆裝缸蓋造成一定困難。正因為頂置凸輪軸相對于下置，中置而言優(yōu)點眾多，現(xiàn)在大多數(shù)量產汽車的發(fā)動機配備的是頂置式凸輪軸。 2.2凸輪軸傳動與工作條件 汽車發(fā)動機工作時，曲軸轉動然后帶動凸輪軸運動。曲軸與凸輪軸之間的傳動方式有三種，分別是齒輪傳動、鏈條傳動以及齒形膠帶傳動。下置凸輪軸和中置凸輪軸與曲軸之間的傳動主要通過圓柱形正時齒輪的方式傳動，一般從曲軸到凸輪軸只需要一對齒輪傳動，也可以通過再增加1個中間惰輪，從而避免傳動齒輪直徑過大。而正時齒輪采用斜齒輪，可以讓嚙合平穩(wěn)減少振動和降低工作過程中的噪聲。鏈條傳動常見于頂置凸輪軸與曲軸之間，但由于其工作可靠性和耐久性不如齒輪傳動。在高轉速發(fā)動機上通常使用齒形膠帶代替?zhèn)鲃渔湕l，但在一些大功率發(fā)動機上仍然使用鏈條傳動。齒形膠帶具有工作噪聲小、工作可靠以及成本低等優(yōu)點。對于雙頂置凸輪軸，一般是由正時齒形膠帶或鏈條由曲軸驅動排氣凸輪軸，通過金屬鏈條由排氣凸輪軸驅動進氣凸輪軸，又或者是進氣凸輪軸和排氣凸輪軸二者都由曲軸通過齒形膠帶或鏈條驅動。 凸輪軸工作條件和工作環(huán)境比較惡劣，在應力作用下凸輪軸與挺桿、氣門閥桿形成摩擦副，在工作過程中承受挺桿擠壓應力作用，其次受到一定的彎矩和扭矩的作用，同時又要承受周期性變化的擠壓應力以及與挺桿相接處產生的摩擦的作用力，也受到周期性的沖擊載荷和摩損。凸輪軸在工作過程中與挺柱配合接觸面應力大，且摩擦會產生熱，而散熱條件不好，容易出現(xiàn)撕裂、刮傷、剝落以及早期的磨損等。凸輪軸的主要失效形式為疲勞失效（黏著磨損及擦傷）、凸輪磨損、表面壓應力反復作用造成塊狀剝落和麻點等。 2.3凸輪軸的結構及其特點 圖 21凸輪軸簡圖 圖22為凸輪軸實物圖 凸輪軸的主體部分就是一根軸，軸上附帶有數(shù)個凸輪，正是這些凸輪的轉動實現(xiàn)其進氣排氣的功能。軸的兩端分別作為軸承支撐點以及與驅動輪相連接，而凸輪側面呈雞蛋狀，雞蛋形狀的凸輪有利于實現(xiàn)汽缸充分的進氣和排氣，具體來說就是在盡可能短的時間內盡可能的吸納新鮮的可燃混合氣，并盡可能地把燃燒后的廢氣排出汽缸。另外基于發(fā)動機的使用壽命和運轉穩(wěn)定性的考虐，氣門需要避免開閉動作中的加減速過程所帶來的額外沖擊，否則會造成氣門的不可逆轉的損壞、持續(xù)的噪聲問題或是其它問題的生產。 由于凸輪軸工作時的轉動速度高，因此凸輪軸需要有很高的強度，同時又因為凸輪軸需要承受的轉矩加大，所以對其可靠支撐發(fā)面要求也很高。而凸輪軸的材質主要有鑄鐵跟碳鋼兩大類。為了降低凸輪軸的質量，并提高凸輪軸的承受載荷能力，凸輪軸通常采用中空結構。凸輪軸上加工有潤滑油道，為凸輪軸，搖臂軸以及搖臂等部件提供潤滑。 2.4 凸輪軸的主要技術要求分析 圖23 凸輪軸主要尺寸圖 1 支撐軸頸尺寸為Φ，尺寸精度為IT6，表面粗糙度小于Ra0.60μm，徑向圓跳動小于0.04mm，圓柱度小于0.006mm，凸輪軸的長度公差為IT10，與中間軸頸相鄰的兩軸頸的頸向跳動小于0.02。 2 凸輪基圓尺寸為φ32.80.05，表面粗糙度為Ra0.4μm ，凸輪基圓相對于基準軸線的徑向圓跳動小于0.04mm。 3 鍵槽的尺寸:寬，深4mm，對稱度0.03mm；鍵槽平面相對于前后端軸頸的基準軸線的平行度允許公差為0.02mm；鍵槽側面表面粗糙度Rz3.2μm，工作面表面粗糙度Rz6.3μm。 