（机械工程专业论文）夏利汽车tj376q发动机凸轮轴生产线设计及加工研究.pdf

中文摘要 中文摘要 凸轮轴作为汽车发动机配气机构中的关键部件，其性能与质量直接影响着 发动机整机性能。所以凸轮轴的材料要求和加工要求都比较高。建立大批量生 产的凸轮轴生产线具有很大的现实意义。 本文针对夏利汽车t j 3 7 6 q 凸轮轴的加工特点结合工厂实际，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t j 3 7 6 q 凸轮轴的加工工艺和设备进行了深入研究。 建立了用数控无靠模方法、恒线速磨削凸轮时所需的砂轮中心坐标等数学 模型，对凸轮廓形进行计算和推导，对凸轮轮廓的加工进行了探讨。 同时，本文还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。 对于生产线出现的质量问题，作者从人、机、料、法、环五个方面入手， 分析原因，提出并实施解决方案。并引入了统计过程控制理论，在生产线上运 用均值一极差控制图。使整个生产过程处于控制状态。 通过本文的研究与应用，t j 3 7 6 q 发动机凸轮轴生产线已进入稳定生产阶段 取得了很好的经济效益。 关键词：凸轮轴工艺设备凸轮廓形 升程质量控制 茎兰塑茎 一一一 a b s t r a c t a so n eo fi m p o r d a n tc o m p o n e n t si nm o t o rv a l u et i m i n gm e c h a n i s m ，a b i l i t ya n d q u a l i t yo f c a m s h a f id i r e c t l ya f f e c tt h ew h o l ee n g i n e sp e r f o r m a n c e s ot h em a t e r i a l a n dm a n u f a c t u r i n go fc a m s h a f tn e e dt ob ec o n t r o l l e ds t r i c t l y i ti sn e c e s s a r yt h a ts e tu p o n eb a t c hp r o d u c tl i n ef o rc a m s h a f t f i r s t l y , o nt h eb a s eo f c h a r a c t e r so ft j 3 7 6 qc a m s h a f ta n dc o n s u l t i n gt h ep r e s e n t s i t u a t i o no fe n t e r p r i s e ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e sh o wt oc o m b i n ea d v a n c e de x p e r i e n c e w i t he c o n o m i z a t i o nt op r o d u c ec a m s h m ，a n da n a l y s i st h et e c h n o l o g i c a lp r o c e s sa n d e q u i p m e n t s t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ec e n t e rc o o r d i n a t eo fg n n d i n gw h e e lw a sb u i l t u s i n gn ct e c h n o l o g yi n s t e a do fc o p y i n gc a m i na d d i t i o n ，t h ec o n t o u ro fc a l l w a s c a l c u l a t e da n d g r i n d i n gt e c h n o l o g y o fe a r nw a sd i s c u s s e d m e a n w h i l e ，t h i sp a p e rg i v e sn e wm e t h o d st om e a s u r et h el e f t o fc a m ，d i g i t a l l o c a t i o na n da s s e s s m e n tm e t h o d f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e rc a r r i e so u tt h ep l a nt o s o l v et h e q u a l i t yp r o b l e m so f p r o d u c t l i n e c o n s i d e r i n g f i v e f a c t o r s ：p e r s o n ，m a c h i n e ，m a t e r i a l ，m e t h o d a n d e n v