（机械工程专业论文）凸轮轴桃形磨削加工的技术、经济性分析及技改方案研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 本文是对长安公司凸轮轴生产线桃形磨削工序及桃形精磨磨床西德 磨( f n 3 d 1 0 0 0 n ) 的技术改造进行的研究。通过对桃形磨削加工的技术、经 济性，以及现有技术条件的认识，制定、选择出先进、合理的技术改造方 案，充分发挥西德磨的潜力，以达到提高生产效率和经济效益的目的。 凸轮轴是汽车发动机的重要零件。凸轮轴的桃形磨削加工是凸轮轴机 加的关键工序。西德磨是进口的、价格昂贵的桃形精加工设备。本文对 课题的产生、来源作了阐释。为制定、选择出先进、合理的技术改造方案， 本文对桃形磨削加工技术的现状、发展趋势、以及桃形加工中有重要影响 的因素进行了较全面的认识、分析。针对经济效益这一目的，本文通过大 量资料并结合生产实际，对桃形磨削加工的经济性进行了分析、认识。对 现有工艺、技术条件、设备情况作了充分认识，特别对桃形精磨磨床西 德磨的结构、性能特点进行了深入了解。通过对技术、经济性、现有技 术条件、设备情况、加工情况的分析，提高了对桃形磨削加工及相关技术 的认识。在此基础上，提出了若干技术改造方案，并对各个方案进行了进 一步的分析、评价，运用方案决策方法的层次分析法，确定了c b n 砂轮方 案是最佳的技改方案，推荐采用该方案进行技术改造。 关键词：凸轮轴，桃形磨削，技术改造 里盎盔兰堡圭兰垡丝塞 茎茎塑茎 a b s t r a c t t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h eb e s tw a yt oi n n o v a t et h ec a mg r i n d i n gp r o c e s sa n di t s c a mf i n i s hg r i n d e r w e s tg e r m a n yg r i n d e rw h i c hb e l o n g st ot h ep r o d u c t i o nl i n eo f c a m s h a f to fc h a n g a na u t o m o b i l ec o r p o r a t i o n t h i sp a p e ra n a l y z e st h et e c h n o l o g y , t h ee c o n o m yo ft h ec a m g r i n d i n gp r o c e s sa n d t h ee x i s t i n gp r o d u c t i o nc i r c u m s t a n c e sf o r w o r k i n go u ta n dc h o o s i n g8 1 1 a d v a n c e da n da p p r o p r i a t ei n n o v a t i o nw a yt ob r i n gt h e p o t e n t i a ic a p a b i l i t yo f t h ew e s tg e r m a n y g r i n d e r i n t of u l lp l a yi no r d e rt op r o m o t et h e e f f i c i e n c ya n d i n c r e a s et h ee c o n o m i cb e n e f i t c a m s h a f ti so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t so nt h ea u t o m o b i l ee n g i n e a n dc a m g r i n d i n gp r o c e s si st h ek e yp r o c e s s t ot h ec a m s h a f tm a c h i n i n g w e s tg e r m a n y g r i n d e r i s a ni m p o r t e da n de x p e n s i v ee a r nf i n i s hf a c i l i t y t h i sp a p e re x p l a i n st h eo r i g i no ft h e t h e s i s t ow o r ko u ta n dc h o o s ea na d v a n c e da n da p p r o p r i a t ei n n o v a t i o nw a y , t h i sp a p e r a n a l y z e sa n dr e a l i z e st h ep r e s e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c y o ft h ec a m g r i n d i n g t e c h n o l o g y , a n d t h e i m p