机械毕业设计（论文）-凸轮轴零件的数控加工工艺设计及数控编程【全套图纸】.pdf

本科毕业设计本科毕业设计(论文论文) 题目：题目：凸轮轴零件的数控加工工艺设计及数控编程 系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2013 年 5 月 I 凸轮轴零件的数控加工工艺设计及数控编程凸轮轴零件的数控加工工艺设计及数控编程 摘摘 要要 这次毕业设计的目的就是要对轴类零件的数控磨削加工有所了解，凸轮轴 是轴类零件中比较复杂的一种轴类。在磨削加工方面，凸轮轴也是比较难以加 工的轴。本文则是从最开始的凸轮轴零件的工艺分析开始对凸轮轴进行全方位 的分析关于材料的选择，毛坯的确定，热处理选择，基本尺寸以及表面粗糙度 的确定都参考了大量的相关书籍进行定性定量的选择，中期的工序设定，以及 关于加工步骤中的关于凸轮轴轴颈铣削的夹具设计，还有一些加工用量和加工 余量的切削选择和计算，最后还运用了数控技术和仿真技术对凸轮轴零件最终 在电脑上进行数控模拟和仿真加工生成零件。 关键词关键词:凸轮轴；工艺设计；数控加工 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 II III CAM shaft parts of nc machining process design and NC programming Abstract This graduation design is aim to CNC grinding of shaft parts understand ,The camshaft is relatively complex shaft parts of a shaft .In the grinding process, the camshaft is also more difficult to machine shaft. This paper begins with the process analysis to parts of the camshaft camshaft all- round analysis about the choice of materials, the determination of blank heat treatment options, the basic size and the determination of surface roughness are qualitative quantitative reference a large number of related books, Medium- term process Settings, as well as processing steps of CAM shaft neck of milling fixture design, and some processing dosage and the selection and calculation of cutting machining allowance,Finally also use numerical control technology and simulation technology to nc camshaft parts eventually on the computer simulation and the simulation processing to generate parts. Keywords：The camshaft；Process design；Numerical control processing IV 目目 录录 1 绪论绪论 . 1 1.1Pro/E 和 Mastercam9.0 软件的特点及主要功能 . 2 1.2 数控技术的相关知识 . 2 1.3 凸轮轴设计背景 . 5 1.4 凸轮轴设计方法 . 5 1.5 凸轮轴设计的作用 . 5 1.6 凸轮轴设计的结果和意义 . 6 2 凸轮轴零件的工艺分析凸轮轴零件的工艺分析 7 2.1 凸轮轴零件特点 . 7 2.2 工艺设计原则及凸轮轴加工工艺分析 . 8 2.3 小结 . 9 3 凸轮轴工艺设计凸轮轴工艺设计 . 10 3.1 工艺设计 . 10 3.2 工艺特点 . 11 3.3 凸轮轴工艺分析 12 4 夹具的设计夹具的设计 . 14 4.1 夹具的设计 . 14 4.2 端面车削 20 4.3 凸轮轴颈磨削 . 21 本章小结 . 22 5 凸轮轴的数控磨削加工编程及仿真凸轮轴的数控磨削加工编程及仿真 23 5.1 数控编程 . 23 5.2 仿真加工 . 26 6 设计总结与心得设计总结与心得 . 31 致谢致谢 . 32 参考文献参考文献 . 33 附录附录 . 