毕业论文-汽车柴油机F3000凸轮轴加工工艺设计.docx

本科生毕业设计摘要毕业设计（论文） 题 目 汽车柴油机F3000凸轮轴加工工艺设计 学 院 机械与动力工程学院 专业班级 热能与动力工程2010级1班 学生姓名 学号 指导教师 职称 副教授 评阅教师 职称 年 月 日摘 要凸轮轴作为柴油发动机配气机构的重要部件，其性能和质量对发动机的整体性能有着直接影响，因此柴油机凸轮轴加工工艺有着特殊的要求。合理的加工工艺对控制凸轮轴的质量，提高加工效率，降低生产成本，有着重大的意义。本次毕业设计主要是柴油机F3000凸轮轴为例进行加工工艺设计。凸轮轴的加工工艺设计主要包括毛坯制造工艺设计、机械加工工艺设计、热处理工艺设计、重要工序工装夹具设计、重要工序检具设计、加工设备的选择、加工刀具选择或设计等。一个凸轮轴的加工工艺之多之复杂，合理的设计基准、合理的定位基准、合理的加工阶段的划分与工序顺序的安排和合理的加工方法等对凸轮轴的质量起着至关重要的作用。因此，不断地完善改进凸轮轴的加工工艺变得十分重要。关键词：发动机 凸轮轴 工艺设计II本科生毕业设计ABSTRACTABSTRACTThe camshaft as an important part of a diesel engine steam distribution mechanism, its performance and quality directly affect the overall performance of the engine, so the diesel engine camshaft processing technology has the special request. It is a great significance to the reasonable processing technology to control the quality of the camshaft, improve processing efficiency and reduce production cost. This graduation design is mainly F3000 diesel engine camshaft as an example to design the machining process. The camshaft machining process design include the manufacturing process design, the mechanical processing technology design, the heat treatment process design, the important process tooling/fixture design, the important process of fixture design, the selection of processing equipment, the processing cutting tool selection or design, etc. The machining process of the camshaft is such more and complex, a reasonable design standard, the reasonable positioning standard, the reasonable processing stage division and the arrangement of the operation sequence and the reasonable processing methods such as play an important role in the quality of the camshaft. Therefore, it is very important to improve and complete the machining process of the camshaft machining process continuously.Keywords: Engine；camshaft；process designIIIIII本科生毕业设计目录目 录摘 要IABSTRACTII1 绪 