毕业设计四缸发动机凸轮轴的工艺设计

武汉纺织大学2011届毕业设计论文附件八：武汉纺织大学毕业设计(论文)课题名称： 四缸发动机凸轮轴的工艺设计 完成期限： 2010年12月1日至2011年5月30日 院系名称 机械工程与自动化学院 指导教师 徐巧 专业班级 机设073 指导教师职称 讲师 学生姓名 向冲 院系毕业设计（论文）工作领导小组组长签字 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。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。凸轮轴对其工作要求、部分精度较高，如轴上的油孔的加工、法兰盘孔的加工等。凸轮轴的工艺过程，我们尽量做到清晰明了，在保证表达清楚的基础上，尽量做到简练。凸轮轴是轴类零件中比较复杂的一种曲轴，而在磨削加工方面，凸轮轴也是比较难以加工的轴，这种轴类零件的加工方法一般都是大同小异的。凸轮轴的加工一般是先经过车床的车削加工，制成半成品；然后经过相应的热处理；再就是对凸轮轴各部分的磨削加工；最后就是经过相关工序的处理和检验合格后就可以入库了。关键词：四缸发动机； 凸轮轴； 加工工艺ABSTRACT Camshaft Engine Valve as a key component in its performance directly affects the overall performance of the engine. Therefore, the processing technology camshaft has specific requirements for a reasonable process to reduce processing costs, reduce production processes and the rational arrangement of the camshaft production line of great practical significance. In this paper, the processing characteristics of the camshaft, with the actual plant, starting from the pre-planning, on the camshaft of the process conducted in-depth analysis and research. Convex contour shape of calculated and pulled down the processing of the cam profile are discussed and made applicable to the processing method of the engine camshaft. Camshaft its work requirements, some high precision, such as the axis of the hole of the process, the flange hole processing. Camshaft process, we have clarity as far as possible, in ensuring the basis of clear, concise and as far as possible. Cam shaft of the more complex is a crankshaft, and in the grinding, the cam shaft is relatively hard to process, this shaft parts are generally similar to those of processing methods. Camshaft after the processing is generally the first turning lathe, made of semi-finished products; and then after appropriate treatment; then there are the various parts of the camshaft grinding; the last is through the relevant processes for handling and storage after inspection the.Keywords：Four-cylinder engine；Camshaft； Processing目 录1. 