i r o n m e n t f i n a l l y , t h es p c ( s t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r 0 1 ) t h e o r ya n dx rg r a p hw e r ea p p l i e da t t h em a n u f a c t u r i n gl i n et oc o n t r o la l lp r o d u c i n g p r o c e s s t h r o u g h t h er e s e a r c ha n dp r a c t i c e ，t j 3 7 6 qc a m s h a f tm a n u f a c t u r i n gl i n eh a sb e e n i ns t a b l ep r o d u c i n gs t a g ea n dh a so b t a i n e de c o n o m i cb e n e f i t s k e y w o r d ： c a m s h a f t c o n t o u ro fc a m p r o c e s s l e f to f c a m e q m p m e n t q u a i l t yc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 7 学位论文作者签名：马删签字日期：舶叶年c 月lz 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞基堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 勒魏孑饬 签字日期：腓 f 月心只 签字目期：c 7 中年月z 闩 第一章绪论 第一章绪论 1 1 汽车发动机行业的发展状况 现代汽车发动机行业的发展十分迅速，这种趋势要求各发动机厂家不仅要 具有大批量生产的能力，也同时要具有小批量、多品种的生产能力。所以，在 汽车发动机厂家现在已普及了互换性、自动化生产，做到了流水线式生产线布 置及工艺安排，实现了按节拍生产。例如天津夏利汽车的发动机的节拍为1 7 5 台分钟。1 7 5 分钟包括辅助时间和机加工时间。辅助时间包括上料、输送、检 验时间，而机加工时间则是指从夹具定位、夹紧到机加工完成，夹具松开并推 出工件这段时间。 除按节拍生产外，我国的发动机生产厂家多数均采用流水线布置。生产线 分为半自动生产线与全自动生产线两种形式。半自动生产线与全自动生产线的 区别在于前者靠人工在工序间输送工件，而后者则实现了无人操作，输送、加 工及检验全部实现自动化。全自动生产线虽然自动化程度高，质量稳定、可靠。 但是投资巨大，成本太高，而我们国家人力资源丰富，人工价格偏低，所以大 部分发动机生产厂家采用半自动生产线与局部全自动生产线相结合的方式布置 生产线，在保证生产节拍和产品质量的前提下，尽可能的降低产品成本。 此外，在各种发动机的零部件的设计及生产上均采用了一些先进的形式及 工艺。例如多汽缸多气门的设计，从直列三缸到v 型双列1 2 缸，从二气门到四 气门、五气门，多气门的布置可增加充气效率，便于组织缸内气流压力。顶置 式凸轮轴设计，精密加工，柔性生产，在线自动测量及自动补偿等等，这些都 为机加工生产及工艺安排增加了难度，向技术人员提出了更高的要求。 我们对发动机的性能要求为以下四点： 1 ) 高的动力性能。 2 ) 高的燃料经济性。 3 ) 高的工作可靠性和足够的使用寿命。 4 ) 结构紧凑，外型小，重量轻。 5 ) 高的环保性能。低排放，低消耗，低污染。 尤其是最后一点，在近些年中得到很大的关注。由于发动机性能指标的不 断提高，其加工精度、难度也不断增加，所以在发动机行业中，数控机床，精 密加工机床，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 泛普及。 i 第一章绪论 1 2 凸轮轴的性能要求 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 须根据发动机汽缸内所发生的工作过程，保证f 确的打开和关闭气f 1 。而凸轮 轴是发动机五大部件之一，是配气机构中最重要、关键的零件。 轿车发动机行业现在都采用顶置式配气机构，其主要原因是由于顶置式配 气机构的发动机能选用较高的压缩比。其气门可以设计的比较大，混合气进入 和废气排出的必经路程又比较短，因而顶置气门式发动机的容积效率比较高。 另外，顶置气门式发动机燃烧室的s v 比值较小，( s 厂v 比值是燃烧室表面积s 和燃烧室容积v 之比) 这样，不仅废气中未燃碳氢化合物的含量较少，而且发 动机的热效率也较高。这在排放标准日益提高的今天是非常重要的。 在顶置气门式配气机构中，除通常采用挺杆、推杆和摇臂操纵气门的形式 外还有采用顶置凸轮轴( s o h c ) 的。在顶置凸轮轴的发动机中，凸轮轴置于 汽缸盖上，凸轮直接作用于摇臂或挺杆来操纵气门。除单顶置凸轮轴外，还有 双项置凸轮轴( d o h c ) 的，其中一根凸轮轴操纵进气门，另一根操纵排气门。 