论11.1本次毕业设计的课题和目的11.2柴油发动机的发展状况11.3凸轮轴的发展状况12 凸轮轴的分析32.1凸轮轴的作用32.2凸轮轴的结构特点32.3凸轮轴的机械分析32.4凸轮轴的材料要求42.5凸轮轴的材料选择42.6凸轮轴的技术要求42.7凸轮轴工艺设计原则62.8凸轮轴加工工艺特点62.8.1凸轮轴容易变形62.8.2加工难度大73 凸轮轴加工工艺路线的拟定93.1选择定位基准93.2选择表面加工方法103.3加工工序的划分和加工顺序的安排113.3.1凸轮轴划分加工阶段113.3.2加工顺序的安排113.4拟定机械加工工艺流程113.5柴油机凸轮轴重点加工工艺说明153.5.1 铣端面打中心孔153.5.2正火163.5.3淬火173.5.4精车止推面183.5.5精磨凸轮183.5.6精磨大外圆193.5.7精磨小外圆203.5.8探伤204 重点工序的夹具、刀具、检具的设计及设备的选择224.1重点工序夹具的设计224.1.1夹具设计概述224.1.2凸轮轴铣键槽夹具设计224.2重点工序刀具的设计234.2.1刀具设计概述234.2.2键槽铣刀设计234.3重点工序检具的设计244.3.1检具设计概述244.3.2键槽塞规设计254.4重点工序设备的选择264.4.1重点设备概述264.4.2重点工序设备的选择265 结论28参考文献29致谢30本科生毕业设计1 绪论1 绪 论1.1本次毕业设计的课题和目的本次毕业设计的课题是柴油机F3000凸轮轴加工工艺设计。其重点内容是热处理，粗基准精基准的选择，中心孔的加工，凸轮磨削过程以及夹具检具刀具的设计。其目的是设计出合理的F3000凸轮轴加工工艺，合理的加工工艺对凸轮轴的质量，提高加工效率，降低生产成本，以及实际生产有着重大的意义。1.2柴油发动机的发展状况柴油发动机技术经过一百多年的全面发展，应用范围变得日益广泛。经过大量的研究成果表明，柴油发动机已经成为了当前产业化应用中的各种动力机械热效率最高、最节能、能量利用率最高的机型。目前装备最先进技术的柴油发动机，其升功率能达到3050kwh/L，标定功率的油耗能达到204g/kwh，扭矩储备系数能达到0.35以上，最低燃油油耗能达到198g/kwh 刘云.车用柴油机技术现状及发展趋势J.潍坊学院学报，2005，5(4).；柴油机广泛应用在发电、车辆动力、灌溉、船舶动力和其他领域，其最为明显优势是在车用的动力，通过多年的新技术研究与大量应用，柴油机的烟度和噪声获得了重大突破，基本达到了汽油机的排放标准，全世界车用动力“柴油化”势头愈发明显1。在这种趋势要求下，各生产厂家不仅具备大批量生产能力，同时还必须具备多品种、小批量生产技术，目前，我国发动机生产厂家大多数生产布置是流水线。该生产线可分为全自动生产线和半自动生产线两种形式。全自动生产线和半自动生产线其主要看是否需要人工操作和在工序之间运送工件进行区别。全自动生产虽然质量高，自动化程度高，比较可靠，但是成本高，投资比较大，我国作为一个人口大国，人工成本较低，因此半自动成本比较划算。所以大多数厂家采用全自动和半自生产线相结合的生产线，这样可以在保证质量的前提下控制生产成本。好的发动机必须具备一下几点要求：1.高的燃油经济性 2.高的动力性能 3.结构紧凑，外形小，质量轻 4.工作可靠和足够长的使用寿命 5.高的环境性能，低排放，低消耗等。当然，近年来排放越来越受到关注。柴油机的性能指标不断地提高必然会对柴油机的设计以及加工工艺有更高的要求。所以在柴油发动机，甚至这个机械加工行业中，数控机床，加工中心，精密加工机床，自动生产线等先进加工设备得到了广泛应用。1.3凸轮轴的发展状况凸轮轴的传统生产方式通常采用锻造或铸造，少数也有采用碳钢进行切削加工制造。铸造式凸轮轴主要有淬火铸铁，冷硬铸铁等。为了减轻重量，部分凸轮轴会采用型芯铸造，让轴呈空心状。美国主要以淬火铸铁凸轮轴为主，在日本冷硬铸铁凸轮轴作为主要的制造方式 杨慎华，张驰，寇淑清，赵 勇. 装配式凸轮轴制造技术现状与发展趋势J.内燃机工程，2004，25(2).。锻造式凸轮轴主要以碳钢进行热锻，凸轮采用高频淬火处理，主要应用在大中型发动机上，本次F3000凸轮轴由于运用机型不是很大，所以采用中频淬火处理。由于它的耐点腐蚀性能比较好，常与顶置式（OHV）气门机构的挺杆组合使用，当然也有和摇臂配合应用在柴油机凸轮上置式（OHC）结构上2。由于锻造式凸轮轴没法实现轻量化，其发展潜力非常小。