o r t a n t f a c t o r s a m o n gt h e e a r n p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t o i n c r e a s et h ee c o n o m i cb e n e f i tt h a ti st h ef i n a la i m ，t b j sp a p e r , c o m b i n i n gal o t o f m a t e r i a l ，d a t aa n dp r o d u c t i o np r a c t i c e ，a n a l y z e sa n dr e a l i z e st h ee c o n o m y o ft h ec a m g r i n d i n gp r o c e s s t h i sp a p e ra l s og i v e s f u l lr e a l i z a t i o no nt h ee x i s t i n gp r o d u c t i o n c i r c u m s t a n c e s ，t e c h n o l o g yc o n d i t i o na n d t h ef a c i l i t ys t a t u s ，a n de s p e c i a l l yt h es w u c t u r e a n dc h a r a c t e ro f t h ew e s tg e r m a n y g r i n d e r t h er e a l i z a t i o no n t h ec a v i lg r i n d i n g p r o c e s s a n di t s t e c h n o l o g ya r e r a i s e dt h r o u g ha n a l y z i n gt h et e c h n o l o g y , e c o n o m y , e x i s t i n g p r o d u c t i o nc i r c u m s t a n c e s ，f a c i l i t ys t a t u s a n dp r o c e s sp r o b l e m o nt h ea b o v e ，m a n y i n n o v a t i o nw a y sa r ep u tf o r w a r d ，a n da l lt h ew a y s a r e g i v e nm o r ea n a l y s i s a n d e v a l u a t i o n u s i n g t h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ，o n eo ft h ed e c i s i o n m a k i n gm e t h o d s ， t h ec b n - w h e e l g r i n d i n gw a y i sd e t e r m i n e da n dr e c o m m e n d e d a st h ei n n o v a t i o n w a y k e y w o r d s ：c a m s h a f t , c a mg r i n d i n g ，i n n o v a t i o n i i 重庆大学硕士学位论文 1 概述 1 概述 1 1 引言 汽车是现代文明的标志之一，汽车的广泛运用对社会的发展起到了巨大的推 动作用。在我国，近年来随着人民生活水平的迅速提高，拥有自己的车正从越来 越多的人的梦想变为现实。正是在这样的形势下，我国的汽车生产企业也通过不 断的努力，提高生产率、降低成本，来满足人民群众不断增长的需求。同时，国 家经济建设的需要，以及加入w t o 后汽车市场竞争的日趋激烈，也迫使汽车生产 企业不断提高生产率、降低成本、提高自身的竞争能力。 凸轮轴是汽车发动机内的重要零件，是发动机的五大件之一。提高凸轮轴生 产率、降低生产成本，对降低发动机制造成本、提高企业经济效益和竞争力有重 要意义。 凸轮轴的凸轮桃形，由于轮廓复杂、精度要求高、以及各凸轮桃形之间的严 格的相位角要求，其磨削加工非常复杂、困难，是汽车零件加工中最具挑战力的 工艺环节之一，也是影响凸轮轴生产效率、制造成本的关键环节。 随着磨削技术的发展，一些新的技术也逐渐运用到凸轮轴桃形磨削加工中。 如新的靠模制造技术、数控磨削技术、高速、高效磨削技术、砂带磨削、抛光技 术等。使凸轮轴桃形的加工精度、表面质量、生产效率都有大幅提高。 长安公司1 1 2 车间现生产微车用j l 4 6 2 q 、j l 4 6 5 q i 发动机凸轮轴，并着手开 发j l 4 6 5 q t 、j l 4 7 4 q 发动机凸轮轴。这四种凸轮轴均为四缸发动机凸轮轴，前三 种凸轮轴上有8 个凸轮桃片( 如图1 1 ) ，j l 4 7 4 q 凸轮轴有1 6 个凸轮桃片。凸轮 轴材料为合金冷激铸铁。现工艺凸轮桃形加工包括粗磨、精磨两道工序。