摇臂 正时齿轮 皮带( 戚 链条) 这种单顶胃凸轮轴发动机由于没有推杼和挺秆，因而减小了配气机构的 惯性力，减少了气门产生颤动的倾向同时也减少了系统的变形量。而f l 这种1 单项冒凸轮轴发动机还有个优点由于运动质量小凸轮轮廓可以设计的比 较陡一些，即使气门能够更快的打丌和关闭，保持更多的时删停翩抬：伞斤的他 胃上，改善发动机的换气，提高容积效率，这样可提高发动机的性能，特则足 高速下的性能。 第一章绪论 由于发动机的发展趋势为多汽缸多气门设计，而每一个气门的进气与排气 都必须由凸轮轴上的凸轮外型控制。所以凸轮轴的发展趋势是一根凸轮轴上排 列着越来越多的凸轮，如果是三缸以下的发动机，不论是两气门还是四气门， 排气凸轮与进气凸轮还可以排在一根凸轮轴上。如果是四缸以上，则必须配备 两根凸轮轴，其中一根凸轮轴操纵进气门，另一根操纵排气门。 凸轮轴是内燃机配气系统中关键零件之一，整个配气机构是由凸轮轴驱动 的，凸轮的设计对整个配气系统的性能起着决定性的作用。凸轮轴刚性差、易 变形；精度高，加工难度大。其主要的技术要求见表l 一1 。 表1 - 1 主要项目一般性要求 尺寸( r a m li t 5 l t 6 支撑 表面粗糙度( um )r z 0 4 轴承 园柱度( m m )5 级精度 凸轮表面粗糙度( m m )r z 0 4 中间轴颈相对于两端轴颈的跳动( m m ) 0 0 6 相邻两轴颈的径向跳动( m m ) 0 0 2 凸轮对称中心平面对正时齿轮键槽中心平 3 0 面或定位销轴线的角度偏差( ) 1 3 本文研究内容 夏利系列汽车从年产3 万、8 万到现在的1 5 万辆，再加上配件的需求，使 得凸轮轴的需求量一直高居不下。建立一条集先进性与经济性为一体的凸轮轴 生产线是非常必需的。面对国外汽车行业的冲击。我们国产汽车业应该加紧研 究、建立符合中国国情的，我们自己的基础制造产业，提高质量、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各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。 第一章绪论 本文主要围绕凸轮轴生产线的设计和加工展开研究，从前期准备、工艺设 计、理论计算、生产实践、产品检测和质量控制这几个方面，阐述了凸轮轴加 工的一整套设计思路和方法，对发动机制造业中的零部件加工有很实际的指导 作用。 第二章t j 3 7 6 0 凸轮轴生产线前期规划 第二章t j 3 7 6 q 凸轮轴生产线前期规划 2 1 产品规格 “ 2 1 1 零件的结构特点：凸轮轴生产线承担t j 3 7 0 q 、t j 3 7 6 q 、t j 3 7 6 q 发动机 凸轮轴的机加工，每台发动机使用一根凸轮轴。 材料：( f c a 3 ) 铜铬钼合金铸铁，各主轴颈及端面的硬度h b l 8 0 2 4 0 ， 凸轮h r c 4 8 。 2 1 2 凸轮轴简图 。 图2 - i 凸轮轴简圈 2 2 生产纲领 设计生产纲领为1 5 万台，设备开动率为8 5 ，两班制生产，每班工作7 5 小时，一年工作日为2 5 1 天，则生产节拍为： 2 5 1 7 5 2 8 5 6 0 12 = i 2 8 ( 台分钟) 1 5 0 0 0 0 如果按三班两运转来算，则生产节拍为 3 5 8 7 5 2 8 5 6 0 t = 5 0 0 0 0 第二章t j 3 7 6 q 凸轮轴生产线前；i | j 规划 为 综合考虑，把生产节拍定为1 7 5 台分钟( 包括辅助时间) ，这样生产纲领 两班制： n = 2 5 l 7 5 2 8 5 6 0 三班两运转 n 1 7 5 3 5 8 7 5 2 8 5 x 6 0 1 7 5 = 1 0 9 7 2 2 ( 台，年) 1 5 6 4 9 7 ( 台年) 2 3 工艺设计原则 ( 1 ) 保证工艺具有合理的先进性，在保证节拍的基础上，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先进设备。 ( 3 ) 保证先进性与经济性相结合，在保证产品质量的前提下，降低成本。 ( 4 ) 充分考虑各生产环节的安全性和操作方便性。 ( 5 ) 在投资允许的情况下，尽量考虑柔性生产。 2 4 t j 3 7 6 q 凸轮轴工艺方向选择 2 4 1 金属一塑料复合凸轮轴 金属一塑料复合凸轮轴已在美国应用。将粉末金属成型并经磨削加工的凸 轮片和中空钢轴放入模具内，在中空轴周围注射塑料。凸轮片和轴之间不再有 金属直接接触，而是由塑料固定形成一体。这种凸轮轴的成本及重量均可减少 4 0 ，降低发动机噪声，加工准备时间由原来的几小时缩短至几分钟。 2 4 2 凸轮轴的液体氮化工艺 低温液体氮化是在含有碳和氮的融化赫浴中进行的一次性硬化处理，温度为 5 8 0 。c ，时间平均为9 0 分钟。化合物区域渗层厚度平均为o 0 1 3 m m ，由f e n 和f e 3 c 组成，氮扩散层厚度为o 3 8 m m ，f e 3 n 呈针状，用化学法测得其总厚度 为l m m 。 第二章t j 3 7 6 0 凸轮轴生产线前 j 规划 2 4 3 重溶硬化工艺 在非合金灰铸铁表面制造莱氏体硬化层的有效方法是冷激铸造法。