为了满足发动机配气机构中凸轮轴的各个部位不同的性能要求，传统的凸轮轴制造方式、制造特点已经变得落后，呈现出了许许多多的问题，材料选择利用方面的不合理，凸轮的排列结构不紧凑，加工复杂等方面的问题越来越突出，这些制约着凸轮轴轻型化以及企业生产成本控制方面的发展。随着工艺技术的发展，凸轮轴的工艺方向有了更多的选择：1金属-塑料复合凸轮轴已在美国获得应用，将粉末金属成型经磨削加工的凸轮轴片和中空钢轴放进模具内，在中空轴的四周注入塑料，由塑料固定成一体，这样轴和凸轮片之间通过塑料间接接触。这种凸轮轴在质量和成本都可降低40%，还可以降低发动机的噪声，加工时间也有所降低。2 凸轮轴的液体氮化工艺是在含有碳和氮的融化盐浴室中进行的一次硬化处理，温度为580，平均时间为90min。化合物区域渗层的厚度平均是0.013mm，由Fe3N和Fe3C组成，氮的扩散厚度为0.38mm，Fe3N呈针状，采用化学法测得其厚度为1mm 刘永清. 夏利汽车发动机凸轮轴加工工艺设计及质量控制D.吉林：吉林大学，2008：8.。3 装配式凸轮轴主要是将轴、凸轮分开加工制造，然后组装形成一体。凸轮常采用碳钢或者粉末冶金材料，轴则用冷拔薄壁无缝钢管2。碳钢凸轮可以进行高频淬火或者渗碳处理，有较高的耐胶着、耐点蚀性能。它相对于传统凸轮轴，加工成本低、质量轻、材料的利用更加合理是其优点。33本科生毕业设计2 凸轮轴的分析2 凸轮轴的分析2.1凸轮轴的作用凸轮轴是发动机配气机构的重要部分，作用是按照发动机工作顺序、升程规律以及配气正时驱动气门按时开启和关闭，确保发动机在工作中为气缸吸入新鲜的可燃混合气，并及时将燃烧后的废气排出气缸。凸轮轴直接通过摇臂驱动气门，由于转速较高，为保证进排气以及传动效率、简化传动机构、降低高转速的振动和噪音，常采用顶置式凸轮轴和顶置式气门，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。2.2凸轮轴的结构特点1 键槽 2 凸轮轴支承轴颈 3 凸轮 4 油孔 5 中心孔 6 止推面 7 凸轮轴小头图2-1 凸轮轴结构简图凸轮轴是发动机配气机构中主要驱动件，其主体如图2-1所示是一根和气缸组长度相等的圆柱形棒体，然后在上面套若干个凸轮，用于驱动气门的开闭。凸轮轴的一端和驱动轮相连，另一端用来支撑。凸轮的侧面如图2-2呈鸡蛋形，其主要在于保证气缸充分的进排气，尽可能的在短时间内完成气门的开闭。承受着周期性的冲击载荷的凸轮轴，凸轮和挺柱之间接触面积小，相对滑动速度很高，应力 图2-2柴油机凸轮轴示意图大，因此凸轮的设计和加工工艺与发动机的性能和平顺运行有着很直接关系。2.3凸轮轴的机械分析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，所以工作条件恶劣。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。2.4凸轮轴的材料要求(1) 作为凸轮轴材料，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。(2) 凸轮轴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。(3) 凸轮轴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。(4) 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。2.5凸轮轴的材料选择凸轮轴作为一个运动件，在恶劣的工作环境中承受着周期性的冲击载荷和严重的摩擦，凸轮轴上的凸轮与挺柱相接处，相对滑动速度很高，为了适应其恶劣工作条件，凸轮轴的通常采用优质钢或者合金钢锻造，也可以采用球墨铸铁或者合金铸铁铸造而成 林波，李兴虎.内燃机构造M.北京：北京大学出版社，2008.。合金钢如40Cr虽说承受载荷大但无法较大的冲击，由于近年来铸铁强度的提高，合金铸铁和球墨铸铁也运用于凸轮轴上。碳钢作为应用最广泛的材料，经过正火处理后它的硬度达到170217HBS，以及刚度都能满足。通过对机加材料的了解和分析，碳钢相对于合金钢价格更便宜，其对于应力集中的敏感性较低，但是可以用热处理或者化学热处理等方法提高其抗疲劳强度，考虑到生产成本，以及结合本次设计产品的特点，因此采用优质碳钢制造凸轮轴最为广泛，其中最常用的是45钢。