先进行 粗磨，从毛坯表面磨削，为后续的精磨工序留o 3 0 3 5 m m 余量( 单边) 。精磨工 序是用从前西德进口的全数控凸轮轴磨床加工( f n 3 d 1 0 0 0 n ，九十年代初引进， ￥8 0 0 万元，简称西德磨) 。 1 2 课题目的： 对桃形磨削加工技术做充分认识，研究工艺及设备的改进、改造措施，以达 到较大幅度的提高西德磨设备的生产效率、降低生产成本、提高经济效益的目的。 1 3 课题来源 课题的产生源于以下几个方面的认识： 1 _ 3 1 加工精度和生产率因素 西德磨的；0 n q - 包括半精磨和精磨两个工步，半精磨后给精磨的留磨余量是 重庆大学硕士学位论文1 概述 o 0 5 m m ( 单边1 。磨一件产品砂轮要进行两次修整，分别进行半精磨和精磨。前些 年，因种种原因该设备的生产能力一直未能充分发挥，近几年经有关人员的共同 努力逐渐走上正轨。该设备虽为九十年代初引进，但精度相当好，其加工精度远 高于产品要求。如轮廓曲线的升程偏差，产品要求士o 0 2 5 m m ，实际 o o l m m ； 表面粗糙度要求是r a 0 4 ，实际可达近r a 0 2 ；凸轮长径3 6 1 5 2 土0 0 4 m m 尺寸的c p k 值超过了1 6 7 。该设备虽有较好的加工精度，但生产率较低，加工一件产品约需4 分半钟，一天三个班约3 0 0 件产量，生产能力无法满足需求。由于设备投资巨大， 酉1 1 j l 46s q4 凸轮 i l ( 捧气】及撬形 f i g 1 1 l 4 65 q 4c t i s h a f t e x h t us t ) t n d t tjc l mc o n t o u r 按现产量计算，仅折 旧费用每件产品就 达近1 0 元。 正因为西德磨 的高加工精度和低 生产率，我们感觉有 这样的可能和需要， 就是在满足产品精 度要求的前提下，通 过降低加工精度来 提高凸轮桃形磨削 加工的生产率。而最简单的办法就是通过修改数控程序参数，适当提高半精磨、 精磨的进给量，来缩短加工时间。这是这一课题产生的最初的想法。显然，如果 没有其它的措施，这一办法对加工效率的提高幅度是很有限的。可以说正是对这 一问题的思考启发了课题的产生。 1 3 2 西德磨设备的因素u j 西德磨的结构上的众多优点是其高加工精度的保证。通过对西德蘑的了解， 我们感到在提高生产率上，设备本身是有潜力可挖的。以下列举几个方面： 机床的主轴系统采用动压轴承，主轴与轴瓦的间隙只有0 0 0 8 m m ，主轴高速 旋转产生很高的油膜刚度，主轴因而有很高的承载能力。由于间隙较小，为避免 油液和主轴系统升温发生抱轴，润滑系统采用了制冷装置，对润滑油液制冷后输 送到主轴系统。 砂轮采用在线自动平衡。由传感器探测砂轮架振动的不平衡量，通过向砂轮 法兰盘的六个水腔注水，自动调整砂轮平衡，可以获得很高的平衡精度。 采用金刚石滚轮修整砂轮，金刚石滚轮可在1 2 6 0 3 8 0 0 r m i n 内正反向无级变 速。金刚石滚轮设在尾座上，由砂轮架的进给决定修整量，可对砂轮作哪级修整。 磨自0 液经高压泵加压后，强力冲刷磨削处，迅速带走磨削热，并清洗砂轮表 面的磨屑。高压泵同时还起蜗旋分离作用，可分离磁分离器不能除去的砂轮磨屑， 2 重庆大学硕士学位论文 1 概述 磨削液因而更清洁，有利于提高磨削质量。 采用马波斯量仪测量加工尺寸，并自动补偿、修正，可获得很高的、稳定的 尺寸精度。 砂轮架上装有安全声传感器，当磨削状态出现异常时，能自动退出、停止磨 削。 还有其它的很多优点。总之，要提高生产率，设备具有一定的潜力。所以， 设备的因素也是课题来源的一个方面。 除了设备技术上的因素，设备的巨额投入也是课题产生的原因。 1 3 3 磨削新技术的因素 随着磨削技术的发展，一些新的技术也逐渐运用到凸轮轴桃形磨削加工中。 如c b n 砂轮技术、砂带磨削、抛光技术等，为凸轮轴桃形磨削加2 1 2 开辟了新的途 径。 c b n 砂轮磨削是近几年逐渐成熟起来的一种高效磨削技术，其广泛运用已成 为磨削技术发展的必然趋势。大量资料显示，采用c b n 砂轮改造的磨床，不仅提 高了加工效率，而且降低了生产成本、提高了磨削质量。德国一家公司为扩大生 产规模原计划购买新的磨床，后采用c b n 砂轮不仅满足了生产需求、减少了投入， 而且生产成本更低、质量亦提高 2 l 。 所以运用新技术对设备、工艺进行技术改造也是提高凸轮桃形磨削加工效率 的一个途径。 1 4 凸轮轴桃形磨削技术概况 随着磨削技术的发展和对凸轮轴的质量、产量的更高的要求，凸轮轴桃形磨 削技术也不断提高。 从加工精度上看，凸轮轮廓曲线的升程偏差己提高到微米，粗糙度达到r a 0 1 以上。从生产率上看，则由过去的几十分钟加工一件产品，提高到不到3 0 s 。 涉及凸轮轴桃形磨削加工技术的方面很多。如按设备分类包括：靠模磨床、 数控磨床、砂带磨床、振动抛光设备等。按所用磨具包括：普通砂轮、c b n 砂轮、 砂带等。另外，还有诸如靠模制造、砂轮修整、在线检测、磨削液等方面技术。 1 4 1 按设备分类： 靠模磨床 传统的大批量桃形磨削加工是采用靠模原理，在摇架式磨床上磨削( 如图 1 - 2 ) 。