绪论61.1 课题的意义和背景61.2 凸轮轴的工艺设计发展现状61.3 本文研究的内容62. 发动机配气机构原理介绍72.1 配气机构的组成和工作过程72.2 活塞在气缸内的四个冲程83. 凸轮轴的设计93.1 凸轮轴的功用103.2 凸轮轴的结构特点和技术要求103.3 各种凸轮轴的技术要求103.4 生产类型的确定103.5 凸轮轴的凸轮形状设计103.6 凸轮轴的材料选定173.7 凸轮轴的数据选定173.8 凸轮轴的直径和长度选定173.9 凸轮轴的结构设计184. 凸轮轴的工艺性分析184.1 定位基准的选择184.2 表面加工方法的选择194.3 加工阶段的划分和工序顺序的安排194.4 热处理工序的安排204.5 加工余量的确定204.6 切屑用量的确定215. 凸轮轴加工的主要工序说明215.1 凸轮轴轴颈粗加工采用无心磨床磨削215.2 铣端面，钻中心孔215.3 凸轮轴的热处理225.4 主轴颈快速点磨加工225.5 凸轮的加工235.6 凸轮轴的抛光235.7 凸轮轴的探伤245.8 凸轮轴的清洗246. 凸轮轴的工艺设计说明分析247. 总结和展望34参考文献36致谢371 绪论 11 课题的意义和背景在现代社会，汽车是人们生活出行的最普通而快捷的交通工具，而发动机是汽车的心脏，其性能对汽车的整车性能有决定性的影响。凸轮轴是活塞发动机里的一个必不可少的部件，凸轮轴（camshaft）定义：装有一个或多个凸轮的轴。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。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。12 凸轮轴的工艺设计发展现状目前，国内多数轿车主机厂的凸轮轴生产线和专业生产凸轮轴的厂家均引进了CBN磨削技术，但仍有很多的载重汽车、柴油机和摩托车发动机的凸轮依然采用传统的刚玉砂轮、靠模仿形的磨削工艺。粗磨工序使用的是国产中低速磨床(35m/s以下)，精磨工序部分厂家使用进口磨床，但使用速度均在60m/s以下，修整工具以单点金刚石笔居多，进口磨床和少数国产磨床采用金刚石滚轮修整。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。13 本文研究的内容本文主要围绕凸轮轴的工艺分析设计，从前期选材、凸轮和凸轮轴的理论计算、工艺设计这几个方面，阐述了凸轮轴加工的一套设计思路和方法，对发动机制造业中的零部件加工具有重要的参考作用。2发动机配气机构原理介绍 21 配气机构的组成和工作过程 配气机构由气门组和气门传动组组成。气门组用来封闭气缸的进、排气道口；气门传动组使气门打开和控制开启与关闭的时刻及开启与关闭的规律。如图所示为一种典型的配气机构的结构。气门组主要包括气门、气门导管、气门弹簧、气门弹簧座等。气门传动组主要由凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂轴、摇臂及气门间隙调整螺钉等组成。图2-1 链传动配气机构1挺柱；2推杆；3摇臂轴总成；4凸轮轴；5曲轴；6链条配气机构的工作过程：凸轮轴4转动时,当凸轮的圆柱面(基圆)部分与挺柱1接触时,挺柱1不升高,挺柱1以上的传动件不动作,气门是关闭的。当凸轮的凸起部分与挺柱1接触时,便开始将挺柱1顶起,于是气门被打开。当凸轮的最大凸起处与挺柱1接触时,气门达到最大开度。随后,凸轮与挺柱1接触表面的凸起开始逐渐变小,气门在气门弹簧的作用下开始上升关闭,并反向推动摇臂等传动杆件,使挺柱1下压保持与凸轮的接触。当凸轮凸起部分离开挺柱1时,气门完全关闭。22 活塞在气缸内的四个冲程活塞顶部在曲轴旋转中心最远的位置叫上死点、最近的位置叫下死点、从上死点到下死点的距离叫活塞冲程。活塞式航空发动机大多是四冲程发动机，即一个气缸完成一个工作循环，活塞在气缸内要经过四个冲程，依次是进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。如图所示：图2-2发动机开始工作时，首先进入“进气冲程”，气缸头上的进气门打开，排气门关闭，活塞从上死点向下滑动到下死点为止，气缸内的容积逐渐增大，气压降低低于外面的大气压。于是新鲜的汽油和空气的混合气体，通过打开的进气门被吸入气缸内。混合气体中汽油和空气的比例，一般是 1比 15即燃烧一公斤的汽油需要15公斤的空气。进气冲程完毕后，开始了第二冲程，即“压缩冲程”。这时曲轴靠惯性作用继续旋转，把活塞由下死点向上推动。这时进气门也同排气门一样严密关闭。气缸内容积逐渐减少，混合气体受到活塞的强烈压缩。当活塞运动到上死点时，混合气体被压缩在上死点和气缸头之间的小空间内。这个小空间叫作“燃烧室”。这时混合气体的压强加到十个大气压。