排气凸轮轴的工艺规程及工装设计【包含CAD图纸、三维模型、开题报告、任务书、外文翻译】【无论文】
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排气
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毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文 献 综 述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，直接影响着发动机的性能。近年来，因环境保护的需要，正在开发低油耗、低污染的发动机。为了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，为了降低油耗及摩擦损耗，凸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，这对凸轮轴运动的平稳性、动平衡、耐磨性能及抗扭强度提出了更高的要求。另外，为了达到汽车轻型化、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，材料使用也更趋合理。凸轮轴的构造 凸轮轴的主体是一根与气缸组长度相同的圆柱形棒体。上面套有若干个凸轮，另一端与驱动轮相连接。 凸轮的侧面呈鸡蛋形。其设计的目的在于保证气缸充分的进气和排气，尽可能在短时间内完成气门的开、闭动作。另外考虑到发动机的耐久性和运转的平顺性，气门也不能因开闭动作中的减速过程产生过多过大的冲击，否则就会造成气门的严重磨损、噪声增加或者其它严重后果。因此，凸轮和发动机的功率、扭矩输出以及运转的平顺性有很直接的关系。 一般来说，直列式发动机中，一个凸轮就对应一个气门。V 型发动机或水平对置式发动机则是每两个气门共享一个凸轮。而转子发动机和无阀配气发动机由于其特殊的结构，并不需要凸轮。为了实现轻量化，易于加工且低成本，以及发动机的高转速、高输出功率，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、功能高度集中、重量轻，能承受更高的接触压力。在目前的凸轮轴应用中，已经将缸盖润滑系统集中于中空式凸轮轴，将实现缸内直喷的燃油泵驱动组件在凸轮轴上实现，将 VVT(可变正时气门)在凸轮轴尾端使用。在配气机构中，对凸轮轴各个部位的性能要求是不同的。对于凸轮和燃油泵驱动轮，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 1-2。凸 轮 轴 的 国 内 外 发 展 趋 势金 属 、 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 40%,可 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 。装 配 式 凸 轮 轴 目 前 以 较 快 的 速 度 发 展 ,主 要 应 用 于 高 性 能 发 动 机 上 。 目 前 ,世界 上 许 多 汽 车 工 业 发 达 的 汽 车 制 造 厂 正 在 越 来 越 多 使 用 装 配 式 凸 轮 轴 制 造 新 技 术 ,但 因 技 术 掌 握 的 程 度 、 方 法 不 同 ,使 用 装 配 式 凸 轮 轴 的 种 类 也 不 同 。 日 本 日 野 自 动车 工 业 株 式 会 社 在 20 世 纪 90 年 代 初 开 发 了 热 套 和 焊 接 组 合 的 生 产 方 式 ,凸 轮 采用 碳 钢 ,用 冷 精 锻 方 法 制 造 ,轴 颈 采 用 高 频 淬 火 钢 管 制 成 ,轴 则 采 用 冷 拔 碳 钢 管 。 日本 丰 田 汽 车 公 司 也 有 相 似 的 生 产 方 式 。 日 本 精 工 株 式 会 社 用 扩 管 法 生 产 凸 轮 轴 ,产 品 的 刚 度 较 铸 造 产 品 提 高 1.7 倍 ,累 计 生 产 已 达 300 万 根 。 