33 1 绪论 1 1 绪论绪论 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受到了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。 毕业设计（论文） 2 1.1Pro/E 和和 Mastercam9.0 软件的特点及主要功能软件的特点及主要功能 Pro/Engineering 是美国公司开发的软件，该软件能够完整的展现某一产品 从设计，加工到生产样本的全部工作流程，让所有的用户同时进行某一产品的 设计工作流程，让所有的用户同时进行统一产品的设计工作。 它是一款全方位的产品开发软件，集合了众多的功能。因此，自 1988 年问 世以来，及引起 CAD（计算机辅助软件）/CAE（计算机辅助教育）/CAM（计 算机辅助制造）界的极大震动。 Mastercam9.0 是美国 CNC Software,Inc 公和司开发的 CAD/CAM 一体化软 件。它是集二维绘图，三维实体，曲面设计，体素拼合，数控编程，刀具路径 模拟及真实感模拟等功能于一身，对系统运行环境要求较低，使用户无论是在 造型设计，CNC 铣床，CNC 车床，或 CNC 线切割等加工操作中，都能获得最 佳效果。 而且 Mastercam9.0 基于 PC 平台，支持中文环境，价位适中，对于广大的 中小企业来说是最理想的选择。 1.2 数控技术的相关知识数控技术的相关知识 数控机床是采用数字化的信号进行对工件的自动生产制造的一种高效自动 化设备。 它最早出现于二十世纪四十年代初期的美国的一个小公司，在制造飞机框 架和直升机叶片时， 利用全数字电子计算机对叶片轮廓的加工路径精确地控制， 直到 1952 年出现了世界第一台数控机床直线插补连续控制的三坐标立式 铣床。 数控铣床主要用于加工平面和曲面轮廓的零件，还可以加工复杂型面的零 件，如凸轮、样板、模具、螺旋槽等。同时也可以对零件进行钻、扩、铰、锪 和镗孔加工。它有适应性强、灵活性好，加工精度高、加工质量稳定可靠，生 产自动化程序高，生产效率高等等特点。 在利用数控机床进行生产制造前， 我们必须先了解数控系统的功能及规格， 因为不同的数控系统在编写数控加工程序时， 在格式及指令上是不完全相同的， 而且不同的机床也有不同的操作面板。我们必须对使用的铣床操作熟练，对 CAD 编程软件的熟练使用。 接着我们首先要认真分析零件图，熟悉零件的加工工艺。选择合要求、高 效率的加工工艺；对其每个不同的加工选择合理的刀具、夹具及切削用量、切 削液。并 CAD 编程软件设置好各参数，编好工件程序后，拟定数控铣削加工工 毕业设计（论文） 3 序卡片，根据加工工序步骤，将对应步骤的加工程序输入到数控仿真铣床对零 件进行仿真加工，并确定无错误便可到铣床车间将工件加工出来。 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工 业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生 的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用， 因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。 从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下 几个方面： 1高速、高精加工技术及装备的新趋势 2五轴联动加工和复合加工机床快速发展 3智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直 接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此， 世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。 在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大 的进步。特别是在通用微机数控领域，以 PC 平台为基础的国产数控系统，已 经走在了世界前列。 但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别是在技 术创新能力、商品化进程、市场占有率等方面情况尤为突出。 在新世纪到来时，如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发 展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重 的地位，将是数控研究开发部门和生产厂家所面临的重要任务。 在普通机床上加工零件时，首先应由工艺人员对零件进行工艺分析，制定 零件加工的工艺规程，包括机床、刀具、定位夹紧方法及切削用量等工艺参数。 