温度也增加到摄氏4OO度左右。压缩是为了更好地利用汽油燃烧时产生的热量，使限制在燃烧室这个小小空间里的混合气体的压强大大提高，以便增加它燃烧后的做功能力。当活塞处于下死点时，气缸内的容积最大，在上死点时容积最小（后者也是燃烧室的容积）。混合气体被压缩的程度，可以用这两个容积的比值来衡量。这个比值叫“压缩比”。活塞航空发动机的压缩比大约是5到8，压缩比越大，气体被压缩得越厉害，发动机产生的功率也就越大。压缩冲程之后是“工作冲程”，也是第三个冲程。在压缩冲程快结束，活塞接近上死点时，气缸头上的火花塞通过高压电产生了电火花，将混合气体点燃，燃烧时间很短，大约0.015秒；但是速度很快，大约达到每秒30米。气体猛烈膨胀，压强急剧增高，可达6O到75个大气压，燃烧气体的温度到摄氏2000到250O度。燃烧时，局部温度可能达到三、四千度，燃气加到活塞上的冲击力可达15吨。活塞在燃气的强大压力作用下，向下死点迅速运动，推动连杆也门下跑，连杆便带动曲轴转起来了。这个冲程是使发动机能够工作而获得动力的唯一冲程。其余三个冲程都是为这个冲程作准备的。第四个冲程是“排气冲程”。工作冲程结束后，由于惯性，曲轴继续旋转，使活塞由下死点向上死点运动。这时进气门仍旧关闭，而排气门大开，燃烧后的废气便通过排气门向外排出。当活塞到达上死点时，绝大部分的废气已被排出。然后排气门关闭，进气门打开，活塞又从上死点下行，开始了新一次的循环。从进气冲程吸入新鲜的混合气体起，到排气冲程排出废气止，汽油的热能通过燃烧转化为推动活塞运动的机械能，带动螺旋桨旋转而作功，这一总的过程叫做一个“循环”。这是一种周而复始的运动。由于其中包含着热能到机械能的转化，所以又叫“热循环”。3凸轮轴的设计 31 凸轮轴的功用 凸轮轴是机车发动机上的一个重要零件，它对各气缸的进、排气门的开启和关闭起控制作用，同时，还用来驱动分电器，汽油泵等辅助装置。32 凸轮轴的结构特点和技术要求各种发动机凸轮轴的结构基本差不多，主要差别是凸轮轴的数量、形状和位置不同，其中以四缸、六缸、八缸发动机的凸轮轴用的最多。就凸轮轴的结构特点而言，其形状复杂，长径比大，工件刚性较差 。 33 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。34 生产类型的确定根据设计任务书所给定的原始资料来确定生产类型。设计任务书给出的资料显示并按车间的工作情况及工件的重量可知，按产量可分单位生产、小批量生产、中批量生产及大批量生产。由金属机械加工工艺人员手册表15-5查 零件重48KG100KG，且年产量为3000件，属于中批量生产。根据该生产特性可以初步确定零件的机械加工工艺过程，由于中批量生产，一般采用高效机床和专用机床；对刀具一般采用通用刀具，也可以根据工厂实际情况采用专用刀具；量具采用专用量具；夹具使用专用夹具及辅助夹具来提高生产率，同时节省了人力、物力，达到经济可行的目的。35 凸轮轴的凸轮形状设计1） 进气凸轮的升程（回程）的设计将进气凸轮的升程（回程）定为10.21156mm,基圆直径取为46.5mm。根据教材机械原理第七版中第九章凸轮机构及其设计的第二节推杆的运动规律，可确定本课题中的推杆为正弦加速度运动，因为是为了避免推杆在运动中发生冲击，不仅如此，发动机中的轴的运动速度较高，均有柔性冲击，而正弦加速度运动，因为没有加速度突变的现象，不存在柔性冲击，具有较好的运动性能，因此可在高速下应用。 根据机械原理第三节凸轮轮廓曲线的设计凸轮轮廓曲线设计方法是解析法，凸轮廓线设计方法的基本原理是反转法，在由于是正弦加速度运动，升程（回程）值为10.21156mm可作出推杆的运动轨迹图3-1。凸轮的推杆升程（回程）的具体数据如下表3-1。图3-1 公式（3-1） 公式（3-2） 公式（3-3）(为推程运动角，为回程运动角）； 公式（3-4）令，得 公式（3-5）式中位移应该分段计算a 推程阶段 公式（3-6） ； b.回程阶段 公式（3-7） 取计算间隔为5度，将以上各相应值带入公式计算凸轮轮廓上各点的坐标值。具体数据见下表：表3-1角度（单位：度）位移x（单位：毫米）位移y（单位：毫米）00232552026231621040372289715601822458207952218482598262107230116252013535133361904540149451781145164416445017811149456020135116257021848795280228974037902325010022985-4.05311022.475-8.1812021.863-12.62313020.861-17.50514018.949-22.58215015.733-27.2516011.218-30.8151