4 兩端螺紋孔:螺紋孔為M12，采用基孔制；螺紋孔面軸線相對于支撐軸頸面的基準軸線的同軸度允許公差為Φ0.1mm。（見A3圖紙） 5 止推面Φ400.1，表面粗糙度Rz6.3μm。 2.5 凸輪軸的材料和毛坯的確定 凸輪軸比較常用材料有鑄鐵、碳鋼、合金鋼等。鑄鐵主要有球墨鑄鐵、合金鑄鐵、冷激鑄鐵；碳鋼主要有中碳鋼、40鋼、45鋼、合金鋼40Cr等等。球墨鑄鐵一般用于單缸凸輪軸，合金鑄鐵一般用于高速凸輪軸。冷激鑄鐵取消熱處理，節(jié)約能源，加工余量較小，常用于轎車發(fā)動機或汽油機凸輪軸。對于少量生產或試制時，也可利用相應的棒料切削加工成型，但這樣材料的利用率很低。 凸輪軸對材料的要求較多，首先要有一定的彎曲疲勞強度和足夠的韌性，能承受一定的扭轉載荷，確保凸輪軸在工作中受力后無明顯的變形。其次是工作表面特別是凸輪表面要有較高的粗糙度、中等強度和硬度以及較好的耐磨性，避免凸輪軸在工作過程中產生磨損、刮傷、斷裂等嚴重缺陷。然后材料必須具備較好的耐磨性能以及加工時較好的切削加工性能。最后凸輪軸要具有準確的尺寸，軸頸部分的材料要有中等的抗彎強度和抗扭轉載荷及中等的韌性和耐磨性。綜合比較各種材料的強度、韌性、耐磨性、加工性以及經濟等因素，此次凸輪軸選用材料為45鋼。 凸輪軸的毛坯根據(jù)批量大小、尺寸、結構及材料品種來決定。本次凸輪軸毛坯的直徑為53mm，長度為495mm。 2.6凸輪軸的機械加工工藝過程 凸輪軸的機械加工是一個科學嚴謹?shù)倪^程，為保證凸輪軸機械加工工藝的合理，必須滿足其工藝設計原則： （1）在工藝的合理性的前提下，保證工藝具有先進性，在保證產品生產節(jié)奏的前提，運用先進技術，提升產品的競爭力。 （2）如果經濟條件允許，在關鍵技術和設備上，理應選用國內外先進廠家的先進設備。 （3）在保證產品質量的前提下，應考慮將工藝的先進性和經濟性相結合，降低生產成本。 （4）設計工藝時還應充分考慮各個加工環(huán)節(jié)的安全和操作者的方便性。 （5）加工方法應該與企業(yè)當前的技術工人水平和加工設備適應。 （6）選定的加工方法應該與工件材料的加工性能相適應。 （7）在生產進度允許的情況下，盡可能考慮柔性生產。 除了加工工藝的合理性以外，工序順序的合理安排對零件的質量影響也是比較大的。結合本文對凸輪軸加工和零件切屑加工順序原則進行分析: （1）基準先行，零件加工一般多從精基準的加工開始，再以精基準定位加工其它表面。凸輪軸作為旋轉軸類零件應先銑端面加工兩端中心孔，然后再以中心孔作為精基準，粗、精加工所有外圓表面。 （2）先粗后精，先加工精度要求較高的主要表面，即先粗加工再半精加工各主要表面，最后再進行精加工和光整加工。在對重要表面精加工之前，有時需對精基準進行修整，以利于保證重要表面的加工精度。 （3）先主后次，根據(jù)凸輪軸的共用和技術要求，先將凸輪軸的主要表面如主軸頸，凸輪軸頸等和次要表面分開，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。次要表面一般指鍵槽、螺孔、等表面。這些表面一般都與主要表面有一定的相對位置要求，應以主要表面作為基準進行次要表面加工，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結束。 （4）先面后孔，先銑端面在加工中心孔，比較穩(wěn)定可靠，也容易加工，有利于保證孔的精度。如果先加工孔，再以孔為基準加工面，則比較困難，加工質量也受影響。 凸輪軸的尺寸精度、各支承軸頸的同軸度、凸輪形狀精度以及位置精度的要求都很高。基于加工工藝的原則和加工工序的合理性要求，可以讓凸輪軸的整個加工工藝過程變得科學合理，凸輪軸的主要的加工表面可以大致確定為:主軸頸，凸輪，小外圓，鍵槽等，凸輪軸的主要加工工序的順序可歸納為:銑兩端面；鉆中心孔；粗車主軸頸；粗、精磨軸頸、凸輪等。 2.7 凸輪軸的機械加工工藝路線 在進行大量的工藝分析之后，制定出生產凸輪軸的加工工藝路線: （1）銑端面打中心孔 （2）粗車主軸頸 （3）凸輪軸頸粗加工 （4）熱處理 （5）校直 （6）粗磨軸頸、凸輪等 （7）精磨軸頸、凸輪等 （8）探傷 （9）拋光 （10）清洗 （11）下線檢查 確定了凸輪軸的工藝路線后，對其的基準進行選擇，凸輪軸的定位基準應與設計基準和工序基準相統(tǒng)一重合，基準的選擇是工藝設計過程中的重要工作之一。正確與合理的基準，可以讓加工質量得到保證，生產成本得到控制，生產率得到提高。否則，不但使實際生產過程中的錯漏百出，甚至令最后生產的整批零件由于質量問題而報廢，造成很大的經濟損失。凸輪軸的粗基準的在第一道工序銑端面打中心孔中選擇，工件毛坯外柱圓面及其一個側面作為粗定位基準。這保證了后續(xù)加工余量的均勻性，同時也后續(xù)精加工的質量。因為凸輪軸作為軸類零件，各支承軸頸、凸輪、凸輪軸頸、凸輪小外圓的加工等均是采用兩中心孔作為定位基準，表面則是以軸的中心線作為設計基準，同時基于基準重合原則應選擇兩中心孔定位。而基于基準統(tǒng)一原則，多數(shù)工序的定位基準應采用中心孔，這樣能有利于加工端面和外圓。 3 凸輪軸的機械加工工藝過程分析 3.1凸輪軸的機械加工工藝特點及分析 1)剛性差 由于凸輪軸是細長軸，長頸比較大，因此剛度差，通常凸輪軸主軸頸切削加工時工件兩端頂針頂著中心孔，然后用雞心夾夾在小頭，當切削工件中間部分時容易出現(xiàn)較大的受力變形，還有表面的殘余應力會引起變形，尤其在加工凸輪時，其變形最為明顯。凸輪軸在加工過程中的變形，很容易引起后續(xù)加工工序加工余量分配均勻性，如果變形過大會直接造成后續(xù)加工工序無法進行，甚至會使零件直接中途報廢。在設計凸輪軸工藝時，應針對其易變性特性采取相應的輔助措施和合理安排加工工序。 圖24 凸輪軸主軸頸加工 如圖2-4 ，對凸輪軸主軸頸的粗精加工，由于主軸頸數(shù)量加多，而且分散在整個凸輪軸上，加工時，中間最容易出現(xiàn)明顯變形及殘余應力， 針對這些情況應采取以下措施: (1) 可以通過輔助支承，比如托架等，來增強剛度，降低加工造成的變形和振動。 (2) 采用小切削量或者分段加工減少變形。 (3) 合理安排工位順序以減少加工變形。 (4)粗加工產生的變形在精加工中進行修正，半精加工產生的變形在精加工中修正。 2）加工難度大，技術要求高 凸輪軸的整體加工路線較長，形狀相對復雜，精加工占比較高，凸輪軸的凸輪、支承軸徑、止推面都是不容易加工的。凸輪更是凸輪軸的加工難度最大的，不但技術要求較高，加工面多而且復雜，需要滿足它的尺寸、形狀、位置精度要求，凸輪的加工，要滿足其性能要求，不僅要求凸輪曲線升程滿足進排氣門的開啟和關閉的規(guī)律曲線，還需要滿足凸輪的相位角要求，比如說，第三進氣相位角為13。