同样，在数控机床上加工零件时，也必需对零件进行工艺分析，制定工艺规程， 同时要将工艺参数、几何图形数据等，按规定的信息格式记录在控制介质上， 将此控制介质上的信息输入到数控机床的数控装置，由数控装置控制机床完成 零件的全部加工。 我们将从零件图样到制作数控机床的控制介质并校核的全部过程称为数控 加工的程序编制，简称数控编程。数控编程是数控加工的重要步骤。 理想的加工程序不仅应保证加工出符合图样要求的合格零件，同时应能使 数控机床的功能得到合理的利用与充分的发挥，以使数控机床能安全可靠及高 效地工作。 一般来讲，数控编程过程的主要内容包括：分析零件图样、工艺处理、数 毕业设计（论文） 4 值计算、编写加工程序单、制作控制介质、程序校验和首件试加工。 数控机床与加工，数控机床是按照事先编制好的数控程序自动地对工件进 行加工的高效自动化设备。数控加工就是将加工数据和工艺参数输入到机床， 机床的控制系统对输入信息进行运算与控制，并不断地向直接指挥机床运动的 电动机功能部件机床的伺服机构发送脉冲信号，伺服机构对脉冲信号进行 转换与放大处理，然后由传动机构驱动数控机床，从而加工零件。所以数控加 工的关键是加工数据和工艺参数的获取，即数控编程。 数控编程，数控程序的编制是指从分析零件图样开始到获得正确的程序载 体为止的全过程。 在数控机床上加工零件时，首先要分析零件图样的要求、确定合理的加工 路线及工艺参数、计算刀具中心运动轨迹及其位置数据；然后把全部工艺过程 以及其他辅助功能(主轴的正转与反转、切削液的开与关、变速、换刀等)按运 动顺序，用规定的指令代码及程序格式编制成数控加工程序，经过调试后记录 在控制介质(或称程序载体)上，最后输人到数控机床的数控装置中，以此控制 数控机床完成工件的全部加工过程。 CNC 程序中的每一指定皆有一定的固定格式，使用不同的控制器其格式亦 不同，故必须依据该控制器的指令格式书写指令，若其格式有错误，则程序将 不被执行而出现警示讯息。 CAM 软件是将加工零件以图形形式输人计算机， 由计算机自动进行数值计 算、前置处理，在屏幕上形成加工轨迹，及时修改，再通过后置处理形成加工 程序输人数控机床进行加工。自动编程的出现使得一些计算繁琐、手工编程困 难、或手工无法编出的程序都能够实现。 然而本设计的零件铣床加工主要是用 CAD 软件 Mastercam9.0 进行零件的 画图和程序的编制。然后通过软件后处理出机床能识别的 NC 代码进行直接加 工。 在自动编程过程中，加工工艺决策是加工能否顺利完成的基础，必须依据 零件的形状特点、工件的材料、加工的精度要求、表面粗糙度要求，选择最佳 的加工方法、合理划分加工阶段、选择适宜的加工刀具、确定最优的切削用量、 确定合理的毛坯尺寸与形状、确定合理的走刀路线，最终达到满足加工要求、 减少加工时间、降低加工费用的目的。 数控仿真加工，数控加工仿真软件包括数控车床、数控铣床、加工中心等 虚拟制造系统同步仿真操作功能；还能对加工的工件进行精确测量、智能测量 等等的仿真操作。我们可以通过仿真软件对零件进行模拟加工，从而达到熟练 各种数控机床的操作面板，而且通过仿真软件还能对加工程序的校正和加工工 毕业设计（论文） 5 艺的优化，最终达到简化程序，减少加工错误，提高加工效率。 1.3 凸轮轴设计背景凸轮轴设计背景 这次毕业设计的目的就是要对轴类零件的半成品以后的磨削加工有所了 解， 也是为了巩固所学的关于磨削加工的理论知识,培养分析和解决问题的能力, 提高自己的数控加工软件的设计应用能力，让我们综合运用我们所学的机械设 计基础、数控编程、机械制图、CAD 技术、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。 1.4 凸轮轴设计方法凸轮轴设计方法 常规设计方法常规的设计方法就是传统的设计方法。 他们是根据力学和数学建立的理论公式和经验公式，运用图表和手册等技 术资料，以实践经验为基础，进行设计计算、绘图和编写设计说明书，利用普 通凸轮磨机床进行加工。 创新设计方法现代设计方法强调是以计算机为工具，以工程软件为基础， 运用现代设计理念，进行机械产品的设计。 如凸轮轴设计就是运用 proe 辅助制图，这样就可以优化设计，就可以提高 其生产效率，降低原材料的浪费率。 1.5 凸轮轴设计的作用凸轮轴设计的作用 凸轮轴是在综合运用机械制图、机械制造原理、机械制造工艺、机械加工、 数控编程等多门课程的总结。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。凸轮轴是活塞发动机里的一个部件。凸轮轴的作用是控制气门 的开启和闭合动作。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。