靠模凸轮串装在头架主轴上，随主轴转动，通过导轮驱动摇架带动产品摆动， 砂轮径向进给磨出凸轮。 靠模凸轮磨床的优点是价格低，性能一般较稳定，因此，现在仍有较多使用。 重庆大学硕士学位论文1 概述 其缺点也是显而易见的。一种靠模只能加工一种廓形。靠模本身制造、调试极为 困难。加工中随着砂轮外径的变化，加工的廓形也随之发生变化( 在轮径变化较大 1 砂轮2 工件3 慝荣4 墨j | 5 - c 台 匿i 2 靠模播榘凸鞋磨床 f i g 1 2s v h gt y p ec a l l c o p yg r i n d i n gm , c b i a 0 时可达0 0 i m m 以上) ，对轮廓 曲线的精度有不利影响。加工 中靠模会逐渐磨损，也影响到 轮廓曲线精度。靠模磨损到一 定程度要进行修整，而靠模的 修整非常困难，一般是用磨床 自带的反靠装置，反复修磨、 拆装、试加工，并需部份的手 工修整，直到加工出合格的产 品，周期很长。而开发新产品 研制新的靠模，则周期更长， 显然不能适应目前越来越快的 市场变化。另外，随着对轮廓精度越来越高的要求，靠模磨床精度差的缺点日益 显露。 针对普通靠模磨床的缺点，有一些相应的改进措施。如采用双靠模，在不同 的砂轮轮径范围用相应的靠模，保证轮廓曲线精度，扩大砂轮使用范围。又如湖 南大学开发的用高精度的数控磨床加工、修整靠模及相应的计算机软件，大大提 高了靠模的制造、修整精度，缩短了周期，基本上不用手工修整，直接装入磨床 即可使用。 凸轮轴数控磨床 凸轮轴桃形作为一种复杂形面，极适宜数控加工，解决了靠模法加工的几乎 所有问题。数控技术应用于凸轮轴桃形加工，提高了质量和生产率，逐渐成为主 要的凸轮桃形磨削加工手段，使凸轮轴桃形磨削加工技术提高到一个新水平。其 优点包括： 1 ) 可通过调用不同程序加工不同廓形的凸轮，适宜多品种产品的生产。 2 ) 便于新品开发，缩短生产准备周期，节约工装费用。 3 ) 随砂轮外径的改变，可自动修正，因而加工的廓形有很高的精度。 4 ) 不存在靠模磨损、修整等问题。 数控凸轮轴磨床的缺点是价格昂贵，一般是靠模磨床价格的数倍甚至十倍以 上。 在数控凸轮轴磨床中，凸轮桃形轮廓曲线的生成主要有二种方式。一种是通 过砂轮架的往复直线移动和凸轮轴的转动，叠加出凸轮的轮廓形状。另一种类似 于摇架式靠模磨床，只不过摇架的摆动由数控系统来控制。前一种方式由于砂轮 4 重庆大学硕士学位论文 l 概述 架非常沉重，所以，导轨一般采用静压导轨、滚动导轨或帖塑导轨。后一种方式 摇架惯量相对较小，生产效率因而略高，但数控程序的算法编制难度更大。 凸轮轴砂带磨床 靠模磨床和数控磨床由于受各凸轮桃形不同相位的影响，只能一片一片的跳 挡磨削，加工效率的提高受到限制。而砂带磨床则可以几条砂带多头同时磨削， 因而可大幅度提高加工效率。砂带磨床还可以作为抛光设备用，提高工件表面质 量。另外，值得一提的是一种新出现的称为砂带共轭磨削法的凸轮砂带磨削法， 是一种很新颖的、很有潜力的凸轮加工方法。 振动抛光是将工件沉浸入磨料中，通过振动筛振动，引起磨料在工件表面磨 削，提高工件表面质量。但噪音很大，不符合环保要求；磨料会卡在螺孔、油孔、 键槽中，难以清理，因此，运用较少。 1 4 2 按磨具分类 普通砂轮 普通砂轮种类繁多，随砂轮的磨料、粒度、结合剂、硬度、组织的不同而各 不相同，正确的选择对保证磨削质量、降低加工成本有直接关系。砂轮的选择主 要根据加工精度、工件材质、机床条件等因素。 凸轮轴桃形的加工精度要求很高，材质为较特殊的合金冷激铸铁，因此对砂 轮亦有较高要求。现工艺精磨凸轮轴采用单晶刚玉砂轮、粒度1 0 0 1 2 0 、硬度软3 、 陶瓷结合剂、线速度6 0 m s 。 由于凸轮轴材料为合金冷激铸铁，砂轮的选择必须注意合金元素的影响。合 金元素在磨削状态下会与某些种类的磨粒发生化学反应，影响磨削效果。 c b n 砂轮 c b n 是目前硬度仅次于金刚石的超硬材料，c b n 砂轮过去主要用于工具、模 具磨削。有很多其它磨料包括金刚石无法比拟的优点。近年来，随着c b n 砂轮技 术的日渐成熟，以及其它相关技术的提高( 如砂轮修整技术) ，开始得到越来越广 泛的重视和运用，是磨削领域开发的重点，是磨削技术发展的一次飞跃。 c b n 砂轮用于凸轮轴磨削，由于其极高的耐用度，可减少砂轮修整( 普通砂 轮加工一件凸轮轴一般至少需要修整一次，而c b n 砂轮修整一次可磨削几十件甚 至上百件产品) ，因而减少非磨削时间，提高磨削效率。 c b n 砂轮的c b n 磨料层厚度一般不超过十毫米，基本上不存在普通砂轮的 轮径变化对轮廓曲线精度的影响。 c b n 砂轮线速度很高，至少在6 0 m s 以上，一般超过1 0 0 m s ，投入商业运用 的已超过2 0 0 r r d s ，实验室中正在研究5 0 0 m s 的c b n 砂轮。由于线速度高，且硬 度高，因而磨削力很小，磨削的工件表面不会产生裂纹、烧伤，提高了工件表面 重庆大学硕士学位论文1 概述 质量和耐用度。 砂带 随着砂带制造技术水平的提高，以及新的高强度磨料的出现，砂带的磨削效 率、磨削质量和使用寿命显著提高。 砂带磨削凸轮轴，包括开式砂带和闭式砂带两类。开式砂带主要用于抛光， 提高表面质量。