但凸輪的輪廓曲線上的各點相對其回轉中心的半徑是一直變化的。如果選用一般的機床加工，由于加工半徑的隨時改變必定 會引起機床的切削力和切削速度的變化，這勢必會使凸輪輪廓曲線出現(xiàn)誤差，從而導致凸輪的性能受到影響。因此凸輪軸加工時應注意以下問題: A 正確分配粗加工、半精加工及精加工余量。 B 粗基準選擇用凸輪軸兩端的中心孔，中心孔的加工以主軸頸外圓作為基準，這樣能保證凸輪軸加工頸向及軸向加工余量的均勻性。 C 凸輪軸軸向定位以主軸頸軸肩定位，工藝設計時定位基準應盡量與設計基準一致。 3.2凸輪軸主要加工工序分析 3.3.1銑端面打中心孔 銑端面打中心孔作為發(fā)動機凸輪軸加工工藝的第一個比較重要的工序，將在鉆銑車組合車床上完成，若端面不平則中心鉆上的兩切削刃的受力不均，鉆頭可能引偏而折斷，因此采用先面后孔的原則。它的的加工質量直接影響著后續(xù)加工工序的質量，同時影響著凸輪軸的質量和性能。本工序的中心孔作為后續(xù)各支承軸頸，凸輪，止推面的粗加工，半精加工到精加工以及凸輪軸的拋光等工序的定位精基準，十分重要。在銑端面時，一般只限定5個自由度即刻，用2個V型塊限定4個自由度，軸向自由度是由凸輪軸軸頸前端面或后端面。目前普遍采用的是自定心定位加緊，密齒刀盤銑削。軸向尺寸保證后端面到毛坯的粗定位基準尺寸和整個凸輪軸長度。 3.3.2主軸頸的加工 凸輪軸主軸頸的加工常采用車削、熱處理、 磨削、拋光的加工工藝，傳統(tǒng)粗加工多采用多刀車削工藝，但由于加工變形大、設備柔性差等問題，目前已逐步被CNC車削、外銑等加工方式所替代，磨削加工根據(jù)產量的大小，常采用多砂輪或單砂輪磨削，多砂輪磨削可以高效率地磨削凸輪軸支撐軸頸，CNC車削可以通過多觸點校直，有效控制凸輪軸主軸頸對兩端主軸頸跳動量低于0.04mm圓柱度低于0.006mm。同時數(shù)控磨削可以運用在線檢測技術，對零件的加工部位尺寸進行監(jiān)控，并把對砂輪的自動修整數(shù)據(jù)反饋給數(shù)控系統(tǒng)，來控制砂輪的補償，確保加工部位的尺寸符合要求。 3.3.3凸輪軸頸的加工 凸輪軸頸的粗加工常用凸輪仿形車床車削加工或CNC銑削加工，精加工采用凸輪磨床進行磨削，傳統(tǒng)磨削采用靠模方式磨削，目前隨著數(shù)控技術的發(fā)展，以采用無靠模的CNC軌跡跟蹤磨削，機床砂輪進給軸和工件旋轉軸進行插補磨削方式，完全取消了機械靠模，從而具有良好的柔性、加工精度較高。凸輪軸頸傳統(tǒng)加工流程:仿形多刀車→ 粗磨→淬火→半精磨、精磨→靠模砂帶拋光，目前的加工流程: CNC無靠模外銑機床銑削凸輪→淬火→ CNC無靠模磨床CBN砂輪磨削凸輪→柔性拋光凸輪。 3.3.4凸輪的加工 凸輪作是凸輪軸整個加工過程的重點難點，加工過程中要保證凸輪的尺寸精度要求，而且還有形狀精度和位置度要求，而其中形面的加工又是凸輪加工中最重要的部分。另外，凸輪的加工還要滿足其性能要求，不僅要求凸輪曲線升程滿足進排氣門的開啟和關閉的規(guī)律曲線，還需要滿足凸輪的相位角要求，如圖25，第三進氣相位角為13。但凸輪的輪廓曲線上的各點相對其回轉中心的半徑是一直變化的。如果選用一般的機床加工，由于加工半徑的隨時改變必定會引起機床的切削力和切削速度的變化，這勢必會使凸輪輪廓曲線出現(xiàn)誤差，從而導致凸輪的性能受到影響。 