日 本 柱 塞 环 株 式 会 社从 20 世 纪 80 年 代 中 期 开 始 生 产 烧 结 连 接 式 凸 轮 轴 ,1992 年 开 始 生 产 专 门 用 于 低能 耗 发 动 机 的 凸 轮 轴 ,凸 轮 采 用 烧 结 合 金 ,具 有 非 常 好 的 耐 磨 损 及 耐 点 蚀 性 能 。 目前 已 生 产 了 750 万 根 。 从 20 世 纪 90 年 代 中 期 该 公 司 开 始 研 制 刮 削 连 接 式 凸 轮 轴 。美 国 MTS2SA 公 司 、 TORINGTON 公 司 、 FEDERAL2MDOGUL 公 司 、 通 用 汽 车 公 司 、 福 特汽 车 公 司 都 已 将 装 配 式 凸 轮 轴 应 用 于 生 产 之 中 。 德 国 的 大 众 汽 车 公 司 、 奔 驰 汽 车 公司 、 THYSSENK2RUPP 公 司 ,英 国 的 T&NTechnology 公 司 、 GKNBoundBrook 公 司 也 都先 后 开 发 研 制 了 装 配 式 凸 轮 轴 的 生 产 工 艺 及 设 备 。 目 前 在 我 国 仅 上 海 大 众 汽 车 公 司有 1 条 生 产 装 配 式 凸 轮 轴 的 生 产 线 ,其 他 企 业 还 处 于 空 白 阶 段 。 个 别 单 位 曾 经 研 制了 烧 结 连 接 式 凸 轮 轴 ,但 都 没 有 实 用 化 。 吉 林 大 学 对 装 配 式 凸 轮 轴 已 经 研 制 开 发 了多 年 ,重 点 针 对 滚 花 连 接 方 式 进 行 了 研 究 ,对 连 接 机 理 进 行 了 探 讨 ,应 用 计 算 机 模拟 方 法 对 连 接 部 位 工 作 状 态 的 应 力 应 变 做 了 模 拟 研 究 ,并 对 装 配 力 做 了 不 同 情 况 的试 验 分 析 。 在 连 接 试 验 的 基 础 上 开 发 了 自 动 化 装 配 机 。 装 配 式 凸 轮 轴 已 发 展 二 十 多年 ,除 了 上 述 的 方 法 外 ,正 大 力 开 发 应 用 复 合 材 料 ,例 如 陶 瓷 材 料 等 制 造 凸 轮 轴 。 随着 装 配 式 凸 轮 轴 生 产 技 术 的 提 高 ,性 能 更 好 、 成 本 更 低 、 技 术 多 样 化 的 装 配 式 凸 轮轴 将 会 涌 现 出 来 3。1981 年 7 月 ,日 本 丰 田 汽 车 公 司 宣 布 ,世 界 第 1 个 粉 末 冶 金 技 术 制 成 粉 末 烧 结结 中 空 整 体 凸 轮 轴 ,已 大 量 用 于 IS 型 直 列 式 死 缸 发 动 机 ,粉 末 烧 结 整 体 中 空 凸 轮 轴是 由 8 个 凸 轮 片 、 5 个 轴 颈 、 1 个 齿 轮 、 2 个 燃 料 泵 凸 轮 、 1 个 前 轴 颈 、 1 根 钢 管18 个 零 件 组 合 烧 结 而 成 。 粉 末 烧 结 整 体 中 空 凸 轮 轴 的 制 造 工 艺 是 :将 与 烧 结 和 模锻 的 粉 末 凸 轮 片 、 齿 轮 、 轴 颈 嵌 入 或 压 入 钢 管 轴 上 ,然 后 对 粉 末 凸 轮 进 行 正 式 烧 结(1100e、 30min,分 解 氨 )。 同 时 以 纯 铜 为 钎 料 ,将 轴 颈 、 齿 轮 钎 焊 在 钢 管 轴 上 。 烧结 时 ,粉 末 合 金 中 的 Fe-P-C 组 分 生 成 液 相 ,使 凸 轮 片 生 产 收 缩 和 扩 张 粘 结 于 钢 管 轴表 面 。 矫 直 ,检 验 后 ,经 精 加 工 ,即 制 成 烧 结 中 空 整 体 凸 轮 轴 。 烧 结 中 空 整 体 凸 轮 轴与 铸 铁 凸 轮 轴 相 比 的 技 术 经 济 指 标 效 果 :1)质 量 减 轻 了 26%。 2)实 际 发 动 机 的 电 动回 转 试 验 表 明 ,烧 结 合 金 凸 轮 轴 的 磨 损 仅 为 原 用 冷 铸 铁 的 1/7。 