而闭式砂带则既可作强力磨削，亦可用于抛光。 l a n d i e s 公司开发的凸轮轴砂带磨床，使用刚玉磨料的砂带，可持续加工超过 8 个小时、加工一千多件产品。而用c b n 磨料的砂带，持续时间可增加5 0 - - 1 0 0 倍。 砂带还可以加工砂轮难以加工的负曲率轮廓( 是凸轮轴技术发展的一个方 向) 。 所以，随着砂带技术的发展，用砂带磨削凸轮轴桃形是很有潜力的。 1 5 课题意义 凸轮轴生产线始建于九十年代初，十几年来走过了一条曲折发展的道路，有 很多经验和教训。近几年来，生产有了积极的变化。彻底改变其面貌、利用好这 笔大的资产、发挥出更大效益是很多人的愿望。本课题即通过对生产线关键的桃 形磨削工序的技术改造的研究，为这一愿望的实现尽一份努力。 1 6 课题研究内容 本课题是对现有工艺进行技术改造作研究。利用新技术、发掘设备潜力、提 高加工效率、降低生产成本。 1 ) 2 ) 3 ) 4 ) 根据技术改造工作的有关程序，课题的思路和研究内容如下 对凸轮轴桃形磨削加工的相关技术作充分认识、分析。 对凸轮轴桃形磨削加工技术的经济性作认识、分析。 对现有工艺、设备作充分认识。 提出技改方案，并对各个方案的技术、经济性作进一步分析研究。确定技改 方案。 5 )有关试验的设计研究。 把先进的技术和现有技术条件相结合，找到适合的技术改造方案，就需要对 相关技术及现有技术条件作充分认识，运用先进的理论对各种技术、方案进行分 析比较，而不是想当然的做出判断和结论。所以，本课题就是对凸轮轴桃形磨削 加工的各种相关技术进行技术、经济性分析，在此基础上结合设备、技术的实际 情况，对技改方案作研究。 重庆大学硕士学位论文1 概述 1 7 本章小结 本章对课题的目的、来源、意义进行了阐述，对凸轮轴桃形磨削技术作了概 述，最后提出了课题研究的内容。 重庆大学硕士学位论文2 凸轮轴桃形磨削加工技术分析 2 凸轮轴桃形磨削加工技术分析 2 1 凸轮轴桃形的功用及加工要求简要分析【3 j 凸轮轴是发动机配气机构的关键零件( 如图2 1 所示) 。发动机的连续运转正 是通过凸轮轴祧形对气门的顺序启闭、气门开度的规律控制，使发动机的进气、 压缩、作功和排气四个冲程周而复始、定时顺序的循环完成的。进气和排气冲程， 桃形的桃尖推动挺杆顶开气门，送入新鲜空气、排出废气。压缩、作功冲程则关 闭气门。桃形通过对气门的启闭时序和开度的控制，控制发动机的运转，对发动 机的性能有很大影响。 普通的汽车发动机，凸轮轴桃形对气门的启闭动作是在高速运转中进行的。凸 轮桃形和气门挺杆之间呈滑动摩擦状态。桃形轮廓的设计质量、加工精度、表面 质量、材料对发动机配气系统的动力性能、凸轮挺杆接触应力、油膜润滑特性 影响极大，并进而影响到发动机的动力性、经济性、可靠性、寿命，以及排放、 振动、噪音等。质量差的桃形轮廓其曲线不连续，或者加工出的廓形不符合设计 要求，表面粗糙、有波纹、烧伤等，工作中易引起冲击、跳动、润滑特性恶化、 易磨损、激励噪音、振动，影响发动机性能、寿命，增加油耗、排放。 所以，根据凸轮轴桃形的功用和工作特点， 凸轮桃形除了要有合理的廓形设计、材料耐磨 性、一定的刚度外。廓形的加工精度和表面质 量是至关重要的。加工精度很差的廓形，设计 的再好也是没有意义的。粗糙度很差、表面有 烧伤、波纹，对桃形的正常工作和寿命都会有 不利影响。这也正是人们不断探索、运用先进 的技术，提高凸轮轴桃形加工质量来适应汽车 及发动机性能不断提高的需要。 桃形的加工精度和表面质量主要包括以下 方面： 圈2 1 儿“2 q 炭毋机配气机柑示毒酲 f 1 s 2 1t h ej i t l k e e z h t , , i ii i - t i e r i e , e 加工精度： o ft l a nj 。4 62 q 。o g io 。 1 ) 轮廓曲线的升程偏差加工的实际轮廓与设计的理想轮廓的偏离误差。目 前一般在士o 0 3 m m 以上。我单位加工的j l 4 6 2 q 凸轮轴的该偏差要求是 士0 0 2 5 m m 。 2 ) 轮廓曲线相邻两度之间的升程偏差变动量该加工精度用于保证轮廓曲线 的平滑。对j l 4 6 2 q 凸轮轴要求是o 0 0 5 m m 。 3 ) 桃片的相位角偏差保证气门启闭时序准确。j l 4 6 2 q 凸轮轴该偏差是士1 5 r 。 重庆大学硕士学位论文2 凸轮轴桃形磨削加工技术分析 4 )轮廓母线对轴线的平行度防止轮廓对轴线歪斜，避免轮廓与挺杆的接触 变为点接触，产生不均匀磨损。j l 4 6 2 q 凸轮轴该平行度要求是o 0 1 5 r a m 。 表面质量： 1 )粗糙度要求。一般在r a 0 4 左右。j l 4 6 2 q 凸轮轴是r a 0 4 。 2 )一般不允许有明显的波纹。 3 )不允许有烧伤。烧伤相当于回火作用，使表面硬度降低，耐磨性能及工作寿 命大幅下降。 2 2 凸轮轴桃形轮廓型面的成形方式州 5 凸轮轴桃形轮廓的成形有多种方式。如按切削运动学原理分为： 1 ) 成形法：轮廓型面的母线由刀具切削刃形成，主要用于装配式凸轮轴( 凸轮轴 由桃片和心轴装配而成) 的桃形的粗加工。 2 ) 包络法：轮廓型面由切削过程的连续位置包络而成。常用的靠模磨削、数控磨 削，以及一些铣削、车削方法都属包络法。 