圖 25 凸輪型線相位角 但是隨著凸輪磨削技術的飛速發(fā)展，例如數(shù)控技術和CBN砂輪的應用的提高，凸輪磨削的幾何尺寸的控制比較準確，這個問題也得到了有效的解決。 凸輪形面的粗加工目前在國內主要是凸輪軸車床車削加工，也有采用銑削加工和磨削加工的。如采用液壓仿形凸輪銑床和雙靠模凸輪軸磨床，而雙靠模凸輪軸磨床有兩套靠模，當砂輪直徑在一定范圍內時，使用第一個靠模來工作。當砂輪磨損到一定程度時，靠模自動轉換，使用第二個靠模來工作。該磨床通過對砂輪直徑的控制來提高凸輪外形的精度，而且提高了凸輪形面的加工精度。 發(fā)動機凸輪軸毛坯采用精鑄的方法制造，毛坯精度較高，切削量小，故采用磨削的加工工藝，簡化了凸輪形面的加工。凸輪形面的加工采用磨削的方法，在凸輪磨床上完成粗磨及精磨的加工。工件安裝在兩頂尖之間并以鍵槽做軸向定位，在支承軸頸處安裝輔助支承保證凸輪形面的加工精度。發(fā)動機凸輪軸形面的加工所采用的凸輪軸磨床是立方氮化硼磨床，該磨床能迅速地變換磨削的凸輪形狀，超過一般仿珩磨的生產率。機床具有較大的剛度，能承受大的工作負也使砂輪的利用更經濟、合理。由于立方氮化硼（CBN）砂輪的使用壽命高，因此，砂輪的直徑變化所造成的凸輪形狀誤差顯著減小，也大大提高了凸輪形面的磨削精度。 圖26 凸輪軸凸輪加工 凸輪的加工以鍵槽作為定位基準，全部凸輪的徑向偏角為7′30″～11′30″，凸輪高度為，基圓半徑為16.40.05，凸輪基圓軸線相對于兩中心孔基準軸線的徑向圓跳動為0.04mm。以第三對凸輪（圖26）為例，進氣凸輪對稱中心線相對鍵槽對稱中心線的夾角為1330′，兩凸輪對稱中心線夾角為9330′。在精磨凸輪過程中需要注意在加工前應用高壓氣槍吹出中心孔的鐵屑，并用棉紗擦拭中心孔，加工完后檢驗工件是否符合技術要求。 4 機械加工余量、工序尺寸及公差的確定 4.1凸輪軸主要加工表面的工序安排 輪軸的主要加工表面為主軸頸、凸輪、外圓；次要加工表面為兩端面、鍵槽。此外，還有還有檢驗、清洗、去毛刺等工序。 凸輪軸各主要表面的工序安排如下: （1）、主軸頸:粗車、精車、磨削； （2）、凸輪:粗車、粗磨、精磨； （3）、φ350.0440.022mm小外圓:粗車、精車、磨削。 4.2機械加工余量、工序尺寸及公差的確定 4.2.1凸輪軸主軸頸工序尺寸及公差的確定 表1凸輪軸主軸頸的工序尺寸及公差 工序名稱 工序余量 經濟精度 工序尺寸及公差 鑄造 φ531 粗車 3.2mm IT11 φ49.8-0.160 精車 1.3mm IT8 φ48.5-0.0550 磨削 0.5mm IT6 φ48-0.075-0.050 4.2.2凸輪軸小外圓工序尺寸及公差的確定 表2凸輪軸小外圓的工序尺寸及公差 工序名稱 工序余量 經濟精度 工序尺寸及公差 鑄造 φ53 粗車 14mm IT11 φ39-0.290 精車 3.5mm IT8 φ35.5-0.0500 磨削 0.5mm IT6 φ350.0440.022 4.3 凸輪軸機械加工工藝過程卡片的制訂 填寫工藝卡片是制訂機械加工工藝規(guī)程的最后一項工作，它主要包括發(fā)動機凸輪軸的工序順序及內容的填寫、工序簡略的繪制、合理選擇各工序所用機床設備的名稱與型號、工藝裝備的名稱與型號。 