目的就是在尽可能短的时间内完成气门的 开、闭动作，保证汽缸充分的进气和排气。 毕业设计（论文） 6 1.6 凸轮轴设计的结果和意义凸轮轴设计的结果和意义 凸轮轴设计的结果这次设计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，以至于减少砂轮的 磨损。这些将在工艺和编程上得到体现。 凸轮轴设计的意义凸轮轴是一个精密零件，也是轴类零件中比较复杂的一 种曲轴。它的磨削要求也比较严格，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没有得到改善，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。 2 凸轮轴零件的工艺分析 7 2 凸轮轴零件的工艺分析凸轮轴零件的工艺分析 2.1 凸轮轴零件特点凸轮轴零件特点 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：20Cr，各主轴颈及端面的硬度 HB180240，凸轮 HRC48. 2.1.1 凸轮轴的三维图和简图凸轮轴的三维图和简图 图图 2.1 凸轮轴三维图 图图 2.2 凸轮轴二维图 2.1.2 发动机凸轮轴主要加工内容和精度要求发动机凸轮轴主要加工内容和精度要求 a. 支承轴径支承轴径 前轴径前端 32.50- 0.10，后端 32.50- 0.10，表面粗糙度 Rz3.2 毕业设计（论文） 8 中间轴径 32.50- 0.10，表面粗糙度 Rz3.2 后轴径 32.50- 0.10，表面粗糙度 Rz3.2 b. 凸轮凸轮 图图 2.3 凸轮形状示意图 图中 O 点位凸轮旋转中心。EA 是以 O 点位中心的圆弧。 6 个凸轮基圆尺寸为 33.50- 0.10，表面粗糙度 Rz3.2。 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 凸轮型线误差作用段0.05mm 凸轮型线误差作用段0.02mm 一缸凸轮轴对键槽位置 1123220 c. 键槽键槽 宽 50- 0.14，深 400.05，对称度 0.025 2.2 工艺设计原则及凸轮轴加工工艺分析工艺设计原则及凸轮轴加工工艺分析 (1)保证工艺具有合理的先进性，再保证节拍的基础上，吸收先进技术提高 产品的竞争力。 (2)对于关键设备和技术，优先考虑国内外可靠厂家的先进设备。 (3)保证先进性与经济性相结合，再保证产品质量的前提下，降低成本 (4)充分考虑各生产缓解的安全性和操作的方便性。 (5)在投资允许的情况下，尽量考虑柔性生产。 由于凸轮轴具有细长且形状复杂的结构特点，技术要求又高，尤其是凸轮 毕业设计（论文） 9 的加工，因此其加工工艺性较差。在凸轮轴的加工过程中，有两个主要因素影 响其加工精度。其一是易变形性，其二是加工难度大。 2.2.1 易变形特性易变形特性 从细长轴的角度来说，突出的问题就是工件本身的刚度低，切削加工时会 产生较大的受力变形，其表面残余应力也会引起变形。尤其是在加工凸轮和齿 轮时，这种变形会更为显著。 凸轮轴在加工过程中的变形，不仅影响到后续工序加工中的余量分配是否 均匀，而且变形过大会导致后序加工无法进行，甚至造成中途报废。凸轮轴加 工后的变形，将直接影响到装配后凸轮轴的使用性能2。 因此，在安排其工艺过程时，必须针对工件易变形这一特点采取必要的措 施。不仅要把各主要表面的粗精加工工序分开，以使粗加工时产生的变形在精 加工中得到修整，半精加工中产生的变形在精加工中得到修正，还必须在加工 过程中增设辅助支承以采取分段加工等措施，这是保证凸轮轴加工精度所必须 解决的问题。 2.2.2 加工难度大加工难度大 从形状复杂的角度来说，突出的问题凸轮、齿轮这些复杂表面的加工。 对于这些表面，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，将会使加工后的凸轮曲线产生形状误 差，即曲线的升程误差，从而直接影响凸轮轴的使用性能。 2.3 小小结结 综上所述，虽然各种方案都各有优点，但其技术的不成熟或者成本问题， 都成为在国内实施的困难。考虑到成本及大批量生产，选择成熟技术和成熟的 设备，使工艺方案符合经济性与合理性原则。 3 凸轮轴工艺设计 10 3 凸轮轴工艺设计凸轮轴工艺设计 3.1 工艺设计工艺设计 3.1.1 定位基准定位基准的的选择选择 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。 3.1.2 加工加工阶段阶段的的划划分与工分与工序顺序序顺序的的安排安排 a. 加工加工阶段阶段的的划划分分 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3： (1) 粗加工阶段包括车各支承轴颈、齿轮外圆轴颈和粗磨凸轮。