705.795-32.8651800-33.46156185-2.915-33.323190-5.795-32.865195-8.584-32.038200-11.218-30.815205-13.619-29.207210-15.733-27.25215-17.514-25.013220-18.949-22.582225-20.051-20.051230-20.861-17.505240-21.863-12.623250-22.475-8.18260-22985-4.053270-23250280-22.8974.037290-21.8487.952300-20.13511.625310-17.81114.945320-14.94517.811330-11.62520.135340-7.95221.848350-4.03722.897360023.25凸轮的轮廓曲线如图所示：图3-22） 排气凸轮的的升程（回程）的设计 根据进气凸轮的选定方法，基圆同样定位46.5，升程（回程）10.20992mm。其他的与进气凸轮类似的取定。其推杆的运动轨迹：图3-3数据的计算公式同进气凸轮的推杆公式计算相同，计算的结果如下表所示：表3-2角度（单位：度）位移x（单位：毫米）位移y（单位：毫米）00232552026231621040372289715601822458207952218482598262107230116252013535133361904540149451781145164416445017811149456020135116257021848795280228974037902325010022985-4.05311022.475-8.1812021.863-12.62313020.861-17.50514018.949-22.58215015.733-27.2516011.218-30.8151705.795-32.8651800-33.45992190-5.795-32.865200-11.218-30.815210-15.733-27.25220-18.949-22.582230-20.861-17.505240-21.863-12.623250-22.475-8.18260-22985-4.053270-23250280-22.8974.037290-21.8487.952300-20.13511.625310-17.81114.945320-14.94517.811330-11.62520.135340-7.95221.848350-4.03722.897360023.25凸轮的轮廓曲线如图所示：图3-43） 凸轮的宽度根据凸轮轴的长度，这8个凸轮的的宽度取定为16.8mm。4） 进气凸轮的径向位置（进气凸轮桃尖之间的夹角）根据曲轴的连杆颈的位置，每相邻的进气凸轮之间的夹角角度为90o 。5） 排气凸轮的径向位置（排气凸轮桃尖之间的夹角） 排气凸轮桃尖之间的夹角的确定与进气凸轮桃尖之间的夹角的确定方法相同，夹角为90o。6） 相邻的进气凸轮与排气凸轮之间的夹角的确定 相邻的进气凸轮与排气凸轮（桃尖）之间的夹角为72.5o（在工厂试验室试验得出，这主要由于要使汽缸中的排气与进气过程有序的进行，不能使曲轴上的连杆颈在同一个位置受两方向的力，经过多次的试验得出夹角为72.5o)。36 凸轮轴的材料选定在制定工艺规程时，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。因为凸轮轴在加工时需要较强的加工性和经济性,并且对它的硬度也有较大的要求,因此选定凸轮轴的材料为20Cr。37 凸轮轴的数据选定1）支承轴颈 两个支承轴颈的外圆尺寸80mm表面粗糙度Ra0.4 m.。2）凸轮 1，2，4，5位的凸轮基圆尺寸R500.2，3，6位的凸轮基圆尺寸R450.02，表面粗糙度Ra0.8 m。3）法兰盘孔 左右法兰盘孔尺寸为6.3 mm。4）轴上油壁孔 轴上油壁孔尺寸为8 mm。38 凸轮轴的直径和长度选定本课题所要设计的发动机为四汽缸,长度及直径的数据初步取定为：凸轮轴的长度取723mm，直径取为80mm。39 凸轮轴的结构设计 安装带轮处的直径为50.8mm，带轮轮毂取25mm，因此此处的宽度略短于轮毂宽度，取24.67mm，轴肩的直径为55.88mm，宽度为4.83mm。如下图：图3-5具体数据见凸轮轴零件图。4凸轮轴的工艺性分析41 定位基准的选择定位基准有粗基准和精基准之分。工件加工的第一道工序或最初几道工序中，只能用毛坯上未经加工的表面作为定位基准，这种定位基准称为粗精准。在以后的工序中则使用经过加工的表面作为定位基准，这种基准称为精基准。