3)烧 结 合 金 凸 轮 轴的 外 形 接 近 最 终 形 状 ,磨 削 加 工 量 小 ,因 此 ,凸 轮 轴 磨 床 可 减 少 20%,不 需 要 钻 油 路 。4)钢 管 轴 内 孔 可 用 作 发 动 机 油 的 主 通 路 。 发 动 机 油 通 过 凸 轮 内 孔 ,由 汽 缸 组 供 给凸 轮 、 轴 颈 、 燃 料 泵 凸 轮 及 驱 动 齿 轮 的 分 配 器 ,并 通 过 轴 颈 将 油 供 给 余 隙 调 节 器 。因 此 ,不 再 需 要 输 油 管 ,润 滑 系 统 可 大 大 简 化 。 凸 轮 轴 的 机 械 加 工 量 可 大 大 减 4。日 本 精 工 株 式 会 社 采 用 内 高 压 轴 管 扩 径 连 接 ,生 产 的 凸 轮 轴 累 计 已 达 300 万 根 ,产 品 的 刚 度 较 铸 造 凸 轮 轴 提 高 1.7 倍 。 日 本 丰 田 汽 车 公 司 也 有 相 似 的 生 产 方 式 。上 海 通 用 汽 车 公 司 采 用 耐 磨 烧 结 铁 基 合 金 材 料 凸 轮 与 空 心 轴 体 通 过 机 械 扩 径 来 实 现联 接 ,用 于 轿 车 中 空 装 配 式 凸 轮 轴 生 产 。 德 国 蒂 森 克 虏 伯 普 里 斯 坦 公 司 采 用 轴 向 滚花 连 接 方 式 ,以 1200 万 根 中 空 装 配 式 凸 轮 轴 的 年 产 量 成 为 全 球 市 场 的 领 导 者 。 在 国内 ,吉 林 大 学 对 滚 花 连 接 技 术 进 行 了 深 入 研 究 ,并 开 发 了 中 空 装 配 式 凸 轮 轴 新 型 滚花 连 接 技 术 与 三 轴 CNC 装 配 机 (专 利 技 术 )。 在 汽 车 领 域 ,中 空 装 配 式 凸 轮 轴 新 技 术已 在 高 性 能 的 发 动 机 上 得 到 应 用 。 美 国 福 特 汽 车 公 司 的 GT)90 汽 油 机 (V 型 12 缸 )顶 置 式 凸 轮 轴 ,通 用 汽 车 的 LN2 汽 油 机 (直 列 4 缸 )顶 置 式 凸 轮 轴 和 3100SFI 汽 油机 (V 型 6 缸 )顶 置 凸 轮 轴 ,日 本 日 野 公 司 的 J08C 系 列 柴 油 机 (直 列 4 缸 和 6 缸 )顶置 式 凸 轮 轴 ,上 海 通 用 汽 车 公 司 的 别 克 发 动 机 顶 置 式 凸 轮 轴 ,均 采 用 中 空 装 配 式 凸轮 轴 5。国 内 外 生 产 凸 轮 轴 的 材 质 很 多 ,有 45 钢 、 球 墨 铸 铁 、 合 金 铸 铁 。 目 前 ,常 使用 的 铸 造 方 法 是 壳 型 铸 造 ,其 中 包 括 铁 型 覆 砂 6-7和 壳 型 填 铁 丸 两 种 铸 造 工 艺 ,其他 还 有 如 消 失 模 铸 造 等 。 壳 型 铸 造 是 20 世 纪 40 年 代 由 德 国 约 翰 尼 斯 克 朗 宁(Johanes2Corning)发 明 的 ,亦 称 为 克 朗 宁 法 8-10,壳 型 铸 造 生 产 的 铸 件 具 有 表 面 粗糙 度 低 ,尺 寸 精 度 高 等 优 点 ,能 够 满 足 冷 铁 多 ,形 状 复 杂 的 零 件 的 铸 造 ,适 用 于 凸 轮轴 、 曲 轴 等 轴 类 零 件 的 生 产 ,在 世 界 上 属 先 进 工 艺 ,具 有 很 广 阔 的 应 用 前 景 。清 华 大 学 李 双 寿 等 人 研 究 了 球 铁 凸 轮 轴 的 激 光 表 面 处 理 11,发 现 经 过 该 技 术处 理 之 后 ,球 铁 凸 轮 轴 的 表 层 由 外 而 内 分 别 是 熔 凝 层 、 淬 硬 层 和 基 体 ,并 且 其 硬 度均 大 于 58HRC,搭 接 处 的 硬 度 也 没 有 降 低 。 AstashkevichBM 等 人 研 究 了 激 光 表 面处 理 在 所 有 的 铸 铁 、 中 碳 钢 以 及 工 具 钢 中 的 应 用 ,指 出 材 料 的 淬 透 性 和 硬 度 等 都 受到 激 光 处 理 的 一 些 可 变 参 数 的 限 制 ,比 如 能 量 大 小 、 光 束 直 径 、 光 束 形 状 、 扫 描 速度 以 及 聚 焦 条 件 等 的 限 制 12-13。