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。 (3) 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 32.5 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 毕业设计（论文） 11 简介。 b. 工序顺序的安排工序顺序的安排 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， 对于是按凸轮粗磨精磨加工的， 对于斜齿轮是按粗车 精车精磨滚齿加工的。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。 3.1.3 凸轮形面的加工凸轮形面的加工 在凸轮轴的加工中，最重要同时难度最大的是凸轮形面的加工。该形面的 加工方法目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，使用第一个靠模来工作。当砂轮磨损到一定程度时，靠模自 动转换，使用第二个靠模来工作4。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。 发动机凸轮轴毛坯采用精铸的方法制造，毛坯精度较高，切削量小，故采 用磨削的加工工艺，简化了凸轮形面的加工。 凸轮形面的加工采用磨削的方法，在凸轮磨床上完成粗磨及精磨的加工。 工件安装在两顶尖之间并以键槽做轴向定位，在支承轴颈处安装辅助支承保证 凸轮形面的加工精度。 发动机凸轮轴形面的加工所采用的凸轮轴磨床是立方氮化硼磨床，该磨床 能迅速地变换磨削的凸轮形状，超过一般仿珩磨的生产率。机床具有较大的刚 度，能承受大的工作负荷。由于立方氮化硼（CBN）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。 3.2 工艺特点工艺特点 发动机凸轮轴工艺特点： a. 毛坯硬度高 （冷激区 HRC45 非冷激区 HB229302） b. 生产节拍 1.75 分钟 c. 轮轴数控车床用于支撑轴颈的粗加工 凸轮部分在铸造时冷激，不需加工后淬火 d. 凸轮采用粗、精磨加工，以磨代车，凸轮轮廓直接磨削 e. 凸轮精加工采用全数控无靠磨磨削 毕业设计（论文） 12 f. 加工中主要定位基准中心孔采用打孔后修磨，保证加工质量 3.3 凸轮轴工艺分析凸轮轴工艺分析 3.3.1 生产纲领生产纲领 生产类型生产类型 生产纲领的大小对生产组织和零件加工工艺过程起着重要的作用，它决定 了各工序所需专业化和自动化的程度，以及所应选用的工艺方法和工艺装备。 零件生产纲领可按下式计算： N=Qn(1+a%+b%) 由此公式可以算的凸轮轴的年生产量为 5000 件， 根据生产纲领和生产类型 的关系可以确定其生产类型是大批量生产。 表 1 生产纲领与生产类型的关系 3.3.2 材料选择材料选择 凸轮轴材料的选择：由于轴的载荷通常是变载荷，或变应力，故材料应具 有较好的强度和韧性；对轴的表面与支承有相对滑动的轴，还须要求较好的耐 磨性。 材料：常用材料与热处理：凸轮轴常用材料是 20Cr，20Cr 的热处理及主要 机构性能（参考）如表 2 表 2 20Cr 主要机构性能 材料 牌号 热处理 毛坯直 径 mm 硬 度 HBS 抗拉强度 极限 b (Mpa) 弯曲疲劳 极限 - 1(Mpa) 扭转疲劳极限 - 1/Mpa 屈服极 限 s/Mpa 20Cr 渗碳淬 火 回火 15 30 60 表面 HRC50 60 850 650 650 550 400 400 375 280 280 215 160 160 3.3.3 热处理热处理分析：分析： 生产类型 零件的年生产纲领（件） 重型零件 中型零件 轻型零件 单件生产 小批生产 中批生产 大批生产 大量生产 5 5100 100300 3001000 1000 10 10200 200500 5005000 5000 100 100500 5005000 50050000 50000 毕业设计（论文） 13 轴类零件的热处理是保证轴类零件性能的重要工艺过程，它对轴类零件的 如下性能有着直接的影响6： a. 轴类零件的制造精度：组织转变不均匀、不彻底及热处理后形成的残余 应力过大轴在热处理后的加工、装配和使用过程中的变形，从而降低轴的精度， 甚至报废。 b. 轴类零件的强度：热处理工艺制定不当、热处理操作不规范或热处理设 备状态不完好，造成被处理轴的强度（硬度）达不到设计要求。 c. 轴的工作寿命：热处理造成的组织结构不合理、晶粒度超标等，导致主 要性能如轴的韧性、抗磨损性能等下降，影响轴的工作寿命。 d. 轴的制造成本：作为轴制造过程的中间环节或最终工序，热处理造成的 开裂、变形超差及性能超差，大多数情况下会使轴报废，即使通过修补可以使 用，也会增加工时，从而增加了轴的成本。 