2.6凸轮轴的技术要求本次毕业设计是以柴油机F3000凸轮轴产品图（如图2-3）为例设计工艺，其具体技术条件如下：图2-3 柴油机F3000凸轮轴产品图(1) 支承轴颈各个轴颈48-0.050 -0.075，表面粗糙度为Ra0.63m；各个轴颈相对于前后支承轴颈的基准轴线径向圆跳动小于0.03mm；各个轴颈的圆柱度小于0.007mm。(2) 凸轮8个凸轮基圆尺寸为R16.40.05，表面粗糙度为Ra0.4m；各个凸轮基圆相对于前后支承轴颈的基准轴线的径向圆跳动小于0.04mm；一四缸凸轮对称中心线相对于键槽对称中心线相对位置偏差330；二三缸凸轮对称中心线相对于键槽对称中心线相对位置偏差1330；各缸进排气凸轮对称中心线相对位置偏差106；各凸轮斜角7301130。(3) 键槽宽80 -0.036 ，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M12，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。(5) 止推面止推面400.1，表面粗糙度Rz6.3m。(6) 凸轮轴小头凸轮轴小头35+0.044 +0.028，表面粗糙度Ra0.6m，小头端面表面粗糙度Rz6.3m；凸轮轴小头相对于前后支承轴颈的基准轴线的径向圆跳动允许公差0.03mm；凸轮轴小头圆柱度允许公差0.01mm。(7) 材料经正火处理，硬度大等于180HBS。(8) 凸轮轴轴颈及进、排气凸轮表面淬火处理,硬度为5463HRC，淬深1.56mm，凸轮顶圆处淬硬层深不小于3.5mm，止推面42以外园环面应为淬火处理，硬度不低于42HRC。轴颈两端3范围内，允许硬度降低至50HRC。（第一挡轴颈表面距后端5以内的硬度允许适当降低）(9) 凸轮轴精加工后的各支承轴颈和凸轮表面应光洁，不许有碰伤、凹痕、毛刺、班点、裂缝等缺陷，倒锐边。(10) 凸轮轴加工结束后，应按JB/T6729内燃机曲轴、凸轮轴磁粉探伤的规定进行探伤，探伤后退磁。(11) 以凸轮轴线为基准，所有凸轮基圆每10的跳动应不大于0.008，在整个基圆上跳动应不大于0.04。(12) 任何相邻升程值之差与升程表对应值之差的偏差应小于或等于0.0064，任何8个相邻升程值之差与升程表对应值之差的偏差应小于或等于0.02，最大升程的偏差为+0.025%-0.056%。(13) 凸轮两侧用油石去毛刺，光整处理。(14) 淬火后允许校直。(15) 表面涂防锈油。(16) 其余按JB/T6728内燃机凸轮轴技术条件执行。2.7凸轮轴工艺设计原则（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）在关键技术和设备上，应优先考虑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。2.8凸轮轴加工工艺特点2.8.1凸轮轴容易变形凸轮轴作为细长轴，最突出的问题就是刚度差，如图2-4所示为精车凸轮轴外圆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。因此，凸轮轴的加工变形会直接影响凸轮轴的使用性能以及柴油机发动机的性能。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2-4 精车凸轮轴外圆工序采取措施：(1) 可以用中间托架来增强刚度，减少工件的变形和振动 许锋，满长忠内燃机制造工艺教程M大连：大连理工大学出版社2006.。(2) 采用小切削量，且加工尽量靠近夹紧面5。(3) 合理安排工位顺序以减少加工变形5。(4) 通过后续加工对前面工序产生的变形进行修正，工件在粗加工产生的变形在半精加工时修正。2.8.2加工难度大(1) 由于凸轮轴的形状复杂，凸轮轴的凸轮、小头、止推面等都是不容易加工的，对于这些复杂面，不但有尺寸精度要求，而且还有形状精度和位置精度要求。因此常规的机加设备以及加工技术，明显不能保证凸轮轴的加工精度和要求的。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，如图2-5，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2-5 凸轮型线相位角(2) 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，但凸轮表面质量的控制仍然是凸轮磨削工艺质量控制的难点，如表面振纹、凸轮表面粗糙度、表面裂纹、凸轮边缘毛刺等 周海峰，冯波. 