粗基准的选择：1）合理分配加工余量的原则；2）保证零件加工表面相对于不加工表面具有一定位置精度的原则；3）便于装夹原则；4）粗基准一般不得重复使用的原则。精基准的选择：1）“基准重合”原则；2）“基准统一”原则；3）“互为基准”原则；4）“自为基准”原则。 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位误差，就成为保证凸轮轴加工精度的关键。本文采用两顶尖孔作为轴类零件的定位基准，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。这种方法不仅使工件的装夹方便、可靠。简化了工艺规程的制定工作，使各工序所使用的夹具结构相同或相近，从而减少了设计、制造夹具的时间和费用，而且有可能在一次装夹中加工出更多表面。这对于大量生产来说，不仅便于采用高效专用机床和设备以提高生产效率，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。42 表面加工方法的选择1）加工方法选择的步骤是首先确定被加工零件主要表面的最终加工方法，然后依次向前选定各预备工序的加工方法。2）在被加工零件各表面加工方法分别初步选定后，还应综合考虑为保证各加工表面位置精度要求而采取的工艺措施。3）一个零件通常是由许多表面所组成，但各个表面的几何性质不外乎是外圆、孔、平面及各种成形表面等，因此，熟悉和掌握这些典型表面的各种加工方案对制定零件加工工艺过程是十分必要的。43 加工阶段的划分和工序顺序的安排由于凸轮轴的加工精度较高，整个加工不可能在一个工序内全不完成。为了利于逐步地达到加工要求，所以把整个工艺过程划分为三个阶段，以完成各个不同加工阶段的目的和任务。发动机凸轮轴的加工的三个阶段：1) 粗加工阶段包括车各支承轴颈和粗磨凸轮。该阶段要求机床刚性好，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。2) 半精加工是精车各支承轴颈。3) 精加工包括精磨各支承轴颈、止推面和凸轮加工。该阶段加工余量和切削量小，加工精度高。加工顺序的安排与零件的质量要求有关，工序安排是否合理，对于凸轮轴加工质量、生产率和经济性都有很大影响。对于各支承轴颈是按粗车精车精磨加工的，对于凸轮是按粗磨精磨加工的，各表面的加工顺序按从粗到精、且主要表面与次要表面的加工工序相互交叉进行，从整体上说，符合“先粗后精”的加工原则。44 热处理工序的安排1）预备热处理：退火与正火，通常安排在粗加工之前；调质，由于调质能得到组织细致均匀的回火索氏体，所以有时也用作预备热处理，但一般在粗加工以后进行。2）最终热处理：由于调质的零件不仅有一定的强度和硬度，还有良好的冲击韧性，综合机械性能较好，因此，调质处理还常作为最终热处理，一般安排在精加工之前进行；淬火，可分为整体淬火和表面淬火两种，常安排在精加工之前进行；渗碳淬火，对于低碳钢或低碳合金钢零件，当要求表面硬度高而内部韧性好时，可采用表面渗碳淬火；氮化处理，采用氮化工艺可以获得比渗碳淬火更高的表面硬度和耐磨性、更高的疲劳强度及抗蚀性。3）时效处理：时效处理有人工时效和自然时效两种，目的都是为了消除毛坯制造和机械加工产生的内应力。4）表面处理：某些零件为了进一步提高表面的抗蚀能力，增加耐磨性以及使表面美观光泽，常采用表面处理工序，使零件表面覆盖一层金属镀层、非金属涂层和氧化膜等。45 加工余量的确定所谓加工余量，是指加工表面达到所需的精度和表面质量而应切除的金属表层。1）分析计算法加工外圆和孔时， 加工平面时， 为上工序与本工序的工序尺寸的公差，加工表面上的表面粗糙度，表面缺陷层的深度，空间位置误差，装夹误差。在无心外圆磨床上加工外圆时，本工序的装夹误差可略去不计，因此2）2）经验估计法。此法是根据工艺人员的经验确定加工余量的方法，常用于单件小批量生产。3）查表修正法，此法是以生产实践和实验研究所积累的关于加工余量的资料数据为基础，并结合实际加工情况进行修订来确定加工余量的，生产中应用较为广泛。46 切削用量的确定1）由工序余量确定背吃刀量，每个工步的余量最好在一次进给中切除；2）根据加工表面粗糙度要求确定进给量；3）选择刀具磨钝标准及确定刀具耐用度；4）确定切削速度，并按机床主轴转速表选取接近的转速；5）校验机床功率。5凸轮轴加工的主要工序说明51 凸轮轴轴颈粗加工采用无心磨床磨削无心磨床的磨削方式有2种：贯穿式无心磨削和切入式无心磨削。贯穿式无心磨削一般用于单砂轮，它的导轮是单叶双曲面，推动凸轮轴沿轴向移动，仅仅用于磨削光轴。切入式无心磨削是由多砂轮磨削（若是单砂轮磨削，一般砂轮被修整成成型砂轮，如：磨削液压挺柱的球面），如现有480凸轮轴的磨削，可磨削阶梯轴，导轮为多片盘状组合而成，工件不能沿轴向移动，无论是哪一种磨削方式，工件的中心都高于砂轮和导轮的中心，一般切入式磨削都有上料工位、磨削工位、测量工位、卸料工位组成。