但由于 冷铁的放置靠手工操作，劳动强度大，成本高，也难于实现自动化，为此，世 界各国有关厂家，都在研究采用等离子流，保护气体下的电弧，电子束和激光 等多种高功率密度热源，以最大限度提高熔化的冷却速度，使非合余狄铸铁凸 轮表层重溶而硬化的方法。目前，在批量生产过程中，较多地采用电弧或激光 作为热源。 激光重溶硬化工艺可获得好的表面质量，有效硬化深度达l 1 3m m ，硬 度为h r c 6 0 6 8 的硬化层；适宜的预热和缓冷能有效地消除重溶表层的开裂和 气孔丽仍保持高硬度，其耐磨性比普通冷激铸铁提高2 3 倍；重溶表层的相结 构为细密的f e 3 c ( 大量) + m ( 少量) + m ( 多量) ，而其中的a r 具有非常好的 强韧性和抗塑变能力，所以赋予硬化层以优异的耐磨性、良好的热硬性和抗擦 伤性能。这对于在高接触应力、较高温升条件下工作的摩擦副是理想的耐磨层。 2 4 4 烧结一体化凸轮轴新工艺 日本丰田汽车公司于9 0 年代着手开发研制烧结一体化凸轮轴，即采用耐磨 性能优良的烧结合金凸轮和质量较轻的钢管合为一个整体的凸轮轴。烧结体 化凸轮轴的优点： 1 ) 质量轻采用钢管作轴体，与冷激铸铁凸轮相比，每根减轻0 9 k g ，节约材 料2 6 ； 2 ) 耐磨性能优良 新开发的烧结合金凸轮轴比普通冷激铸铁凸轮具有更优良 的耐磨性； 3 ) 改善了润滑系统利用轴体钢管内孔作主油道，把来自缸体的润滑油分别送 到凸轮、支承轴颈、油泵凸轮和分电器主传动齿轮； 4 ) 节省了机加工成本烧结一体化凸轮轴在磨削前，凸轮轮廓更接近于成品尺 寸t 磨削量少，较冷激铸铁凸轮减少2 0 的磨削工作量，同时取消了凸轮轴 主油道钻孔工序，降低了加工成本。 第一= 章t j 3 7 6 0 凸轮轴生产线前煳规划 2 4 s 装配式凸轮轴 装配式凸轮轴( 图2 2 所示) 是将凸轮( 精锻，如图2 3 所示) 和 ；j | l 颈( 机 加工件) 装配到一根心轴上，焊接固定其轴向和角向位置，如图2 - 4 所示。装配 式凸轮轴可以对荤个的凸轮表面进行渗碳淬火，既可以提高其抗点蚀的能力和 耐磨性，又可以避免使整个凸轮轴产生变形，明显地提高了产品质量：同时装 配式凸轮轴还可以减轻凸轮轴的重量并降低生产成本。 蔓羞油孔凸轮寰目囊捧业 町珂丑驻叠阳赫 凹藏凸艳7 剪切下料一2 顶般( 抟培) 3 冲孔咔4 精峦冷妊一 5 冲孔 图2 - 2 装配式凸轮轴 凸轮和轴颈的装配及焊鞋 到2 - 精锻凸轮 2 4 6 结论 综上所述t 虽然各种方案都各有优点，但其技术的不成熟或成本问题，桐 成为在因内实施的困难。考虑到成本及大批虢，l 产，选择成熟技术和成熟改衙， 他1 岂力案符合经济性与合理性原则。 ；。， ：9 。 第三章t j 3 7 6 q 凸轮轴生产线没计 第三章t j 3 7 6 q 凸轮轴生产线设计 3 1 生产线布置 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 下料开口一律面向中间走道，各序设备上下料开口之间由滑道相连。 这种布置形式在保证物流通畅、占地面积小的情况下，减少工人的走动时 间，可以做到一人多机操作，降低了生产线操作工人数量。现在线上工人一班5 人，照看1 3 台设备，每人在负责自己这几台设备的同时，还要负责定时、定量 检验及自检；最终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，生产线两排设备后有排放沟。整个车间为整体地基。这种形式使设备 的安装、移动非常方便，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。 3 2 生产线设备特点 在设备选型上注重国内外质量可靠、信誉度好的设备生产厂家。尤其在凸 轮轴的关键部位的加工中，优先考虑先进设备。 如5 0 序、6 0 序、7 0 序这3 台磨床，选择的是上海磨床厂的数控磨床：凸 轮的粗、精磨则选择日本日平公司( l a n d i s - n i p p e 日平兰迪斯) 制造的3 l n 一3 2 位凸轮磨床；而加工中的主要定位基准中心孔，选择的修磨中心孔的专机是大 连组合所制造的。实践证明，这些著名厂家的设备都很好的保证了这些关键工 序的加工质量。 这几种设备采用的都是数控技术，所以具有很大的柔性，如果更换产品， 只需更换少量夹具，就可以立即投入生产。 其它设备生产厂家还有沈阳第三设备厂、银川机床厂、重庆机床厂等，这 些都是老字号的机床厂家他们的设备在生产中也都是可靠的。 综上所述，t j 3 7 6 q 凸轮轴生产线上共有设备1 3 台，其中国内设备l i 台， 国外设备2 台，国外设备占设备总百分比为1 54 ，作到少而精，在保证产品质 量的前提下，节省了资会，并缩短了设备到货期，大大缩短了生产准备期。 墨三童型! ! 塑些笙塾尘兰垡堡生 一 3 3 工艺设计 表3 1 夏剩汽车发动机凸轮轴生产工艺简介 工序号工序内容 定位基准夹紧位置备注 1 0铣端面，打中心孔中5 2 。5 外圃v 2 ( 成活尺寸0 4 8 ，5 ) 0 5 2 。