表3發(fā)動機凸輪軸主要加工工藝過程 工序號 工序 名稱 基準 工序簡圖 設備 1 銑端面打中心孔 粗基準:前后兩支承軸頸毛坯外圓 鉆床 2 粗車外圓及劃線 兩個中心孔、小頭用輔助支撐 CNC車床 3 粗切槽 兩個中心孔、小頭用輔助支撐 車床 4 正火 正火生產線 續(xù)表3 5 精車 外圓 兩個中心孔、 小頭用輔助支撐 CNC車床 6 粗車 凸輪 兩個中心孔、 鍵槽 CNC車床 7 粗磨 外圓 兩個 中心孔、 凸輪軸 小外圓 CNC磨床 8 精研 中心孔 臺鉆 9 精磨 凸輪 兩個 中心孔 磨床 10 精磨大外圓 兩個 中心孔 磨床或專機 11 拋光、 去毛刺 兩個 中心孔 拋光機 12 探傷 探傷機 13 清洗、 防銹 清洗機 續(xù)表3 14 下線檢查 5 總結與展望 本文通過對F3000發(fā)動機凸輪軸加工工藝的了解分析和設計，合理選擇制定加工工藝以及工藝路線，并選擇經濟合適的材料，有利于降低生產成本以及保證凸輪軸質量。通過這次工藝分析設計，讓我結合到自己所學到的知識的同時，對機械加工藝方面的知識有了更加深刻的理解。 凸輪軸作為配氣機構的關鍵部件，其外形復雜，技術要求很高，因此在加工過程中合理的選材、合理的定位基準的選擇、合理的熱處理工藝的設計以及設備的選擇變得非常重要，在本次設計過程中，選用的材料為45鋼，第二道工序銑端面打中心孔凸輪軸實際加工選取的粗基準為凸輪軸支承軸頸的毛坯外柱圓面及其一個側面，然后后面的加工精基準的選擇是中心孔。凸輪軸的熱處理主要是正火和淬火，凸輪軸的支承軸頸和進排氣凸輪表面進行中頻淬火等。本畢業(yè)設計以發(fā)動機凸輪軸加工工藝為例，制定了相應工藝，繪制了工藝圖，可直接指導生產過程加工，根據(jù)工藝生產的產品加工質量達到產品圖紙要求、加工效率得到高、生產成本得到降低，對企業(yè)的實際生產有著重要的意義。 參考文獻 [1] 王先逵編著.機械制造工藝學[M]. 第二版.北京:機械工業(yè)出版社,2006.1 [2] 李洪編著.機械加工工藝手冊[M].第一版.北京:北京出版社,1996.1 [3] 鞠魯粵編著.機械制造基礎.第四版.上海:上海交通大學出版社,2007.8 [4] 趙程編著.機械工程材料[M].第二版.北京:機械工業(yè)出版社,2007.8 [5] 石楓編著.公差配合與技術測量.北京:理工大學出版社 2010.7 [6] 徐灝.機械設計手冊[M].機械工業(yè)出版社．1992. [7] 王增林編著.工程機械發(fā)動機構造與維修.北京:電子工業(yè)出版社 2008.5 [8] 鄒青編著.機械制造技術基礎課程設計指導教程.第三版.吉林:機械工業(yè)出版社2012.10 謝 辭 四年的讀書生活在這個季節(jié)即將劃上一個句號，而于我的人生卻又是一個新的開始，我將面對又一次征程。四年的求學生涯在師長、同學的大力幫助下，走得辛苦卻也收獲滿囊，在畢業(yè)設計即將付梓之際，思緒萬千，心情久久不能平靜。 偉人、名人為我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和贊美獻給一位平凡的人，伍光老師，我不是您最出色的學生，而您卻是我最尊敬的老師。您治學嚴謹，學識淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。