凸轮轴机加工工艺质量控制探讨J.柴油机设计与制造，2009，16（1）.。 砂轮转速和修正时金刚轮转速的笔直影响着凸轮表面粗糙度，在工件材料、冷却条件和修正进给速度不变的情况下，金刚轮与砂轮转速比与磨削表面粗糙度的关系见图2-6。凸轮表面粗糙度值和砂轮每次修正后的耐用度Rz呈反比关系6，且凸轮表面粗糙度值太高，很容易使凸轮表面产生挤压裂纹和烧伤。 图2-6 转速比与表面粗糙度值关系 凸轮磨削表面裂纹与磨床砂轮直径，当砂轮直径大时，不容易产生磨削裂纹。砂轮直径的大小影响到磨削时对工件的挤压力，砂轮直径越大，挤压力越小，这就是粗糙砂轮不容易产生表面磨削裂纹的原因。本科生毕业设计3 凸轮轴加工工艺路线的拟定3 凸轮轴加工工艺路线的拟定3.1选择定位基准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，严重时还会造成零件大批报废，使生产无法正常进行。因此，工件在加工过程中的测量、定位等问题必须要重点考虑。(1) 粗基准的选择本次毕业设计柴油机F3000凸轮轴的粗基准的选择在第二道工序，即凸轮轴铣端面打中心孔工序中选择，如图3-1所示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。图3-1 铣端面打中心孔(2) 精基准的选择根据精基准的选择原则，以及结合凸轮轴具体结构，的基准选择如下： 凸轮轴轴向定位基准，目前最常用的是两个中心孔，因为凸轮轴作为轴类零件，各个支承轴颈的加工，止推面的加工，外圆的加工，凸轮轴小头的加工等均是采用两中心孔作为定位基准，而且这些表面的设计基准一般上都是轴的中心线，选择两中心孔定位也能符合基准重合原则。由于多数工序都是采用中心孔作为定位基准，这样能尽可能多地加工端面和外圆，符合基准统一原则。如图3-2所示为精车止推面工序，其径向圆跳动的基准为两个中心孔，径向圆跳动0.03mm。图3-2 精车止推面 凸轮轴的配气相位对于凸轮的角度误差的要求也是很高的，因此凸轮轴的凸轮加工通常采用精度较高的工艺孔或者键槽作为角向定位基准。本次毕业设计的凸轮加工的角向定位基准选择的是键槽，如图3-3所示为精磨凸轮工序，可以看到加工凸轮的轴向定位基准为两个中心孔，角向定位基准为键槽。第一进气凸轮和键槽凸轮夹角为330。图3-3 精磨凸轮3.2选择表面加工方法凸轮轴的选择加工方法根据加工方法原则选择如下： 凸轮轴两个端面和键槽作为一个平面，根据加工表面形状类型可以选择采用车、刨和铣，但考虑到加工质量要求，所以选择铣削加工； 凸轮轴轴颈和凸轮作为一个圆柱面，根据加工表面形状类型可以选择车削和磨削且车削和磨削能满足凸轮轴轴颈精度要求，因此最终选择车削和磨削加工。 中心孔作为一个内孔根据加工表面形状类型可以选择钻孔加工加工外圆柱面采用外圆磨削和车削；根据凸轮轴零件每个表面的加工要求，确定其加工方案如下表3-1所列。表3-1 凸轮轴加工表面加工方案加工表面加工方案左右两个端面铣五个48凸轮轴颈粗车 精车 粗磨 半精磨 精磨两个中心孔钻 粗研 精研凸轮粗车 粗磨 半精磨 精磨键槽铣凸轮轴大小头螺纹攻丝3.3加工工序的划分和加工顺序的安排3.3.1凸轮轴划分加工阶段凸轮轴作为柴油发动机配气机构中重要零件，其加工精度要求很高，因此其加工需分四个阶段才能达到要求：(1) 粗加工：铣端面、加工定位基准（打中心孔）、粗车各支承轴颈、粗车凸轮等；(2) 半精加工：粗磨凸轮、粗磨各支承轴颈等；(3) 精加工：精磨各支承轴颈、精车止推面、精磨凸轮等；(4) 光整加工：抛光轴颈和凸轮表面、去毛刺等。3.3.2加工顺序的安排柴油机凸轮轴的加工顺序的安排合理与否，直接影响其质量和性能，对于各支承轴颈、凸轮主要是按粗车粗磨精磨的顺序进行加工，即先粗后精加工。还需遵循先基准后其他，对于凸轮轴的加工需先加工基准，即中心孔，后加工其他面。其他各个面按主要和次要面的加工工序相互交叉进行，在整体上应遵循“先粗后精”的原则进行加工3。