5 外斟专机 0 3 6 外圆v 2 ( 成活尺寸0 3 2 ) 中3 6 外圆 0 5 2 5 端面v 1 2 0粗车主轴颈0 3 7 5 端面v l ( 成活尺寸0 3 7 2 ) 0 3 7 5 外圆r 自动液压 两端中心孔v 4 仿形车床 3 0车削主轴颈并切槽0 3 7 5 端面v l0 3 7 5 外圆半自动液压 两端中心孔v 4 仿形车床 4 0两端螺孔钻、扩、0 4 8 9 外圆v 2 ( 成活尺寸中4 s 5 )o 辐9 外萄 专机 攻丝，修中心孔0 3 2 4 外圆v 2 ( 成活尺寸0 3 2 ) 0 3 2 4 外圆 0 5 2 5 端面v 1 5 0大端外圆磨削两端中心孔v 0 3 7 5 外圆半自动端面 0 3 7 5 外圆v l外圆磨床 6 0前轴颈磨削两端中心孔v 4中3 7 5 外圆c n c 磨床 0 3 7 5 外圆v l 7 0中间轴颈、后轴颈两螭中心孔v 4m 3 2 外圃c n c 磨床 及推力部端面磨削0 3 2 外圆v i 8 0铣键槽0 4 8 5 外圆v 2巾4 8 5 外蒯专机 0 3 2 外圆v ，0 3 2 外圆 0 3 0 端面v 一 角向9 0 0 v i 9 0粗磨凸轮( 靠模)两端中心孔v d0 2 2 外圆凸轮磨床 键v t 卡盘v l 1 0 0精磨凸轮( 无靠模) 两端中心i lv 一0 2 2 外嘲凸轮磨床 键v ， 盘v 1 2 0滚齿0 3 0 端面v ，0 2 2 外圆 两端中心孔v 2 键v 13 0清洗 0 3 2 与1 i n 之间非加l ：面v 2无夹紧 3 i n 与3 e x 之闻非加礞v 2 第三章t j 3 7 6 q 凸轮轴生产线设计 3 4 工艺特点 表3 2 夏利汽车发动机凸轮轴工艺特点 i j 件材料及牌号冷激台金铸铁 冷激区h r c 4 5 ， 毛坯硬度 非冷激区h b 2 2 9 3 0 2 生产节拍1 7 5 分钟 1 凸轮轴数控车床用于支撑轴颈的粗加工。 2 凸轮部分在铸造时冷激，不需加工后淬火。 r 艺特点3 凸轮采用粗、精磨加1 ：，以磨代车，凸轮轮廓直接磨削。 4 凸轮精加工采用全数控无靠模磨削。 5 加工中主要定位基准中心孔采用打孔后修磨保证加t 质量。 设备总台数1 3 台 进口设备台数2 台 切削液使用情况两台进口磨床由集中冷却系统供应，其余为单机冷却 3 5 工艺先进性 ( i ) 磨削密集型工艺外园、轴颈、端面及凸轮均采用磨削方法 t j 3 7 6 q 凸轮轴的外因、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3 n 3 - 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，其毛坯精度高，加工余量小。采用以磨代车的新 工艺，极大的简化了凸轮形面的加工。同时，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。 ( 2 ) 凸轮采用数控无靠模磨削 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 ( l a n d i s n i p p e l ) 目平一兰迪斯s c a m r 型全自动凸轮磨床。 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c n c 控制获得精密的凸轮 第三章t j 3 7 6 q 凸轮轴生产线设计 轮廓，同时工件无级变速旋转，并采用c b n 砂轮加工凸轮轴，从根本上解决了 传统凸轮磨床的缺陷，不仅摆脱了靠模精度对凸轮精度的影响，而且砂轮的磨 损不影响加工精度。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。 l a n d i s 公司的3 l 系列凸轮磨床，取消了靠模机构，采用c n c 控制获得精 密的凸轮轮廓。采用高刚性，高强度合金铸铁床身，砂轮在静压导轨上移动， 砂轮轴承采用高载荷的静压轴承，驱动砂轮采用超精密的调速电机进行磨削过 程中的补偿以实现恒速磨削，扩大了砂轮的使用范围( 从0 6 1 0 0 4 0 6 m m ) ， 砂轮能自动平衡，每次砂轮的修整能进行自动补偿，使砂轮恒线速磨削，该机 床还可使用c b n 砂轮，使用c b n 砂轮时每次的修整量为0 0 0 0 7 5 o 0 0 1 5 m m 。 3 l 磨床的砂轮架可以摆转，从而可以加工锥形凸轮。3 l m 有一根附加轴使用较 小的砂轮，直径为0 1 5 2 m m 或更小，该轴采用外部润滑冷却系统，速度较高以 满足c b n 砂轮磨削需要。工作台拖板的移动采用重载荷、精密滚柱丝杠，编程 控制往复运动。由于取消了摇摆架可使用刚性支撑。工件回转主轴采用超精密、 长寿命轴承，并采用变频无刷伺服电机直接驱动而取消皮带或齿轮驱动方式。 工作台拖板、砂轮轴架、主轴运动均采用闭环伺服驱动。尾架设置液压死顶尖。 尾架偏置可使用小砂轮磨削内凹轮廓的凸轮。砂轮修整器安装在砂轮架上可自 动修整。可选择的修整方式有二，其一为靠模式金刚石滚轮修整；其二在床鞍 上安装修整器，依靠c n c 编程修整。多坐标的c n c 控制，根据用户需要，能对 所有的机械运动进行编程控制。