砂轮线速度60m/s，轴颈径向磨削余量可达3.5mm，单件磨削时间18s，单件工时25s。用无心磨床加工凸轮轴是一种新颖、独特的新工艺，新方法，但又存在一定的局限性，特别是不易磨削轴肩和端面，一般不用于多品种凸轮轴的加工，只用于单一品种、大批量的生产，若要更换所加工的凸轮轴品种，就要更换导轮和砂轮，各砂轮间距需重新调整。切入式无心磨床的修整一般采用单颗粒金刚石修整，修整器所走的路线是凸字形，修整器靠模各段差值与凸轮轴的各段轴颈差值相等。粗磨凸轮轴轴颈所用的砂轮都属于碳化物系列，粒度为60，砂轮线速度为45m/。52 铣端面，钻中心孔中心孔加工是以后加工工序的定位基准，在铣端面时，一般只限定5个自由度即可，用2个V型块限定4个自由度，轴向自由度是由凸轮轴3#轴颈前端面或后端面（在产品设计中，该面应提出具体要求）。目前普遍采用的是自定心定位夹紧，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，鉴于凸轮轴皮带轮轴颈尺寸较小，钻中心孔时一般选用B5中心钻，钻后的孔深用10钢球辅助检查，保证球顶到后端面尺寸和2钢球顶部之间的距离，这样可保证以后定位的一致性。53 凸轮轴的热处理热处理：将原材料或未成品置于空气或特定介质中，用适当方式进行加热、保温和冷却，使之获得人们所需要的力学或工艺性能的工艺方法。热处理分类：一般热处理、化学热处理、表面热处理球墨铸铁凸轮轴一般都是等温淬火。冷却介质为10号、20号锭子油盐浴或碱浴，淬火后经140C-250C低温回火，回火后的组织为黑色针叶状马氏体，硬度HRC50-54。合金铸铁和钢件凸轮轴一般采用中频淬火：淬火频率1000-10000Hz,一般选用7000Hz。也就是感应加热表面淬火，其原理是：将凸轮轴的凸轮放入加热线圈中，由于电流的集肤效应，使凸轮由外层向内加热、升温，使表层一定深度组织转变成奥氏体，而后迅速淬硬的工艺，目前480凸轮轴采用自然回火的方法，其凸轮表面组织为针状马氏体。凸轮轴经表面热处理：可较大地提高零件的扭转和弯曲疲劳强度和表面的耐磨性。感应加热淬火变形小、节能、成本低、劳动生产率高、淬火机可放在冷加工生产线上，便于生产管理。480凸轮轴中频淬火机在感应加热时，要对电源、变压器、感应线圈进行冷却，要求冷却水的温度在25C-30C,淬火冷却液的温度为53C-62C，若机床本身达不到要求，必须在机床外提一套附加冷却装置，用来给冷却水制冷。54 主轴颈快速点磨加工快速点磨是德国勇克公司开发出来的一种先进的外圆高效磨削新工艺，该机床加工凸轮轴只需两顶尖定位夹紧，无需任何夹紧工具，利用前顶尖的高速旋转，通过顶尖和凸轮轴中心孔的摩擦来驱动工件运动，可以实现轴类零件在一次装夹后，用一片砂轮完成7个轴颈、一个端面和一个磨削圆角的工艺。快速点磨砂轮是横向磨损，在磨损过程中，被磨削的凸轮轴外形尺寸不会因此而发生变化，磨削端面时，砂轮可倾斜0.5，使砂轮与工件的接触面只有传统磨削端面的1/2。55 凸轮的加工现代的凸轮轴加工用数控磨削，具有如下特点：1）用一套数控装置（目前世界上最新的是西门子480D和FANAC210i）既控制工件主轴的无级变速旋转和分度又控制砂轮架按凸轮型面的升程数值和降程数值的往复运动及横向进给。2）工件主轴由NC装置控制的伺服电机驱动，实现无级变速传动，不仅可以实现粗磨和精磨所需要的不同转速，而且可以实现工件主轴在每转内按凸轮不同曲线进行自动变速磨削。这可以使凸轮型面上每一磨削点的线速度，金属切削量和磨削力基本一致，对保证凸轮表面的磨削质量是非常重要的。3）砂轮可实现高速、恒线速度磨削。如480凸轮轴kopp磨床80m/s.4）具有较大的柔性。CNC装置可以存贮20个凸轮轮廓数据和9个磨削数据。满足了凸轮轴多品种变化的柔性生产需要。5）砂轮主轴采用内平衡装置，取代了以前的液力平衡装置和机械平衡装置，平衡精度高，砂轮几乎不抖动，提高凸轮型面的磨削精度。6）采用金刚滚轮修整，修整时采用声速传感器来控制每次砂轮修整量，能得到好的砂轮修整精度，并且每次砂轮修整后NC装置能自动记忆并补偿。7）采用CBN砂轮，刚换上的新砂轮与换下来废砂轮之间半径方向只有4.5-5mm，从而保证凸轮型面的一致性。56 凸轮轴的抛光 凸轮轴的主轴颈、油封轴颈要求表面粗糙度0.2，所以必须除去主轴颈和油封轴颈的表面磷化膜，为了保证主轴颈和油封轴颈表面粗糙度，必须对它们进行抛光处理，在抛光过程中，由于摩擦生热少，磨；粒散热时间长，可有效地减少工件的变形、烧伤，主要是提高表面的加工精度，使凸轮轴轴颈获得光亮光滑的表面，但不能提高产品尺寸和几何精度，对零件的形位误差不产生任何改变，按目前的工艺水平，抛光砂带采用纸质砂带，砂粒的粒度280320，抛光液选用煤油，抛光机的专用工装为硬质树脂制的上下两个半圆。