3 ) 共轭法：被加工凸轮与非圆的砂轮同角速度旋转共轭接触磨削，或用砂带穿过 凸轮与共轭轮之间磨削。 按加工方式包括：车削加工、铣削加工和磨削加工。前两种主要用于粗加工。 磨削加工可用于粗加工和精加工。 凸轮轴桃形轮廓成形方式 按切削运动原理按机加方式 广 厂十 鬟差襄厂l 法法法 数控毒削靠模毒削砂毒磨削 数控凸轮转数控凸轮数控凸轮转动 动和砂轮架转动和摆和砂轮架水 水平移动叠动叠加廓平、垂直移动 加廓形形叠加廓形 图2 2 f i g 2 2 9 r - i 一 机髓 械动 靠靠 模模 重庆大学硕士学位论文2 凸轮轴桃形磨削加工技术分析 2 3 凸轮轴桃形磨削加工分析【5 j 【珂j 如图2 2 所示，凸轮轴桃形的成形方式按机加设备分包括车削、铣削、磨削。 车削和铣削一般只用于粗加工，精加工由磨削完成。近年来，随着高效磨削技术 在凸轮轴桃形加工中的运用，磨削加工己不仅作为精加工，而是可以完成直接从 毛坯表面到成品的加工，在很多生产中已完全取代车削和铣削。因此，凸轮轴桃形 机加中，磨削的重要性和地位是车削、铣削无法比拟的。 凸轮轴桃形的磨削技术涉及很多方面【踮心6 。，如磨床、磨具、磨削液等。磨床 又包括靠模磨床( 非数控靠模磨床和数控靠模磨床) 、全数控磨床、砂带磨床。另 外，还有砂轮动平衡、砂轮修整、检测技术等。磨具技术则包括普通磨具、c b n 砂轮、砂带，以及磨具粒度、结合剂等磨具特性。 2 3 1 凸轮轴桃形的靠模磨削【6 q o 】 凸轮轴桃形的靠模磨削包括机械靠模和随动靠模两种形式。 机械靠模( 如图1 2 、图2 3 所示) 一般是把靠模串装在头架主轴上( 或与主 轴制成一个整体) ，整个头架和尾架又装置在摆动摇架上，借助弹簧拉力使靠模与 导轮接触，头架主轴旋转，带动靠模转动，推动摇摆机构摆动，从而带动工件摆 动。头架主轴同时还带动工件转动。工件的转动和摆动联动叠加出凸轮轮廓。 随动靠模是通过靠模推动触头移动，发出脉冲信号，控制随动系统产生相应 的位移来控制加工过程。 凸轮轴桃形的靠模磨削一般都采用机械靠模方式。随动靠模方式由于控制系 统较复杂，运用很少。 靠模法加工过程的动态因素对加工精度影响分析 如图2 3 所示，工件一般是通过两头的中心孔装夹在头架和尾架的顶针上。工 件绕顶针的旋转精度较易保证。因此，影响靠模法磨削桃形轮廓精度的主要环节 是与工件摆动相关的环节，如靠模的精度、摆动机构的受力变形等。 靠模的精度对轮廓加工精度的影响 是显而易见的。随着对凸轮轮廓精度要求 的不断提高，靠模的制造技术和精度也不 断提高。 凸轮轴桃形磨削过程是一个动态变 化的过程。除基圆部分外，磨削状态是不 断变化的。比如，磨削过程中，工件一般 是匀速转动，工件的摇摆运动使磨削点瞬 时速度变化很大，从而导致磨削力的剧烈 1 1 鬟2 、导转3 主# ，产品5 、毋格6 、置j e 田2 3l 横磨削示意圈 ，ie 2 3 e i 一c o p y # i l a d i n g 变化。砂轮与凸轮的接触弧长也随轮廓曲线形状而变化，磨除率因而也不断改变 重庆大学硕士学位论文2 凸轮轴桃形磨削加工技术分析 ( 可相差1 0 倍，是轮廓两侧部位产生波纹、烧伤的重要原因) 。又如摇摆部分( 包 括头架、尾架、摇架及工件) 有很大的转动惯量，摆动中会产生很大的惯性力。 另外，诸如弹簧拉力变化，头架主轴、导轮轴、工件支承的刚度在动态受力状况 下的不同变形等。这些加工过程的动态因素导致加工出的产品的轮廓精度有可能 与理想轮廓出现较大偏差。 所以，凸轮桃形的靠模磨削，轮廓曲线精度与靠模的精度直接相关，同时也 受磨削过程的各种动态因素的影响。 靠模的反靠加工分析 采用靠模法加工凸轮桃形，靠模的精度对凸轮轮廓的加工精度有最直接的影 响。国内目前普遍采用反靠法制造、修整靠模。所谓反靠法如图2 4 所示，在 靠模磨床上，将砂轮换成直径等于平均砂轮直径的钢轮，将导轮换成直径与导轮 相等的小砂轮，在顶针上装夹标准母凸轮，并用弹簧拉力使钢轮紧靠母凸轮，调 整好母凸轮和头架的相位角，驱动小砂轮即可磨削靠模。 从静态的、几何的关系看，反靠法磨削的靠模，反过来应能加工出与母凸 轮相应的凸轮廓形。但事实上，同工件的磨削过程一样，靠模的制造和修整过程， 也受到磨削过程的动态因素、工艺系统精度、刚度等因素影响。这些因素往往难 以排除，成为靠模制造的难题。比如受力状态：反靠时，靠模和小砂轮问的力较 1 ，幸援2 、净鞋，、主轴、母口鞋5 ，钿转、羔囊 圈2 4 拿模反掌 薹示意囤 f 1 5 2 nc t c o i i gt h a c a l lf o r i qr 因素，包括机床精度及机床结构刚度等因素。 小( 磨削力) ，母凸轮和钢轮间的 接触力较大；而在加工产品时， 导轮和靠模间的接触力较大，工 件和砂轮问的力较小( 磨削力) 。 所以，受力状态差异很大，显然 会产生不同的受力变形等，进而 导致精度差异。 影响靠模加工精度的因素， 归纳起来包括五个方面：1 、机床 2 、修磨的工艺参数。3 、靠模修磨 用砂轮和磨削液。4 、母凸轮本身的精度。5 、人的因素( 一般需手工修整) 。 如前所述原因，直接反靠出来的靠模，一般还不能加工出合格的产品( 精磨) ， 还需要进行精修。