在 国 外 ,ChernyshevAN 等 人 14， 通 过 试 验 研 究 发 现 灰 铸 铁 和 具 有 球 状 石 墨 的高 强 铸 铁 不 适 合 于 使 用 重 熔 工 艺 来 进 行 表 面 强 化 ,其 原 因 有 3 点 :1)产 量 大 幅 度 降低 ;2)熔 池 内 的 碳 没 有 完 全 分 解 ,耐 磨 性 降 低 ;3)钨 电 极 消 耗 太 大 。 他 们 指 出 用 蠕 墨铸 铁 来 代 替 灰 铸 铁 和 具 有 球 状 石 墨 的 高 强 铸 铁 效 果 更 好 ,还 指 出 参 数 的 变 化 会 影 响激 冷 层 中 片 状 渗 碳 体 的 分 布 。 2005 年 英 国 哥 伦 比 亚 大 学 AMitchell 教 授 又 将 以 前只 是 应 用 于 精 炼 的 电 渣 冶 炼 重 熔 法 和 真 空 电 弧 重 熔 法 成 功 应 用 于 工 业 纯 铁 生 产 的 凝固 控 制 阶 段 15.参考文献：1邢铭.凸轮轴的发展趋势J.汽车与配件，2013（15）：36-37.2郝军清.新材料新工艺在凸轮轴生产中的应用J.内燃机与动力装,2006,6.3杨慎华.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).4乔健.中空装配式凸轮轴连接技术及应用J.车用发动机,2007,31(1):4.5黄列群,潘东杰.铁型覆砂铸造及其发展J.现代铸铁,2006(3):12-18.6李晓东.数值模拟在铁型覆砂铸造中的应用J.汽车工艺与工料,2002(8):69-71.7Le Serve FL.ShellMouldingMaint ains Status as Leading Precision Sandcasting TechniqueJ.Foundry Trade Journal,1981(11):707-715.8李平,蔡启舟,魏伯康.壳型铸造技术在高品质凸轮轴上的应用研究J.铸造工程,2003(4):1-4.9李平,魏伯康,段汉桥,等.壳型铸造技术在高品质凸轮轴上的应用研究J.铸造工程,2003(4):1-4.10李双寿,陆劲昆,边庆月,等.球墨铸铁凸轮轴的激光表面熔凝处理J.金属热处理,2005,30(2):4-8.11 Astashkevich BM , Zinovev GS , Voronin IN . Restoring dieselengine camshafts by laser treatmentJ . Metal Scienceand Heat Treatment , 1996,38(11-12):512-514.12Senthil Selvan J , Subramanian K , Nath AK . Effect of laser surfacehar deningonEn18 (AISI5135) steelJ . Journa lofM at erials . Processing Technology , 1999,91:29-36.13刘佑平.提高内燃机凸轮轴耐磨性的工艺方法.14Chernyshev AN , Kaplina IN , Serapin MI . Surface hardening with remelting of functional surfaces of cast iron camshafts J. MetalScience and Heat treatment,1996,38(9210):440-442.15Mitchell A. Solidification i nremeltingprocesses J. Materials Science and Engineering A,2005,413-414,10-18. 