c c n c 控制软件用多项式插入法，建立起凸轮轮 廓数据自动分析、自动控制形成所要求的凸轮轮廓，该软件可对速度曲线和加 速度曲线进行分析将拐点进行光滑处理，从而使；b n t 精度更高。机床控制系 统采用l a n d i s3 2 0 0c n c 控制系统。 该机床达到的精度： 轮廓精度总升程误差0 0 1 m m 每度升程误差0 0 0 2 5 m m 角度相位误差( 凸轮到凸轮) 0 。2 5 。 基园尺寸误差0 0 1 2 m m 砂轮恒线速从3 0 m s 到6 0 m s ，可无级调速，在工件主轴转速范围内可选 择任恒速，也可选择变速旋转以保证加工精度要求。所谓变速旋转是指凸轮 在一转当中，不同的升程段转速不同。主要技术规格见表3 3 。 第三章t j 3 7 6 q 凸轮轴生产线设计 表3 - 33 l 系列磨床技术规格 3 l3 l m 型 主要项目 主机主机附加轴1附加轴2附加轴3 凸轮最大升程( r a m ) 6 56 56 56 56 5 工作中心高( r a m ) 1 4 01 4 01 4 01 4 01 4 0 最大砂轮直径( r a m ) 6 1 06 1 04 0 6 42 0 3 21 5 0 最小砂轮直径( m m ) 4 0 64 0 62 0 01 2 5 8 5 砂轮宽度直径( r a m ) 6 5 6 1 06 5 6 1 05 0 4 0 6 45 0 2 0 3 2 3 0 1 5 0 用最大砂轮时工件回转直径( m m ) 2 5 02 5 02 5 0 2 5 02 5 0 用最小砂轮时工件回转直径( r a m ) 3 5 3 55 41 0 81 0 8 砂轮最大转速( r m i n ) 3 1 0 03 1 0 03 1 0 07 5 0 99 5 0 0 1 ：件往复运动速度( m ，m i n ) 0 l oo - - 1 0o 1 00 l o 0 1 0 砂轮最大进给速度( r a m s ) 5 05 05 0 5 05 0 尾架中心孔o a r n o ) 88 888 头架中心孔( j a m o 】 1 21 21 2 1 2 1 2 尾架顶尖液压移动距离( m m ) 5 45 45 4 5 45 4 头架 ：件速度范围( r ，m i n ) 3 1 5 03 1 5 03 1 5 0 3 1 5 03 1 5 0 工件最大长度( m m ) 1 5 0 01 5 0 0 1 5 0 01 5 0 01 5 0 0 ( 3 ) 凸轮轴支撑轴颈的磨削 凸轮轴支撑轴颈的加工尺寸与精度如图3 1 所示。采用数控多砂轮磨削， 可以高效率地磨削凸轮轴支撑轴颈，加工出的轴颈具有较高的园柱度和较小的 径向跳动。同时，数控磨削可以运用在线检测技术，对零件的加工部位尺寸进 行监控，并把对砂轮的自动修整数据反馈给数控系统，来控制砂轮的补偿，确 保加工部位的尺寸。 第三章t j 3 7 6 q 凸轮轴生产线设计 i罨 象仁瓣 缆华蔷 |i 丌h * 盯卜扪 叫ij u 刈必h卅二h l 图3 - l 凸轮轴的支撑轴颈 ( 4 ) 采用立方氮化硼( c b n ) 砂轮磨削 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 轴即主轴的相对旋转运动完成，其动作 为同步动作，所以凸轮磨削过程中砂轮于工件接触表面不同且不均匀，缓冲段 及作用段接触面积大于基圆，由此造成加工余量不均匀，缓冲段和作用段加工 余量大于基圆，故产生法向切削力的变化。另一特点为砂轮磨削过程中接触点 ( 磨削点) 与工件及砂轮二者中心线不在一条直线上，如图3 2 所示：而是在上 下移动，故易产生升程误差，也可能在缓冲段及作用段表面产生横纹。这一特 点要求砂轮直径较小。 蘸喋 图3 - 2 磨削点与工件及砂轮中心线相对位置 1 4 第三章t j 3 7 6 q 凸轮轴生产线设计 根据以上特点决定，选用陶瓷结合剂的立方氮化硼( c b n ) 砂轮磨削凸轮。 砂轮转速为5 7 0 0 转分，属于高速磨削，生产率高，耐用度高。c b n 砂轮有较 好的热导性，工件磨削的温度低，可减少磨削时的烧伤、裂纹和热损伤现象， 与普通砂轮相比，具有砂轮使用寿命长，更换砂轮和修整砂轮时问短，能提高 工件的疲劳强度和耐磨性等优点。 由于使用了c b n 砂轮，砂轮直径由单晶刚玉的6 0 0 m m 减少到现在的 中2 5 0 m m ，且使用寿命长，c b n 砂轮的c b n 层厚度为3 m m ，每1 0 0 件修磨一次，每 次修磨量为o 0 1 m m ，一片砂轮的修磨次数为3 0 0 次，可计算得出一片砂轮的理论 加工工件数为3 0 0 1 0 0 = 3 0 0 0 0 件。且工件的粗糙度及凸轮升程均能很好的满足 工艺要求。 ( 5 ) 毛坯材料为冷激合金铸铁 凸轮轴是气门机构的驱动元件，它的凸轮不仅要有合理的形状，而且要求 表面耐磨，能在长期使用中基本保持设计给出的合理形状。所以对凸轮轴的材 料要求比较高。尤其凸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 水冷却的铁块，使凸轮尖端迅速冷却，形成桃尖硬化层，其主要金属基体为莱 氏体，可以提高其硬度。