靠模的制造、修整是否合格，一般通过测量磨出的工件间接地 对靠模进行评定，工件合格则靠模合格。 靠模的精修通常有两种方法：1 、根据磨出工件的升程误差规律性，通过修 正标准凸轮，再次反靠修正。2 、在靠模上找出超差的对应点，逐点手工修正。显 然，靠模的精修是非常复杂、困难的，需要高超的技术和经验。一些靠模制造、 重庆大学硕士学位论文 2 凸轮轴桃形磨削加下技术分析 修复的人员在实践中摸索、总结了一些经验、方法，取得了一定的效果。如过去 修磨靠模时，如果其中一片靠模超差时，不仅该片靠模要重新修磨，而且其它已 加工好的符合要求的靠模由于该片靠模修后尺寸变小，也要重新修磨。对有多个 桃片的凸轮轴( 如8 片) ，靠模加工、修整之困难、烦锁可想而知。后来，一些加 工人员采用数控程序( 磨床有简易数控装置) 补偿的办法，对靠模尺寸偏大或偏 小时进行补偿，问题迎刃而解，大大减轻了靠模修整人员的劳动强度。 靠模法加工的其它影响因素 除了靠模自身精度和磨削过程、工 艺系统动态因素对桃形轮廓精度的影 响。砂轮轮径的变化对轮廓精度产生的 变值系统性误差也是加工过程中所不容 忽视的，如图2 5 所示。有关资料显示， 当砂轮的直径从, , p 6 0 0 m m 磨损到 ( p 5 2 0 m m 时，理论上会产生o 0 4 r a m 的偏 差( 亦有资料显示，砂轮直径每变化 1 0 r a m ，会产生0 0 0 2 5 m m 的升程偏差。 目前，凸轮桃形升程误差一般小于 o0 3 m m 。砂轮直径使用范围一般超过 目2 5 砂轮轮径变化对乾廓精度影响示意圉 p i g 2 5t h ee f f e c to fg r i a d i n g - w h e e l ，e l r o i lc t _ p r e c i li o f f 1 0 0 m m ) 。一些磨床采用双靠模结构，在不同的砂轮轮径范围用相应的靠模，减少 这一误差，扩大砂轮使用范围。另外，c b n 砂轮的磨粒范围较小( 一般不超过 1 0 m m ) ，这一误差的影响亦可忽略。 靠模是在弹簧拉力作用下贴靠在导轮上，靠模与导轮之间有较大的接触力， 转动中相互会产生摩擦。尽管靠模和导轮都采用优质耐磨材料制成，但仍会逐渐 磨损，影响加工精度。 凸轮的靠模磨削其优点是设备价格低、技术成熟、性能一般较稳定。在粗磨 及相当部分的精磨中有广泛应用。其缺点如前所述也是显而易见的，精度较差、 制造、修整困难，而且一种靠模只能加工一种廓形。显然，传统的靠模技术已难 以适应目前越来越高的质量要求和越来越快的产品更新步伐。 针对传统靠模磨削技术显露的问题，近年来，一些新技术运用到靠模的设计、 制造、修整中。如计算机辅助靠模设计。又如湖南大学开发的用高精度的数控磨 床加工、修整靠模及相应的计算机软件，大大提高了靠模的制造、修整精度，缩 短了周期。再如c b n 砂轮技术等。总之，通过运用新技术，凸轮轴桃形的靠模磨 削技术仍有较强的生命力和一定的潜力。 重庆大学硕士学位论文2 凸轮轴桃形磨削加工技术分析 2 3 2 凸轮轴桃形的数控磨削技术2 1 3 5 数控加工具有加工精度高、柔性好、自动化程度高、加工质量稳定、生产效 率高、便于调整、适应性强、适宜复杂型面加工等优点。采用数控磨削技术加工 凸轮轴桃形，解决了传统靠模加工中存在的如精度差、加工产品单一、改型困难、 恒转速磨削易引起的波纹、烧伤、砂轮轮径的变化对精度影响等缺点。正逐渐取 匿2 6 工件转每、砂轮水平穆葫成形示意哥 p i l 2 t h oi o r k p ie c r o t & t in ll n dl i 【d l n s r - o a l 暖2 7 磨削点在水平位置 ，1 0 2 77 h el t i i d i a l 口o t f 口t h or 【z o a t s lo o j i t lo n 代传统靠模磨削技术，成为主要的凸轮 轴桃形精加工手段。 凸轮轴桃形的数控磨削，轮廓生成 的方式一般有三种：1 、砂轮架水平往复 移动和工件转动的联动叠加而成。2 、工 件的转动和摆动联动叠加而成。3 、砂轮 架水平移动、垂直移动和工件转动联动 叠加而成。第1 种方式轮廓的成形算法 较第2 种方式简单，精度更易保证。机 床的结构刚性也好于第2 种方式，有益 于精度和加工稳定性。第2 种方式的摆动 惯性较第1 种方式的砂轮架移动惯性小， 有利于生产效率。普通的靠模磨床的c n c 数控化改造只能采用第2 种廓性生成方 式。第3 种方式通过砂轮架水平和垂直移 动，使桃形和砂轮始终在水平处相切，算 法最简单，但机床结构较复杂、刚性较差， 运用较少。 前两种成形方式的廓形控制算法基 本原理是：通过各自的联动方式，使磨削点处的轮廓法线通过砂轮中心，如图2 6 所示。第3 种成形方式控制算法最简单，通过3 个运动的联动，使磨削点始终在 工件轮廓的水平位鼍处，如图2 7 所示。 德国f o r t u n a w e r k e 公司的f n 3 c n c 磨床、英国n a n d e s 公司的c n c 磨床、 日本日平一富山公司的3 l c n c 磨床、国内湖南大学开发的c n c 8 3 1 2 磨床都采用砂 轮架水平移动和工件转动联动方式。英国b u t l e r n e w a l l 公司的c n c 磨床采用工件 摆动和转动联动方式。