3.4拟定机械加工工艺流程表3-2 柴油机F3000凸轮轴加工工艺过程工序号工序名称基准工序简图设备工夹具1下料锯床G40282铣端面打中心孔粗基准：前后两支承轴颈毛坯外圆平面端打中心孔钻床中心孔检具3粗车夹位两个中心孔及毛坯外圆数控车床CYK500定位板G0500-J64粗车外圆及划线两个中心孔、小头用辅助支撑数控车床CYK5005粗切槽两个中心孔、小头用辅助支撑车床CD61406精切槽及粗倒角两个中心孔、小头用辅助支撑数控车床CYK5007正火正火生产线8研中心孔9精车外圆两个中心孔、小头用辅助支撑数控车床CYK500鸡心夹10精车小头及粗切消气槽两个中心孔、大头支承轴颈数控车床CYK500定位板G0500-J611铣键槽两个中心孔、大头支承轴颈立式铣床X5030C分度头尾座顶尖12钻油孔小头端面和轴颈台钻Z4016钻模F3000-J10钻孔支撑座F3000-J1113粗车凸轮两个中心孔、键槽凸轮轴车床S1-227产品拨块F3000-J14靠模拨块F3000-J1614粗磨凸轮两个 中心孔、键槽同工序13凸轮磨床MXBS8312A磨凸轮夹具F3000-J315淬火中频淬火机16打标识大头颈部 端面、轴颈气动打字机DBG-Z打字夹具F3000-J417粗磨外圆两个中心孔、凸轮轴小头外圆磨床M1420D鸡心夹F3000-J1318精车小头同工序10数控车床CY-K500定位板G0500-J519精倒角两个中心孔普通车床C616-B120钻两端螺纹底孔两个中心孔数控专用机床专用夹具21攻大头螺纹攻丝机T650攻丝座F3000-J822攻小头螺纹两个中心孔攻丝机T650攻丝座F3000-J823精研中心孔台钻Z4016A研座孔474Q-J1124精车止推面两个中心孔同工序10数控车床CY-K500定位板G0500-J525半精磨凸轮两个中心孔同工序13凸轮磨床MXBS8312B磨凸轮夹F3000-J3凸轮磨定位块F3000-J626半精磨大外圆两个中心孔同工序17数控外圆磨床M1420D鸡心夹F3000-J1327半精磨小外圆两个中心孔外圆磨床M1420D鸡心夹F3000-J1328精磨凸轮两个中心孔同工序13丰田工机GC32M-120磨凸轮夹具F3000-J329精磨大外圆两个中心孔同工序17数控外圆磨床M1420D鸡心夹F3000-J1330精磨小外圆两个中心孔同工序27数控外圆磨床M1420E鸡心夹F3000-J1331抛光、去毛刺两个中心孔震动抛光机F3000-J2732成品检验凸轮轴检测仪ADC0LE33探伤同工序31探伤机CJW-2000B34 清洗、防锈同工序31清洗机QXJ45035包装、入库同工序31捆包机3.5柴油机凸轮轴重点加工工艺说明 3.5.1 铣端面打中心孔铣端面打中心孔作为柴油机凸轮轴加工工艺的第一个重点工序，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均是采用中心孔作为定位精基准，因此铣端面打中心孔这道工序在整个工序过程中起着至关重要的作用。如图3-4所示为铣端面打中心孔工序图，棒材进过铣削后长度为489.30.1，棒材圆柱面对两中心孔的基准轴线的圆跳动公差为0.3mm,对于加工过程的夹具夹持位置以及加工位置和加工参数如图所示。图3-4 铣端面打中心孔工艺在此过程中，加工设备选用的是平端面打中心孔钻床Z8210C-500,在铣端面过程中，刀具选用YT15刀片，刀具修磨频次4580件/次，主轴转速320r/min,吃刀深度为1.52mm，走刀量为机床设定；在钻中心孔过程中，刀具选用中心钻A8，刀具修磨频次180320件/次，主轴转速为630r/min，吃刀量为48.5mm，走刀量为机床设定，冷却液采用乳化液。在加工完毕比后要对轴总长、圆跳动、孔深、中心孔直径、中心孔角度、粗糙度等进行检验。3.5.2正火柴油机凸轮轴的正火主要是将凸轮轴加热到临界温度Ac3或Accm线以上，保温一段时间，然后进行空冷。由于冷却速度稍快，组织中的珠光体量相对较多，且片层较细密，故性能有所改善，细化了晶粒，改善了组织，消除了残余应力 邓文英，宋力宏.金属工艺学M.北京：高等教育出版社，2009.8 王建昕,帅石金.汽车发动机原理M.北京：清华大学出版社.2011.9 李军.互换性与测量技术基础M.华中科技大学出版社.2007.10 王宝玺，贾庆祥.汽车制造工艺学M.北京：机械工业出版社.2007.11 徐灏.机械设计手册M.机械工业出版社1992.12 沈维道,蒋智敏.工程热力学M.高等教育出版社. 2000.13 周龙宝.内燃机学M.北京：机械工业出版社.2010.。正火后提高硬度可改善切削加工性，提高零件表面光洁度，同时为下一步淬火作好组织准备。其工序如图3-5所示。其正火温度、正火时间如图3-6所示。