57 凸轮轴的探伤 由于凸轮与挺杆接触时，表面接触应力较大，凸轮表面不允许有任何缺陷，所以凸轮轴表面需要经过探伤，探伤分为两类：磁粉探伤和荧光探伤，主要探测凸轮在淬火过程中产生的淬火裂纹和磨削过程中产生的磨削裂纹。探伤也是一种无损检测方法，按现有的生产水平，荧光探伤比较干净，优于磁粉探伤，因为磁粉探伤除了要配置磁悬液外，现场生产也难得保持干净，并且经过退磁后，仍然有一部分磁通量流在凸轮轴上。58 凸轮轴的清洗 凸轮轴不仅仅要进行表面清洗，更主要的是主油道的清洗和油孔的清洗，防止铁屑等脏物滞留在主油道孔的搭结处，除去油孔孔口毛刺，一般来讲，单根凸轮轴的清洁度为10毫克左右，若清洁度超标，将加速发动机零件的磨损，缩短发动机的寿命，清洗后的凸轮轴，还要吹干，涂上防锈油，并且做好防尘工作，存放在零件库内。6凸轮轴的工艺设计说明分析61 凸轮轴的毛坯数值的选定根据凸轮轴的轴长723mm，凸轮轴的主轴颈的直径为80mm，确定毛坯的数据如下图：图6-1根据机械加工余量手册表5-10,确定外径的长度为80mm.62 定位基准车端面及钻中心孔可得到定位基准，如下图：图6-2用车床车端面,根据加工余量手册表5-25,将毛坯长度加工为719mm,用A5的中心钻加工中心孔。63 粗车外圆具体尺寸如下图：图6-3根据机械加工余量手册表5-14,粗车加工余量为3mm，带轮处取9mm。64 划轴向尺寸线划主轴颈尺寸及凸轮的尺寸线如下图：图6-465 粗加工切槽用CA6140A车床,外圆车刀加工上步中所划的尺寸,查机械加工余量手册表3-22,所有杆部与轴线为基准的圆度为0.3，车圆至58mm，如下图：图6-566 半精车外圆 将主轴颈外圆以及凸轮的外圆车到指定的大小。查机械加工余量手册表5-14，由于车加工后还要进行磨削加工，主轴颈、凸轮加工余量取1.6mm。查机械加工余量手册表3-21取以轴心线为基准的圆跳动为0.3，如下图：图6-667 粗磨主轴颈 查机械加工余量手册，车加工后磨削加工数据根据表5-15，加工余量取0.3mm，带轮直径处加工余量取0.5mm，查机械加工余量手册表3-21取以轴心线为基准的圆跳动为0.2，如下图：图6-768 热处理 由于除凸轮未加工所有部位已经进行了半精加工，剩下的只是小范围加工，根据材料的性能，对其进行涂防渗碳保护层，和渗碳喷丸，并进行校直。69 研磨中心孔祛除热处理后的氧化皮，用煤油和细纱研磨以便达到最佳效果，如下图：图6-8610 再次粗磨主轴颈 查机械加工余量手册表5-15，热处理后粗磨加工余量取0.2mm，机械加工余量手册表3-21取以轴心线为基准的圆跳动为0.06.图6-9611 精加工轴向尺寸具体数据如下图：图6-10612 精车杆部及R角具体数据如下图：图6-11安排在这里，主要是为了方便后面的数控加工凸轮。613 数控精切总长这里将毛坯的多余长度切掉，方便在数控凸轮磨床里面的定位，如下图：图6-12614 粗磨凸轮 将凸轮在专用凸轮磨床里面进行加工，一次性加工到位，该数控磨床为兰帝斯专用数控凸轮磨床，如下图：图6-13615 热处理 已经初见凸轮轴外型了，进行二次热处理，包括喷丸、回火及热处理后校直。616 加工小头和法兰 先加工小头端面，包括平小头面及加工中心孔（用A6.3中心钻）。加工法兰端面及中心孔，机械加工余量手册表3-21取以轴心线为基准的圆跳动为0.1，如下图：图6-14617 半精磨主轴 查机械加工余量手册，根据表5-15，加工余量取0.2mm，机械加工余量手册表3-21取以轴心线为基准的圆跳动为0.025，如下图：图6-15618 磨小头及零件基面对磨带轮轴处，热处理后半精磨加工查机械加工余量手册表5-15，加工余量取0.9mm，对轴肩处加工余量为0.45mm。对轴肩出倒圆角为r0.1.5。机械加工余量手册表3-21取以轴心线为基准的圆跳动为0.025，如下图：图6-16619 铣键槽 在万能铣床上面铣键槽是用V型块夹具来支撑的，加工键槽时要保证其对称度，键槽的对称度是通过V型块夹具和可调定位销来保证的，如下图：图6-17620 粗磨带轮位 对于带轮处，查机械加工余量手册表5-15，加工余量取0.2mm。倒角取R0.75，如下图：图6-18621 粗磨主轴颈查机械加工余量手册表5-15，加工余量取0.075mm。622 粗磨凸轮同样用兰帝斯专用数控凸轮磨床精加工凸轮。