并达到工艺要求：凸轮1 4 0 。以内h r c 3 5 以上，3 0 。 以内h r c 4 8 以上，如图3 2 所示。这样凸轮外形完全用磨削加工。 铸铁凸轮存在摩擦系数仅为0 1 5 0 2 0 ，而强度很低的石墨，在摩擦过程中 会脱落于接触处成为润滑剂，且石墨脱落后留下的孔穴又会成为绝好的储油槽， 使临界油膜容易保持住。铸铁的导热性大且弹性模数小，利于提高凸轮的耐磨 性。铸铁凸轮轴的杆部与凸轮侧面可以不留加工余量，而凸轮工作表面只留 l 5 m m 左右的磨削余量。 因为凸轮轴转速低，载荷轻，润滑又良好，而铸铁本身也是一种良好的轴 承材料，所以不用衬套，把凸轮轴直接装入缸盖凸轮轴孔中。采用冷激铸铁， 工艺简单且成本低，激冷用外冷铁可由我单位生产，反复使用近百余次后可作 为返回料入炉，所以生产工序简单，并可以大幅度提高耐磨性。 第三章t j 3 7 6 q 凸轮轴生产线设计 3 0 0 以内h r c 4 8 以上 1 4 0 0 以内h r c 3 5 其它区域h b 2 2 9 3 0 2 图3 - 3 凸轮外形硬度分布图 3 6 工艺难点 3 6 1 主轴颈粗糙度的保证 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 r z 3 2 ，实际加工情况为r z 5 2 ，这就给验证带来了很多麻烦。 根据实际情况，首先通过改变机床的切削用量，把机床规定好的切削用量 彻底改变，一组一组的数据进行实验，最终结果还是不好。最后在保证砂轮不 变的情况下，改变金刚石修整器的修磨速度f 、修整量u ，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。 u2 0 0 8f 3 0 r z = 2 6 6 z 3 7 9 z u2 0 0 8f 2 0 r z = 2 3 0 z 3 5 0 z u2 0 0 4f 2 5 r z = 2 8 4 z 3 9 lz u = 0 0 4f 1 5 r z = 2 5 0 z 3 5 0 z u = 0 0 6f 3 0 r z = 2 6 0 z 3 6 6 z u = 0 0 4f 3 0 r z = 1 9 9 z 3 - 2 0 z u2 0 0 4f 3 5 r z = 2 0 0 z 3 2 0 z 通过比较，决定选用u = 0 0 4 ，f 3 0 这一组数据，磨5 个工件修整一次，粗 糙度 3 2z 。且节拍达到1 7 5 分钟，达到了本线的设计纲领。 第三章t j 3 7 6 q 凸轮轴生产线设计 3 6 2 消除轴颈夹痕 ( 1 ) 轴颈夹痕：凸轮轴线一1 2 0 序凸轮磨削时用键槽定位，中2 2 外园央紧。三爪 长期使用造成中2 2 外园上有三个光亮带，粗糙度合格。 该凸轮磨床在设备验收时即有光亮带央痕存在，据了解目前凸轮桃子磨削 工艺大多采用键槽角向定位三爪夹紧工件小端外园，中心架支承轴径表面来完 成磨削过程，此方案势必要产生夹痕。该工艺丰田汽发，汽大众等均采用， 新产品1 s z 凸轮轴从外观看也采用此工艺加工的。此工艺方案可继续使用。 ( 2 ) 彻底消除夹痕工艺的进一步探讨 倒序加工( 先磨桃子，后磨小端外园) a 涉及变动部分：凸轮磨该三爪、中心架。键槽铣床改定位块、量验具。 工艺尺寸链重新计算，改所有工艺文件。 b 引发的质量问题：由于凸轮磨床的中心架支承轴径是精车表面，对凸 轮磨削精度和升程曲线会造成很大的影响。由于磨小端外园与铣键槽 定位基准不统一。会对键槽对称度造成很大影响。 a 抛光小端外园，需要增加投入。该方案没有必要。 结论：轻微夹痕对发动机性能无影响，没必要增加投入。装活时键槽尽量放 在夹具的驱动键位置，以免驱动键转动时，划伤加工表面。 第四章凸轮廓形理论计算及设备输八数据 第四章凸轮廓形理论计算及设备输入数据 4 。l t j 3 7 6 q 凸轮轴凸轮的廓形要求 气门运动的加速度和减速度都是凸轮轮廓的函数。夏利汽车发动机的凸轮 轴凸轮轮廓如图4 - 1 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 、基园a 、顶弧d 。 夏利t j 3 7 6 q 发动机凸轮轴的凸轮廓形是以凸轮与m l o 滚柱对滚时二者中 心距y l ，y 2 表示的，如图4 2 ，图纸给出表列函数y i f i ( ( p ) ，y 2 = f 2 ( ( p ) 。表4 1 为t j 3 7 6 q 凸轮轴升程表。 图4 - 1 凸轮轮廓图 u 扣 魏 0 l oi 豫 t 1 ，所以定位键会 断裂或弯曲。要想使键不失效，只能使t 3 为0 ，即键与键臂无联结扭矩。 第六章凸轮轴生产线质量问题及在线质量控制 针对这一情况，对其结构进行改造，采取键与键臂一体化结构( 见图6 2 ) ， 使其更适合生产现场的需要。这种一体化结构的另一个优点是：制造精度降低。 因为分体结构存在键与键臂的制造及装配精度问题，尤其是键的体积很小，很 难加工，我厂加工后成活率为5 0 ，直接从日本进口价格太高，并且周期很长。 而改进后的制造精度降低，成活率为9 7 ，达到全部国产化。 