2023年凸轮工件的数控加工工艺分析[1].doc

商丘科技职业学院毕业论文〔设计〕 摘 要： 凸轮轴作为汽车发动机配气机构中的关键部件，其性能直接影响着发动机整体性能。因此凸轮轴的加工工艺有特殊要求，合理的加工工艺对于降低加工本钱、减少生产环节以及合理布置凸轮轴生产线具有很大的现实意义。本文针对凸轮轴的加工特点，结合工厂的实际，从前期规划开始，对凸轮轴的加工工艺进行了深入的分析、研究。建立了用数控无靠模方法。对凸轮廓形进行计算和推倒，对凸轮轮廓的加工进行了探讨并提出适用于发动机凸轮轴的加工方法。 关键词：发动机；凸轮轴；工艺分析 目 录 摘 要： 1 目 录 2 1 引言 1 2 凸轮轴生产线前期规划 1 2.1产品规格 1 2.2工艺设计原那么及凸轮轴加工工艺分析 2 2.3小结 3 3 凸轮轴生产线工艺分析 3 3.1生产线布置 3 3.2工艺设计 4 3.3工艺分析 5 3.4工艺特点 7 3.5工艺难点 9 4 凸轮廓形理论计算及加工控制参数 10 4.1凸轮轴凸轮的廓形要求 10 4.2包络线理论 13 4.3凸轮廓形坐标 14 4.4砂轮的中心坐标 17 4.5磨削圆周进给量计算 18 4.6等周速曲线 20 4.7砂轮座加速度 20 4.8光顺处理 21 4.9工件主轴转速配置 21 4.10磨削用量数据 22 5结论 23 参考文献 23 24 商丘科技职业学院毕业论文〔设计〕 1 引言 随着现代行业的不断开展，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要的。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，我们自己的根底制造业，提高质量、降低本钱，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，尽可能的降低本钱，提高竞争力。 本文主要围绕汽车凸轮轴生产线的工艺分析，从前期准备、工艺设计、理论计算、生产实践、和产品检测这几个方面，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具有重要的参考作用。 2 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 凸轮轴生产线承当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：〔FCA-3〕铜铬钼合金铸铁，各主轴颈及端面的硬度HB180~240，凸轮HRC48. 2.1.2凸轮轴简图 图1 2.1.3 发动机凸轮轴主要加工内容和精度要求 〔1〕支承轴径 前轴径前端φ，后端φ，外表粗糙度Rz3.2 中间轴径φ，外表粗糙度Rz3.2 后轴径φ，外表粗糙度Rz3.2 〔2〕凸轮 6个凸轮基圆尺寸为φ，外表粗糙度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′〔见图1〕 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112°32′±20′ 〔3〕斜齿轮 齿数：13，螺旋角：53°〔右〕±1′46"公法线长度：38.611～38.806 齿形误差≤0.025；齿向误差≤0.017；齿槽对键槽的角度20°±2° 〔4〕键槽 宽，深，对称度0.025 2.2工艺设计原那么及凸轮轴加工工艺分析 (1)保证工艺具有合理的先进性，再保证节拍的根底上，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，降低本钱 (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 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，其外表剩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。不仅要把各主要外表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 从形状复杂的角度来说，突出的问题凸轮、齿轮这些复杂外表的加工。对于这些外表，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外表常规加工方法，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，中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本钱问题，都成为在国内实施的困难。考虑到本钱及大批量生产，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那么。 3 凸轮轴生产线工艺分析 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，减少了工人的走动时间，可以做到一人多机操作，降低了生产线操作工人的数量。每个工人既要负责自己的这几台设备，同时还要负责定工件时、定量检验及自检；最终工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的提高。 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水沟。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工艺设计 3.2.1定位基准的选择 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，由于凸轮轴各外表的加工难以在一次装夹中完成，因此，减小工件在屡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，这不仅防止了工件在屡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〞原那么。 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外表。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外表之间具有较高的相互位置精度。 3.2.2加工阶段的划分与工序顺序的安排 〔一〕加工阶段的划分 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。为了利于逐步地到达加工要求，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局部加工余量。 （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φ32和φ48.5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简介。 〔二〕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。各外表的加工顺序按从粗到精、且主要外表与次要外表的加工工序相互交叉进行，从整体上说，符合“先粗后精〞的加工原那么。 3.2.3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。 3.3工艺分析 表3.1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 10 铣端面，打中心孔 φ52.5外圆〔成活尺寸φ48.5〕 φ36外圆〔成活尺寸φ32〕 φ52.5端面 φ52.5外圆 φ36外圆 专机 20 粗车主轴颈 φ37.5外圆〔成活尺寸φ37.2〕 两端中心孔 φ37.5外圆 半自动液压仿形车床 30 车削主轴颈并切槽 φ37.5外圆 两端中心孔 φ37.5外圆 半自动液压仿形车床 40 两端螺孔钻、扩、攻丝、修中心孔 φ48.9外圆〔成活尺寸φ48.5〕 φ32.4外圆〔成活尺寸φ32〕 φ52.5端面 φ48.9外圆 φ32.4外圆 专机 50 大端外圆磨削 两端中心孔 φ37.5外圆 φ37.5外圆 半自动端面外圆磨床 60 前轴颈磨削 两端中心孔 φ37.5外圆 φ37.5外圆 CNC磨床 70 中间轴颈、后轴颈及推力部端面磨削 两端中心孔 φ32外圆 φ32外圆 CNC磨床 80 铣键槽 φ48.5外圆 φ32外圆 φ30端面 角向90° φ48.5外圆φ32外圆 专机 90 粗磨凸轮〔靠磨〕 两端中心孔 键 卡盘 φ22外圆 凸轮磨床 1