凸轮轴材料是 20Cr，对强度和韧性要求比较高，而表面易磨损需渗碳。渗 碳的目的就是增加轴的耐磨性能、表面硬度、抗拉强度及疲劳极限。渗碳以后 首先要进行淬火，用来提高其硬度和强度极限。但淬火时会引起内应力使之变 脆，所以淬火以后必须要回火，回火的目的就是用来消除淬火后的脆性和内应 力，提高其塑性和冲击韧度。 但是对于凸轮轴来说，半成品热处理以前还有一道重要的工序，就是要对 第一和第二个凸轮之间的外圆；第五和第六个凸轮之间的外圆用两顶的装加方 式进行粗磨。这样做是因为轴类零件热处理以后会产生变形，既保证其同轴度。 以便在热处理以后以这两个外圆为基准进行校核。 4 夹具的设计 14 4 夹具的设计夹具的设计 4.1 夹具的设计夹具的设计 磨床夹具按其通用化的程度和结构特点，可以分为通用夹具、专用夹具、 组合夹具和成组可调夹具等等。凸轮轴加工时采用的是传动夹头，属于组合夹 具类型。 组合夹具是在夹具零部件标准化的基础上发展起来的一种新型工艺装备。 它是由一套预先制造好的标准元件组装而成的。这些元件有各种不同的形状、 不同规格的尺寸，它们相互配合部分的尺寸精度高、硬度高、耐磨性好，且具 有完全的互换性。根据加工工艺的要求，可通过选择和使用标准元件和组合元 件，很快装配出机械加工、检验、装配等所需的夹具来。使用完毕，可方便地 拆卸、清洗、存放、留待以后再使用。 组合夹具的特点： 1、灵活多变； 2、保证加工质量、提高生产效率； 3、节省人力和物力； 4、减少夹具存放面积。 组合夹具的元件按其用途不同可以分为八大类，即：基础元件、支承元件、 定位元件、导向元件、压紧元件、紧固元件、辅助元件及合件。其中，紧固元 件包括各种螺栓、螺钉、螺母和垫圈等，这些紧固元件均为常用的标准件。 本次夹具设计主要是应用于对凸轮轴的凸轮轴颈进行加工。由于凸轮轴在 工作中需要很高的转速承受很大的转矩，因此对凸轮轴轴颈的强度和可靠支撑 方面的要求很高。而轴颈的同轴度需要也很高。由于进行大批量生产同一种凸 轮轴所以设计一套专用的夹具。 凸轮轴的材料为 20Cr 且由于凸轮轴颈的位置应该运用铣磨加工比较好。 该零件在数控磨铣加工前，工件是一个经过加工半圆槽的凸轮轴材料，凸 轮轴上的半圆槽可以进行定位装夹，无需进行另做工艺孔进行定位。 凸轮轴的组成几何元素之间关系清楚，条件充分，编程时，所需基点坐标 很容易求得。凸轮轴颈的的外轮廓面只要与加工刀具只有有垂直度的要求，只 要提高装夹精度，使凸轮轴颈与铣刀轴线垂直， 加工凸轮轴颈的同轴度即可保 证。 在设计夹具体的时候传动板上的锥度孔要达到一定的高度才能在装夹时保 毕业设计（论文） 15 证凸轮轴磨铣的同轴度，因此传动板的高度，中心孔的位置要自己设计，最后 的夹具体，如图 4.1 所示。 图 4.1 夹具图 传动夹头由非标准件手柄、定位销、定位板、弹簧、螺母、压盖、定位螺钉、传 动板和标准件圆柱销、螺钉组合而成。 毕业设计（论文） 16 图 4.2 传动板 传动板是整个夹具的夹具体，也是夹具的关键部位如图 4.2 所示，它上面 有一个锥度孔，用来装夹凸轮轴的锥形端面。锥度孔和锥度面有自锁，在磨削 时对凸轮轴进行夹紧，限制其自由度。 图 4.3 定位板 定位板是通过定位螺杆固定在传动板上，它的作用是用来放置定位销(如图 4.3)所示。 毕业设计（论文） 17 图 4.4 手柄 手柄是用来装定位销的，以便于定位销在使用时方便。(如图 4.4)所示 图 4.5 定位销 定位销是在加工时对凸轮轴进行定位，装夹时定位销应放在凸轮轴装夹端 的键槽内，限制凸轮轴的转动和移动的自由度。(如图 4.5)所示。 (如图 4.6，4.7)所示为夹具图的装配三维图和夹具图的分解三维图。 毕业设计（论文） 18 图 4.6 夹具三维装配图 图 4.7 夹具三维分解图 毕业设计（论文） 19 西安工业大学大 学北方信息工程 学院 机械加工工 艺过程卡片 产品型号 零件图号 产品名称 凸轮轴 零件名称 凸轮 轴 共 页 第 页 材料牌号 45 钢 毛坯 种类 铸件 毛坯 外形 尺寸 每毛 坯可 制件 数 1 每台 件数 备 注 工序号 工序名 称 工序内容 工 段 设备 工艺 装备 工时 准 终 单 件 1 铣端面 打中心 孔 铣端面打中心孔 钻铣组合 机 2 校直 压床 3 粗车轴 颈外圆 车支承轴颈外圆等 凸轮轴轴颈 车床 4 钻孔 钻 7 孔 钻床 5 校直 校直 压床 6 磨轴颈 外圆 磨轴颈外圆 外圆磨床 7 车侧面 车凸轮侧面和连接轴颈等 凸轮轴车床 8 校直 校直 压床 9 磨螺纹 外圆 磨螺纹轴颈外圆等 外圆端面 磨床 10 磨轴颈 磨五个支承轴颈外圆 外圆磨床 11 铣键槽 铣键槽 键槽铣床 12 粗磨凸 轮 磨凸轮 凸轮磨床 13 铣螺纹 铣螺纹 螺纹铣床 14 去毛刺 去螺纹两端毛刺 去毛刺机 15 清洗 清洗 清洗机 16 检查 中间检查 17 淬火 支承轴颈、螺纹表面淬火 18 淬火 凸轮、偏心轮淬火 19 修中心 孔 修中心孔 立式钻床 20 校直 校直 压床 毕业设计（论文） 20 21 半精磨 凸轮 磨凸轮 凸轮磨床 22 校直 校直 压床 23 精磨端 面止推 面 精磨端面和止推面 端面外圆磨 床 24 精磨轴 颈 精磨支承轴颈外圆 外圆磨床 25 精磨凸 轮 精磨凸轮 凸轮磨床 26 修正 修整螺纹和去毛刺 27 抛光 抛光 抛光机 28 校直 校直 压床 29 清洗 清洗 清洗机 30 终检 终检 表 4.1 加工工艺卡片 4.2 端面车削端面车削 a. 