图3-5 凸轮轴正火工艺图3-6 正火工艺曲线技术条件：(1) 正火硬度不小于180HBS(90HRB)，晶粒度68级，均匀铁素体加片状珠光体。(2) 校直弯曲度 0.4mm。(3) 抛丸处理，表面无氧化皮，无碰伤。在热处理完后需对凸轮轴的硬度、晶粒度进行检验，校直弯曲度，使弯曲度0.4mm，进行抛丸处理，除去表面氧化皮，最后检验凸轮轴表面是否有碰伤等。3.5.3淬火凸轮轴的淬火工艺主要是将凸轮轴加热到Ac3（亚共析钢）以上3050，保温后放入各种不同的冷却介质中（V冷应大于V临）冷却7，即回火，以获得马氏体组织（如图3-7）的热处理方式。经过淬火后的凸轮轴，其强度和硬度得到了提高，然后伴随着是不同温度的回火，回火降低了淬火的内应力，使凸轮轴的强度、硬度和韧性的配合满足了不同要求。其淬火工序如图3-8所示。 图3-7 淬火金相组织图400 图3-8 凸轮轴淬火工序图其技术要求如下：(1) 凸轮轴的支承轴颈和进、排气凸轮表面进行中频淬火，其硬度为5463HRC。(2) 凸轮顶部淬火层深不小于4，其它部位层深26.5。(3) 止推面%c42以外圆环面淬火硬度不低于42HRC，层深不小于1.5；其余轴颈层深26.5、两端3范围内允许硬度降低至50HRC。(止推面轴颈表面距后端5以内的硬度允许适当降低)。(4) 零件应保护好键槽后抛丸、去除氧化皮；防锈、防碰伤。(5) 校直，弯曲度0.2mm在淬火过程中，需要注意的是避免淬火使凸轮轴表面产生裂纹，轴颈、凸轮两侧面不允许有残留氧化皮。淬火完成后，要对表面硬度、淬火深度以及金相组织进行检验。3.5.4精车止推面凸轮轴的止推面作为在柴油机装配过程中限制凸轮轴轴向窜动的一个轴向定位，起着至关重要的作用，其加工质量的好坏直接影响着柴油机的性能。如图3-9所示为精车凸轮轴止推面工艺，止推面圆柱直径为400.1，止推面长度为4+0.15 +0.09mm，表面粗糙度为Ra3.2，其相对于两中心孔基准轴线的径向圆跳动为0.03mm。图 3-9 精车凸轮轴止推面工艺本工序以工件小头端面作为定位基准，顶住两顶尖进行加工，设备选用数控车床CY-K500，其主轴转速为400600r/min,刀具型号为YS8切刀，吃刀深度为0.25mm，走刀量为0.120.2，刀具修磨频次为250350件/次，工装夹具为定位板G0500-J6。在加工完后，先将毛刺去除干净后检查其是否满足技术要求。3.5.5精磨凸轮精磨凸轮作为凸轮机加质量的把关工序，决定了凸轮的最终工艺尺寸，其加工质量决定着凸轮轴产品的质量，因此，对于此工艺过程的技术要求，设备要求变得十分高。图3-10 精磨凸轮工艺如图3-10所示为精磨凸轮工艺，采用键槽作为定位基准，全部凸轮的径向偏角为7301130，凸轮高度为39.3+0.055 -0.086，基圆半径为16.40.03，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。其工艺过程设备采用丰田工机GC32M-120，砂轮采用350CBN，砂轮修磨频次5360件/次，砂轮线转速为80m/s，头架转速为40r/min，砂轮修磨速度为低速，工装夹具采用磨凸轮F3000-J3，冷却液采用磨削液。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。3.5.6精磨大外圆凸轮轴大外圆也是凸轮轴轴颈，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，因此其技术要求非常高。图 3-11 精磨大外圆工艺如图3-11所示为精磨大外圆工艺，以两中心孔作为定位基准，鸡心夹夹住工件小头，头架转动拨动鸡心夹带动工件转动进行加工。加工之后的五个外圆直径为48-0.050 -0.075，圆柱度为0.007，外圆轴线相对于两中心孔基准轴线的径向圆跳动为0.03mm。其工艺过程设备采用数控外圆磨床MG1420E，砂轮型号采用40020350A/60Q，砂轮修磨频次为10件/次，砂轮主轴转速为1200r/min，砂轮修磨速度0.05（低速），头架转速4555r/min，工装夹具采用鸡心夹F3000-J13，冷却液为磨削液。在加工过程中需要注意加工前用高压气枪吹扫中心孔内杂物，确保中心孔的清洁，加工完后检验去其是否满足技术要求。3.5.7精磨小外圆凸轮轴小外圆的是凸轮轴与驱动轮相连接的地方，其质量的好坏直接影响着其传动效率，因此其工艺要求也是非常高的。