图6 - 2 键与键臂一体化结构 6 2 键槽裂纹 凸轮轴是发动机中关键的运动件之一，凸轮轴最关键的部位是凸轮，而加 工凸轮的基准是以凸轮轴颈上的键槽作角向定位，六个凸轮桃尖晟高点对键槽 的角度位置偏差直接影响发动机气门的开启和关闭时间，见凸轮桃尖对对键槽 角度图，与发动机的性能有密切的关系，需要严格控制。在今年年初开始生 产线陆续发现键槽出现裂纹现象，造成凸轮桃尖对键槽角度的偏差不稳定，影 响凸轮轴的加工质量。 第六章凸轮轴生产线质量问题及在线质量控制 ( 1 ) 正确的键槽定位情况： c c - j r 饼 c c 图6 - 3 正确的键槽定位情况 驱动键在键槽的中心位置，插a - - 定的深度，定位时驱动键的b 面与凸轮 键槽一侧面接触，磨桃后凸轮键槽应无任何变形。驱动键在这一工序中起角向 定位和传递扭矩的作用。 ( 2 ) 非正常的定位情况有5 种： c旷唇g 图6 - 4 非正常的键槽定位情况 a 型和b 型是由于驱动键安装不正、或驱动键和键槽间隙过大造成，c 型和 d 型是由于凸轮轴键槽的轴向位置不正确造成，e 型是由于安装不到位造成。这 几种非正常的定位情况是造成键槽裂纹的根本原因。 啦b 蟛叙 笙查童鱼笙塾圭兰垡堕里囹璧墨垄丝堕垦堡型 一 ( 3 ) 裂纹的现状和定位时的压痕有四种情况： a倒a 垃 8 电聋8甜8 曾8 f 型出 g 型b b 邋盟 6 旧雪6口组争p h 型b b 图6 - 5 压痕的四种情况 i 型幽 这四种裂纹都是由于键槽受到集中的应力，造成了局部变形。 ( 4 )有裂纹的键槽对凸轮角向的影响 取一根键槽有裂纹的凸轮轴，以键槽为基准测量各凸轮桃尖对键槽位置 误差均大于工艺要求- - i - 2 0 。数据见表6 2 ： 表6 - 2 凸轮号测量值理论值误差值 键槽 0 9 0 。0 6 l2 4 8 。3 7 4 l ”2 4 7 。2 8 0 ”1 。9 4 1 ” 21 1 3 4 4 7 4 8 。1 1 2 43 2 0 ”0 3 2 14 8 “ 38 。2 8 2 2 ”7 。2 7 0 “1 。l 2 2 ” 4 2 3 3 。2 1 9 “2 3 2 o 3 2 0 ”0 。4 9 9 ” 51 2 8 。3 0 1 4 ”1 2 7 。2 8 7 0 ”1 。2 1 4 “ 63 5 3 4 2 0 4 9 “3 5 3 。3 2 0 ”0 。4 8 4 4 9 ” 第六章凸轮轴生产线质量问题及在线质量控制 ( 5 ) 分析键槽裂纹造成原因 产品质量产生的原因很多，可以归结为以下五个方面： 曲人( m a n ) b ) 原材料( m a t e r i a l ) c ) 设备( m a c h i n e ) d ) 方法( m e t h e d ) e ) 环境( e n v i r o n m e n t ) 从以上5 个方面对键槽裂纹造成原因进行分析，并画出因果图( 图6 - 6 ) 。 针对因果图中列出的原因，采取了以下措施： a ) 收严前序铣键槽的对称度，由原来的0 0 5 m m 改为0 ，0 2 5 m m ： b ) 增加中心孔深度的自检频次，由原来的1 2 0 改为1 1 0 ： c ) 测绘并制作新头架； d ) 增加夹紧块工作表面的镀c r 层厚度等。 通过实施这些措施，一一解决因果图中出现的问题。到七月底换上新头架， f 型裂纹消失。确定统一的轴向定位尺寸，g 、h 型裂纹消失。通过确定正确的 定位方式，i 型裂纹消失。同时，凸轮桃尖对键槽的角度偏差全部合格。 第八章凸轮轴生产线质拦问题及在线质鼙控制 图6 6 键槽裂纹因果阁 4 6 函联囹群颦裂髯辩日 第六章凸轮轴生产线质量问题及在线质量控制 6 3 主动测量与自动补偿 高质量的发动机产品是靠高质量的零部件来保证，而高质量的的零部件是 以先进的加工技术和完美的检测方法来保证的。尤其是凸轮轴这种关键运动件， 在大批量生产时，既要保证生产节拍，又要保证产品质量，在工艺设计时采取 在线检测技术，可以在加工过程中采用主动测量，并用检测结果去干预加工过 程，这样则可1 0 0 保证产品质量，防止产生不合格品。 在凸轮轴生产线上，主要对几个轴颈外圆实行在线自动测量，其它升程及 角向位置则需要在线外的一台自动测量仪上进行测量。根据现场的加工环境， 对轴颈外圆采用接触式自动测量和非接触式测量两种形式。接触式是采用意大 利m a r p o s s 公司的在线检测系统。非接触式则采用中原量仪的气动量仪。 在8 0 序、9 0 序数控外圆磨床上，在无火花磨削后，接触式测头自动前移到 工件外圆表面，工件转动几圈，则测头测量出外圆直径公差值和跳动值，将测 量值输送至显示屏屏幕上，并由控制装置发讯号把偏差数值反馈到砂轮进给系 统，如测量结果达到警戒线，则讯号加大或缩小一个量，使砂轮多伸出或少伸 出一个距离，下一个工件就会远离警戒线，即可补偿尺寸误差。如不合格则报 警停机。测量后，测头自动缩回，以避免受到损伤。 由于这种接触式测头容易受到加工中的微振动，大流量磨削液的冲击，加 工中的热变形等环境的影响，为保证产品质量，在这两序又增加了两台气动量 仪检测轴颈直径。 气动量仪测量原理与接触式测量有很大不同。气动量仪采用几何尺寸气动 测量原理。利用一个气动喷嘴向被测表面喷射一定压