623 具体工艺流程表至此，凸轮轴的设计工艺说明过程初步拟定，具体的工艺流程如下表：表6-1 工艺流程表工序号工序名称设备名称1来料检查（下料）锯床2铣钻中心孔铣床3粗车外圆普车4划轴向尺寸线数控车床5粗加工切槽普车6半精车外圆普车7磨主轴颈外圆磨床8热处理9研磨中心孔普通车床10粗磨主轴颈外圆磨床11精加工轴向尺寸数控车床12精车干部及R角普通车床13数控精切总长数控车床14平小头面及中心孔普通车床15倒角普通车床16粗磨凸轮兰弟斯数控磨床17在次热处理（淬火）淬火机18回火、喷丸校直校直机19研磨中心孔普车20平法兰端面及钻铰法兰孔普通车床21半精磨主轴颈磨床22磨小头及零件基准面外圆磨床23铣键槽铣床24精磨带轮位外圆磨床25精磨主轴颈外圆磨床26精磨凸轮兰弟斯数控磨床27抛光主轴及凸轮抛光机28探伤、退磁探伤机/退磁机29总检、交仓技术要求:第一，产品不允许有化学腐蚀烧伤；第二，凸轮升程（回程）误差按成品图要求，基圆半径变差在0.4mm以内；第三，产品不允许碰伤。7总结和展望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。凸轮轴作为汽车发动机的关键部件之一，其性能与质量直接影响发动机整机性能。本文针对四缸发动机凸轮轴的加工特点，对凸轮轴的加工工艺进行了深入的研究。主要解决了以下问题：1） 利用解析法和反转法原理，对凸轮形状的设计进行计算推导；2） 根据凸轮轴加工特点，优化选择了加工设备；3） 详细分析了凸轮轴的加工特点和加工难点，优化设计了合理的加工工艺。 在实际凸轮轴加工中，应该结合工厂实际，在建立一条集先进性与经济性统一的凸轮轴生产线的过程中，从前期规划开始，对凸轮轴的加工工艺、设备和检测进行深入研究。根据产品要求，制定合理的凸轮轴生产线节拍、平面布置和工艺路线。参考文献：1 濮良贵，纪名刚.机械设计（第八版）M.北京：高等教育出版社，2005. 2 孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理（第七版）M.北京：高等教育出版社，2005.3 梅顺齐，何雪明.现代设计方法M.武汉：华中科技大学出版社，2009.4 罗洪田.机械原理课程设计指导书.北京：高等教育出版社，1985.5 何铭新，钱可强.机械制图M.北京：高等教育出版社，1995.6 徐自立，周小平，杨雄.工程材料M.北京：高等教育出版社，2003.7 刘鸿文.材料力学M.北京：高等教育出版社，2004.8 江耕华，胡来瑢，陈启松.机械传动设计手册M.北京：煤炭工业出版社，1983.9 孙丽媛.机械制造工艺及专用夹具M.北京：冶金工业出版社，2002. 10 于俊一.典型零件制造工艺M.北京：机械工业出版社，1989.11 张富洲.机械设计课程设计M.西安：西北工业大学，1994.12 梁正强.机械零件设计计算实例M.北京：中国铁道出版社，1989.13 皱青.机械制造技术基础课程设计指导教程M.北京：机械工业出版社，2004.14 成大先.机械设计手册M.北京：化学工业出版社，2004.15 周开勤.机械零件手册M.北京：高等教育出版社，1994.16 孙本绪，熊万武.机械加工余量手册M.北京：国防工业出版社，1995.17 王焕庭.机械工程材料M.北京：机械工业出版社，1998.18 吴宗泽.机械结构设计M.北京:机械工业出版社，1986.19 德S.弗罗尼斯.王汝霖译.设计学传动零件M.北京：高等教育出版社，1998.20 机械工程手册委员会编.机械工程手册M.北京：机械工业出版社，1995.21 邝坚.YC6108ZQ 四气门柴油机的开发研究D.吉林大学硕士学位论文，2003.22凸轮轴零件工艺规程设计EB/OL.23 凸轮加工工艺EB/OL. /2010-11-24.24 Kuehnle M R. Toroidal Drvie ConceptsM .Product Enginrrting.Aug，1979.25 Orlov P.Fundamentals of Machine DesignM .Matson：Mir Pub,1987.致 谢四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。四年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，我要感谢我的导师，您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，从论文题目的选定到论文写作的指导，经由您悉心的点拨，再经思考后的领悟，让我的论文逐渐变得完美。从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！另外，感谢学校给予我这样一次机会，能够独立地完成一个课题，并在这个过程当中，给予我们各种方便，使我们在即将离校的最后一段时间里，能够更多学习一些实践应用知识，增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。再一次对我的母校表示感谢。第 37 页 共 37 页