图3-12 精磨小外圆工艺如图3-12所示为精磨小外圆工艺，以两中心孔作为定位基准，鸡心夹夹住工件小头，头架转动拨动鸡心夹带动工件转动进行加工。其技术要求为：小外圆直径35+0.044 +0.028，小外圆面相对于两中心孔基准轴线的径向圆跳动为0.03mm，小外圆圆柱度为0.01。其工艺过程设备采用数控外圆磨床MG1420E，砂轮型号采用40020350A/60Q，砂轮修磨频次为10件/次，砂轮主轴转速为1200r/min，砂轮修磨速度2s(两次)，退磁时间35s。其技术要求： (1) 按Q/YC420-2003内燃机曲轴、凸轮轴磁粉探伤标准执行。(2) 区-在凸轮顶点两边45的范围内。区-区以外的凸轮表面和磨削轴颈。区-除区、区外的其余表面。(3) A1-缺陷磁痕小于或等于1mm，在10mmX10mm的正方形内不多余15条。A2-缺陷磁痕大余1mm、小于或等于5mm，在10X10方内少余10条。B1-小于或等于2mm的单个缺陷磁痕。B2-大于2mm、小于或等于5mm的单个缺陷磁痕.B3-大余5mm 、小于或等于10mm的单个缺陷磁痕。(4) 区内凸轮顶点015范围内，不允许有任何缺陷，1545范围内允许A1、A2、B1、B2存在1处，整条凸轮轴允许2处。(5) 区内允许A1、A2、B1、B2、B3存在3处，整条凸轮允许B3缺陷1处。(6) 区内允许A1、A2、B1、B2、B3存在4处。(7) B类缺陷不允许横向存在。(8) 剩余磁场强度不大余2X10SH0.5x;-4;T。用“残磁检测仪检测。本科生毕业设计4 重点工序的夹具、刀具、检具的设计及设备的选择4 重点工序的夹具、刀具、检具的设计及设备的选择本次柴油机凸轮轴工艺设计的重点工序有铣端面打中心孔、正火、铣键槽、淬火、精车止推面、精磨凸轮、精磨大外圆、精磨小外圆以及探伤。重点工序之多，因此，每个工序的刀具、检具、夹具的设计以及设备的选择变得至关重要，它们直接影响着产品的质量、生产成本、生产效率等。这次毕业设计选取了铣键槽这道工序的刀具、夹具、检具的设计及设备选择进行简单介绍。凸轮轴键槽作为后续凸轮加工的角向定位基准，凸轮的相位角与键槽的加工质量有密切相关。根据凸轮轴铣键槽工艺图，如图4-1所示，其形状是长轴，键槽深度4mm，键槽长度14mm，键槽宽度80 -0.036，键槽两侧壁面表面粗糙度为Ra3.2，平行度为0.02，键槽中心线两侧对称度0.03。图4-1 凸轮轴铣键槽工艺4.1重点工序夹具的设计4.1.1夹具设计概述设计要求：(1) 夹具设计应满足凸轮轴加工工序的精度要求；(2) 应能提高凸轮轴加工生产率；(3) 操作方便、省力、安全；(4) 具有一定使用寿命和较低的夹具制造成本；(5) 夹具元件应满足通用化、标准化、系列化的“三化”要求；(6) 具有良好的结构工艺性：便于制造、检验、装配、调整、维修。本次凸轮轴加工工序的夹具的有通用夹具、专用夹具、成组夹具等，如鸡心夹、研孔座、攻丝座、V型块等。它们的选择和设计也是非常重要的，与生产息息相关，现在重点选择铣键槽工序夹具设计进行简单介绍。4.1.2凸轮轴铣键槽夹具设计图4-2 铣键槽夹具1-底板；2-V型板；3-压板；4-螺母；5-螺杆；6-弹簧1.61425；7-螺母M12；8-螺钉M850；9-定位板如4-2图所示，铣键槽夹具使用原理：先将4紧固螺母卸下来，再卸下3压板，把凸轮轴小头顶到9定位板，以V型板定位，装上3压板，再装上紧固螺母，通过拧紧4紧固螺母，紧固螺母往下压3压板，这样就将凸轮轴定位、压紧。4.2重点工序刀具的设计4.2.1刀具设计概述本次毕业设计的工序有35道，所用的刀具的种类非常多，如切刀、铣刀、砂轮、车刀、中心钻、8钻头等，还有的是机床上自带的刀具，因此刀具的选择和设计对凸轮轴工件的加工精度和质量也是变得至关重要。刀具作为机械制造过程中用于切削加工的工具，其质量的好坏和选择是否恰当，关系到整个生产的成本和生产效率。下面我就对重点工序铣键槽用到的键槽铣刀进行简单介绍。4.2.2键槽铣刀设计(1)键槽铣刀概述键槽铣刀是一种铣削刀具，有两个刃瓣，可以轴向进给向工件转孔，然后沿键槽方向铣出键槽全长。可以加工平键键槽、半圆键键槽等。图4-3 键槽铣刀其特点： 只有两个刀齿； 直径精度：e8加工槽宽精度为H9的键槽，d8加工槽宽精度为N9的键槽； 端面刃为主刀刃，圆周刃为副刀刃，能轴向进给； 刀具重磨时只磨端面刃（直径不变）。(2) 键槽铣刀的设计根据本工艺过程的特点和凸轮轴技术要求，选择直径为8mm的直柄键槽铣刀，其各尺寸如图4-4所示：图4-4 直柄