国内一汽、二汽等单位用普通的靠模磨床改造成c n c 无靠 模凸轮轴磨床采用工件摆动和转动联动方式。 除了廓形生成采用数控技术外，其它的如工件的变转速恒磨除率磨削控制、 砂轮变频恒线速控制、砂轮轮径变化的补偿调整控制、工件尺寸的自动测量和调 整、砂轮的修整和补偿调整，以及系统诊断、出现异常时报警、停止运行等控制， 也都采用数控技术实现。 重庆大学硕士学位论文2 凸轮轴桃形磨削加工技术分析 恒转速磨削中，除基圆外，其它部分的磨除率是不断变化的( 可相差1 0 倍， 图2 8 ) ，被磨削点的瞬时速度和接触弧长也不断变化，使得磨削力、工艺系统受 力变形、磨削热等都不断发生变化。研 究表明，这种变化是导致桃形的两侧部 ( 升程和回程段) 易出现波纹和烧伤的 重要原因。通过数控系统可以改变工件 的转速，在升程和回程段降低工件转速， 在基圆段提高工件转速，使磨除率基本 恒定，磨削状态基本稳定，从而既保证 磨削质量，同时也保持较高的磨削效率。 c n c 数控凸轮轴磨床采用的数控系 统一般具有开放式、模块化和可嵌入的 特点。由于采用插补联动方式实现凸轮 图2 g 工件恒转速磨耕磨除卓变化示意圈 f ig 2 1t b er t t eo ft i t , i c | o t ec h l g e t t n d o rc o ns t tr o t l t i o b 廓形的磨削，为保证廓形精度，控制、驱动系统的动态响应必须快。国内湖南大 学研制的c n c 8 3 1 2 数控凸轮轴磨床，采用西门子公司的8 4 0 c 数控系统和6 11 d 数 字交流伺服驱动系统，系统硬件如图2 9 所示。控制系统具有i k a 数据插补功能 表，在零件加工程序运行到作插补运动时，无需再做复杂的数学运算，直接从i k a 表格读取对应的插补值，按照选定的插补方式进行插补运动，从而实现高精度廓 形加工。 图2 9 f i g 2 9 数控磨床的价格非常昂贵，一般是普通靠模磨床价格的数倍甚至十倍以上。 而目前国内还大量采用的是普通靠模磨床。一些厂家和研究工作者对普通靠模磨 床的数控化改造进行了研究，并用于实际生产。如二汽对日本l a n d i s 公司生产 的s c a m m f 2 4 x 3 6 靠模磨床进行了数控化改造。采用工件转动和摆动的联动成形 重庆_ 人学硕士学位论文2 凸轮轴桃形磨削加工技术分析 方式。数控系统是西门子的8 4 0 c 系统。改造后8 m i n 可加工一件6 缸凸轮轴，加 工质量明显提高，具有了柔性加工能力。这一改造项目的成功，为利用现有资产 开辟了一条道路，同时也为发展我国的c n c 数控凸轮轴磨床技术摸索了经验。 c n c 数控凸轮轴磨床不仅采用了先进的数控系统，在机床结构上也采用一系 列先进技术。如高刚度主轴系统、砂轮的在线平衡p 、静压、滚动或帖塑导轨、 高精度滚珠丝杠、砂轮位置的高精度反馈控制、砂轮自动修整、补偿，以及床身、 量仪等。一些磨床还运用传感器( a e 声发射技术) 【j “1 对磨削状态和砂轮修整 状态进行监控，使磨削过程始终处于最佳状态。这些先进技术为加工精度和加工 稳定性提供了保证，使凸轮轴桃形磨削加3 2 趋于高技术。 近年来，国内很多磨床生产企业也研究、开发了一些数控凸轮轴磨床，取得 了大量成果，缩短了与国外先进技术的差距。湖南大学开发的c n c 8 3 1 2 数控凸轮 轴磨床，采用了c b n 砂轮技术，砂轮线速度可达1 5 0 m s ，价格只有进口同类设备 的1 3 。国内汽车工业的蓬勃发展，带动了制造技术的提高，国产的数控凸轮轴磨 床将会越来越多的投入到生产应用中。 凸轮轴数控磨床是技术含量很高的设备。合理的使用，充分发挥其效能，对 包括操作人员素质、维护技术等都有更高的要求。西德磨就曾由于技术、认识上 的不足，在数年时间里，生产能力得不到完全发挥。近年来，通过不断的摸索、 努力和技术水平、认识的提高，这种情况已大为改观。如砂轮失速故障“”1 曾长 时间困扰设备的正常运转，有关人员通过反复摸索，对变频控制系统进行了改进， 排除了产生这一故障的隐患，未再出现砂轮失速爆裂、打坏产品、危及安全的情 况。 凸轮轴挑形的数控磨削技术提高了加工精度和生产效率、便于多品种产品的 生产和新产品的开发、缩短生产准备周期、节省工装费用、实现了工件的变转速 恒磨除率磨削和砂轮的变频恒线速磨削、消除了砂轮轮径变化对加工精度的影响、 扩大了砂轮使用范围。总之，凸轮轴桃形的数控磨削技术适应了凸轮轴桃形技术 发展的需求，使凸轮轴桃形磨削加工技术提高到一个新水平。 2 - 3 _ 3 凸轮轴桃形的砂带磨削技术【4 l 4 6 】 砂带磨削是一种新型磨削工艺，与砂轮磨削相比具有以下特点： 1 ) 磨削工件表面质量好、精度高。砂带磨削具有磨削、研磨和抛光等多重作用， 表面粗糙度可达到r a 0 1 以上。砂带磨削有冷态磨削之称，即磨削温度低，工件 表面不易出现烧伤。砂带磨削可以进行精密和超精密加工，精度可达o 1 洲。 2 ) 磨自u 效率高。砂带磨粒比砂轮磨粒有更强的切削能力，表现在它的切除率、磨 削比和机床功率利用率三个方面。 重庆大学硕士学位论文 2 凸轮轴桃形磨削加工技术分析 3 ) 砂带磨削对设备要求不高。由于