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：排气凸轮轴零件设计的任务是让我们综合运用我们所学的机械设计基础、数控编程、CAD 技术、机械制图、机械制造原理、机械加工、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。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。这次毕业设计的目的就是要对机械零件的加工设计制造过程有所了解，也是为了巩固所学的关于机械设计加工的理论知识,培养分析和解决问题的能力,提高自己的设计能力和创新设计能力。凸轮轴凸轮轴的零件分析在选择各表面、孔及槽的加工方法时，要考虑加工表面的精度和表面粗糙度要求，根据各加工表面的技术要求，选择加工方法及分几次加工；要根据生产类型选择设备，在大批量生产中可采用高效率的设备。在单件小批量生产中则常用通用设备和一般的加工方法。如、柴油机连杆小头孔的加工，在小批量生产时，采用钻、扩、铰加工方法；而在大批量生产时采用拉削加工；要考虑被加工材料的性质，例如：淬火钢必须采用磨削或电加工；而有色金属由于磨削时容易堵塞砂轮，一般都采用精细车削，高速精铣等；要考虑工厂或车间的实际情况，同时也应考虑不断改进现有加工方法和设备，推广新技术，提高工艺水平；此外，还要考虑一些其它因素，如加工表面物理机械性能的特殊要求，工件形状和重量等。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。凸轮轴的重要加工工艺1.中心孔的加工加工中心孔的刀具一般都采用标准中心钻(特殊中心孔区别对待),工艺安排上分 2 次进行:热处理之前和热处理之后。此道工序的关键是控制好 60b 的定位锥面的公差(?15c?20c),且需用专用工具(模拟后续机床的定位顶针)进行全数检查,以控制凸轮轴的轴向开档精度(要求?0.2?0.5mm),防止凸轮铣时出现未铣出的毛边。 2.热处理感应淬火时应根据不同的工件材质。在满足硬度要求的前提下找出淬火的边界条件,控制输出的最大最小电压、电流范围,同时控制淬入液的浓度、流量和温度,并定期对淬火液的冷却速率进行分析,以此作为更换淬火液的依据。3.凸轮磨削随着磨削余量的减少和磨削速度的提高(由传统的 3560m/s 发展到 125200m/s)使用高速磨削将是必然的趋势。对树脂结合剂的刚玉、碳化硅、立方氮化硼磨料的砂轮,其使用速度可达 125m/s;陶瓷结合剂砂轮磨削速率可达 200m/s。对于选用 CBN 的砂轮进行磨削,要求注意选配合适的砂轮宽度、浓度、硬度和切削液。正确选择切削液种类和冷却工艺参数,对砂轮在磨削过程中的机械磨损、化学侵蚀和热损伤的程度将产生非常大的影响。尤其是在凸轮轴上同时具有凹面凸轮(也被称作负曲率半径(NROC)凸轮)的情况下,设备供应商一般都建议采用双磨头全数控磨床。关于凸轮的磨削工艺设计,一般用户依托设备供应商解决。供应商根据用户提供凸轮的 0b360b 的离散点,通过选用恰当的数控系统,主要解决:1)将离散点变成连续的封闭曲线。2)将生成曲线转为磨削曲线。由于凸轮磨削时磨削点与生成点不在一个点,必须进行数学模换,而且这种变换还与凸轮的测量方式有关。3)建立 C 轴调速曲线。在凸轮磨削中,为保证凸轮加速度恒定,必须根据 C 轴角度来调整 C 轴转速的调速曲线。其中在凸轮磨削 NC 程序生成之前,关键是首先要编制凸轮生成曲线(通过对数据的平滑处理,将离散点形成封闭曲线)和速度曲线的计算程序,即将给定的凸轮生成表转换为磨削用的磨削曲线(C 坐标值、x 轴坐标值)。其次,需要选择合适的磨削参数,主要有:1)工件参数:凸轮位置参数、凸轮角度参数、凸轮基圆半径参数、凸轮测量方法;2)砂轮参数:砂轮直径、砂轮宽度;3)修整砂轮参数:砂轮修磨时进给位置、速度、修磨量、修磨次数等;4)磨削参数:砂轮进给位置、速度、粗磨量、半精磨量、精磨量 C 轴转速、凸轮补偿量等,这些参数中有些是固定的,
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