背背吃刀量吃刀量 ap 应选择尽量大的背吃刀量，尽量在一次走刀中，把本工序加工应切除的加 工余量切除掉。在粗加工时，当加工余量过大或工艺系 统刚性较差时，也可 分两次走刀。 在这一道工序中采用一次进刀： 选取 ap的进刀量为 0.33 b. 进给量进给量f 定义：工件或刀具每转一周时，刀具与工件在进给运动方向上的相对位移 量。 查表选取 f 为 0.16 c. 切切削削速速度度 v v c )/( 1 60 sm v k v y f v x p a m T m v c v - = 式中 cv, xv, yv, 为系数，m 为指数,ap为背吃刀量，f 为进给量，修正系数 kv 取值为 1。 查有关手册，查得 cv=189.8, xv=0.15, yv=0.20, m=0.20 计算得出 v=2.37m/s d. 加工工加工工时时 毕业设计（论文） 21 根据凸轮轴的零件图得出 l=27mm 查表 4.6 的 l1=5mm，取 l2=2mm Tj=(l+l1+l2)/（f*nw） =(27+5+2）/2.37 =14.34s 由于有两个端面需要车削，所以车削端面所用工时为 Tj总=14.34*2=28.68s 4.3 凸轮轴颈磨削凸轮轴颈磨削 a. 背背吃刀量吃刀量 ap 应选择尽量大的背吃刀量，尽量在一次走刀中，把本工序加工应切除的加 工余量切除掉。在粗加工时，当加工余量过大或工艺系统刚性较差时，也可分 两次走刀。 在这一道工序中采用一次进刀： 所以 ap的进刀量选取为 0.99 b. 进给量进给量f 定义：工件或刀具每转一周时，刀具与工件在进给运动方向上的相对位移 量。 进给量的选择与背吃刀量也有关，在已选定背吃刀量为 0.99 的前提下，查 有关手册，选择进给量为：0.8mm/r c. 切切削削速速度度 uc ucD n 粗/1000 式中 D刀具直径 n加工时的速度 查有关手册，取加工时的主轴转速为 400r/mm。 所以， ucD n 粗/1000 1.98400/1000 2.48mm/r d. 加工工加工工时时 Tj 根据凸轮轴的零件图得出l=17mm 查表4.3的l1=10mm， 取l2=2mm Tj=(l+l1+l2)/（f*nw） =(17+10+2）/2.48 =11.69s 由于凸轮轴颈被凸轮分成五部分所以加工工时 Tj总=11.69*5=58.46s 毕业设计（论文） 22 本章小结本章小结 本章对凸轮轴的特点、作用、结构工艺性进行了具体详细的分析，让人对 凸轮轴有了进一步的了解，并结合生产实际要求确定了生产纲领、生产类型及 工艺路线，并进行了夹具设计。 本章设计中夹具设计是一大重点，也是一大难点。普通轴的加工一般不需 要设计夹具，直接用卡盘夹紧，或用两顶尖固定即可，但凸轮轴的加工不可如 此，它需要设计专门的夹具。这也体现了凸轮轴加工的难度及重要性。 5 凸轮轴的数控磨削加工编程及仿真 23 5 凸轮轴的数控磨削加工编程及仿真凸轮轴的数控磨削加工编程及仿真 5.1 数控编程数控编程 数控磨的编程是通过角度的一个升程表来自动完成的，所以升程表里的每 一个角度都要准确无误，要不就会升程一个不同角度的升程。 表 4 凸轮升程表 H （mm） H （mm） H （mm） H （mm） H （mm） 25.1 5 0 30 0.1006 35 0.4189 40 0.9675 45 1.7687 25.5 0.0005 30. 5 0.1225 35. 5 0.4631 40. 5 1.0358 45. 5 1.8639 26 0.0031 31 0.1466 36 0.5097 41 1.1066 46 1.9621 26.5 0.0078 31. 5 0.1728 36. 5 0.5585 41. 5 1.18 46. 5 2.0631 27 0.0146 32 0.2013 37 0.6097 42 1.2561 47 2.1672 27.5 0.0236 32. 5 0.2320 37. 5 0.6633 42. 5 1.3347 47. 5 2.2743 28 0.0347 33 0.2649 38 0.7193 43 1.4160 48 2.3844 28.5 0.0479 33. 