授人以魚不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了宏偉的學術目標，領會了基本的思考方式，從題目的選定到畢業(yè)設計的最后,經由您悉心的點撥,再經思考后的領悟,我總能感悟到“山重水復疑無路,柳暗花明又一村”這句詩的深意。 同時還要感謝我的爸爸媽媽，焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報，你們永遠健康快樂是我最大的心愿。在畢業(yè)設計即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到畢業(yè)設計的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯謝意！ 另外，感謝學校給予我這樣一次機會，能夠獨立地完成一個課題，并在這個過程當中，給予我們各種方便，使我們在即將離校的最后一段時間里，能夠更多學習一些實踐應用知識，增強了我們實踐操作和動手應用能力，提高了獨立思考的能力。再一次對我的母校表示感！ 電子科技大學中山學院畢業(yè)設計（論文）任務書 學生姓名 學號 專業(yè)班級 模具 題目名稱 汽車發(fā)動機凸輪軸的主要機械加工工藝設計 指導教師 伍光 職稱 講師 所在單位 電話 課題類型 □工程設計、產品開發(fā)；□理論性研究、調研報告、案例分析；□軟件開發(fā)；□應用（實驗）；其他 課題來源 □科研；□社會生產實踐；□實驗；其他 畢業(yè)設計（論文）時間 2015年11月20日 至2016 年5月10日 階段工作進度安排： 1. 學生選題 2. 查閱相關文獻資料： 3. 撰寫開題報告： 4. 完成論文初稿，接受審查： 5. 論文修改至定稿與印刷： 6. 論文答辯： 設計（論文）的主要內容和要求： 通過對發(fā)動機凸輪軸機械加工工藝設計，使我能夠綜合運用所學知識，從分析零件結構特點和審查零件結構工藝性入手，根據(jù)零件技術要求和材料，闡述凸輪軸對毛坯選擇、定位基準、典型表面的加工以及零件的機械加工工藝過程，并更加深刻的了解凸輪軸制造的重要性。 推薦參考文獻： [1] 王先逵編著.機械制造工藝學[M]. 第二版.北京:機械工業(yè)出版社,2006.1 [2] 李洪編著.機械加工工藝手冊[M].第一版.北京:北京出版社,1996.1 [3] 鞠魯粵編著.機械制造基礎.第四版.上海:上海交通大學出版社,2007.8 [4] 趙程編著.機械工程材料[M].第二版.北京:機械工業(yè)出版社,2007.8 [5] 石楓編著.公差配合與技術測量.北京:理工大學出版社 2010.7 [6] 徐灝.機械設計手冊[M].機械工業(yè)出版社．1992. [7] 王增林編著.工程機械發(fā)動機構造與維修.北京:電子工業(yè)出版社 2008.5 [8] 鄒青編著.機械制造技術基礎課程設計指導教程.第三版.吉林:機械工業(yè)出版社2012.10 續(xù)表 指導教師簽名： 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）專家組意見： □同意下達任務書 □不同意下達任務書 負責人簽名： 年 月 日 注：階段工作包括查閱文獻、調研、撰寫開題報告、實驗或設計、撰寫畢業(yè)設計（論文）或設計說明書、定稿及答辯等。 . . .