5 0.3 38. 5 0.7776 43. 5 1.5 48. 5 2.4977 29 0.0633 34 0.3374 39 0.8385 44 1.5868 49 2.6142 29.5 0.0809 34. 5 0.3770 39. 5 0.9017 44. 5 1.6764 49. 5 2.7340 编制数控加工程序是是使用数控机床的一项重要技术工作，理想的数控程 序不仅应该保证加工出符合零件图样要求的合格零件，还应该使数控机床的功 能得到合理的应用与充分的发挥，使数控机床能安全、可靠、高效的工作。 下面是凸轮轴的一段加工程序 一、程序头是程序的起始阶段，他是执行程序的一个辅助工作，主要包含： 5 凸轮轴的数控磨削加工编程及仿真 24 刀具的起始点、主轴的正反转、主轴的速度、冷却液的开关。 N0000(MAIN PROGRAM) G54 G90 G00 X- 150 Y0.U0.V0.Z0 二、程序主体是程序的主要部分，他主要包含：进刀点、切入点。 1、进刀 M28 G04 F1.0 R2=0.00 R29=R131 2、切入 这一步是砂轮逐步磨削，逐渐成型。 G90 G00 SUPA X=R900 G00 SUPA Z=R901 R95=270.00 R96=52.00 AF90 G90 G00 X=R103 M22 G04 F=1.0 AA40: IF $A_IN10=1 GOTOF AA34 G91 GOO Z- 0.01 IF $AA_IWZ1=47.0 GOTOF AA32 GOTOB AA40 AA34: IF $A_IN10=0 GOTOF AA33 G91 G00 Z- 0.01 GOTOB AA34 AA33: G04F1.0 G91 G01 Z0.15 F20.0 毕业设计（论文） 25 IF $_IN10=GOTOF AA32 AA35: IF $A_IN10=1 GOTOF AA36 G91 G01 Z- 0.001 F20.0 GOTOB AA35 AA36: M23 G91 G00 Z=R300 G90 G00 X=R299 M22 G04 F=1.0 AA51 IF $A_IN10=1GOTOF AA50 G91 G00 Z- 0.01 IF $AA_IWZ1=70 GOTOB AA32 GOTOB AA51 AA50: IF $A_IN10=0 GOTOF AA52 G91 G00 Z- 0.01 GOTOB AA50 AA52: G04 F=1.0 G91 G01 Z0.15 F20.0 IF $A_IN10=O GOTOF AA32 AA53: IF $A_IN10=GOTOG AA54 G91 G00 Z- 0.01 F20.0 GOTOB AA53 AA54 M23 G90 G00 X270.0 毕业设计（论文） 26 G04 F1.0 G91 G00 Z=R162 AF10 R130=R130+1 IF R130R29 GOTOF AA46 AF11 G04 F1.0 AA32 M23 G04 F1.0 AA46 G90 G00 SUPA X=R900 G90 G00 SUPA Z=R901 R95=270.00 R96=52.00 AF90 G04 F1.0 三、三、程序结尾是是程序的结束部分，主要包含主轴的停止、程序的结束并 返回到程序的起始位置、刀架退到安全地方。 M05; M01; T0606; M30; 5.2 仿真加工仿真加工 由于本人对于 Mastercam 软件还正在学习中对于一些复杂的应用正在学 习，而且凸轮轴的零件仿真加工属于较复杂的的零件加工，所以关于凸轮轴上 的凸轮的仿真加工还不熟悉。 5.2.1 读取文档读取文档 仿真加工是从Pro/E 系统中输出凸轮轴零件的IGES 格式文件；在 Mastercam9.0 系统中将凸轮轴零件的IGES 格式文件转换成MC9 格式文件。 在 菜单栏中选择回主功能表/档案/档案转换/IGES/读取。 5.2.2 坐标处理坐标处理 毕业设计（论文） 27 进行坐标处理选取侧面进行旋转使刀具面与凸轮轴的轴颈垂直。然后建立 第二个图层，绘图建立边界盒（如图5.1） ，画直线选取斜对称的两点端点。然 后在转换中进行平移，选择斜直线的中点与坐标原点进行重合。使凸轮轴的中 点与坐标中点进行重合（如图5.2） 。 图 5.1 边界盒 图 5.2 转移原点 5.2.3 曲面曲线处理曲面曲线处理 建立第三个图层，取消第二图层。绘画中选取曲面曲线然后选取要加工的 面，点选执行。 5.2.4 加工坯料加工坯料 在菜单栏选择刀具路径，工作设置，系统弹出工作设置对话框，选取使用 边界盒。然后点选确定。 毕业设计（论文） 28 5.2.5 凸轮轴的圆槽粗加工凸轮轴的圆槽粗加工 选取刀具路径，曲面加工，粗加工，挖槽粗加工，选取要加工的面（如图 5.3，5.4） 图 5