機設專業(yè)畢業(yè)論文：四缸發(fā)動機凸輪軸畢業(yè)設計

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1、武漢紡織大學2011屆畢業(yè)設計論文 附件八： 武漢紡織大學 畢業(yè)設計(論文) 課題名稱： 四缸發(fā)動機凸輪軸的工藝設計 完成期限： 2010年12月1日至2011年5月30日 院系名稱 機械工程與自動化學院 指導教師 徐巧 專業(yè)班級 機設073 指導教師職稱 講師 學生姓名 向沖 院系畢業(yè)設計（論文）工作領導小組組長簽字

2、 摘 要 凸輪軸作為汽車發(fā)動機配氣機構中的關鍵部件，其性能直接影響著發(fā)動機整體性能。因此凸輪軸的加工工藝有特殊要求，合理的加工工藝對于降低加工成本、減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)以及合理布置凸輪軸生產(chǎn)線具有很大的現(xiàn)實意義。本文針對凸輪軸的加工特點，結合工廠的實際，從前期規(guī)劃開始，對凸輪軸的加工工藝進行了深入的分析、研究。對凸輪廓形進行計算和推倒，對凸輪輪廓的加工進行了探討并提出適用于發(fā)動機凸輪軸的加工方法。凸輪軸對其工作要求、部分精度較高，如軸上的油孔的加工、法蘭盤孔的加工等。凸輪軸的工藝過程，我們盡量做到清晰明了，在保證表達清楚的基礎上，盡量做到簡練。凸輪軸是軸類零件中比較復雜的一種曲軸，而在

3、磨削加工方面，凸輪軸也是比較難以加工的軸，這種軸類零件的加工方法一般都是大同小異的。凸輪軸的加工一般是先經(jīng)過車床的車削加工，制成半成品；然后經(jīng)過相應的熱處理；再就是對凸輪軸各部分的磨削加工；最后就是經(jīng)過相關工序的處理和檢驗合格后就可以入庫了。 關鍵詞：四缸發(fā)動機； 凸輪軸； 加工工藝 ABSTRACT Camshaft Engine Valve as a key component in its performance directly affects the overall per

4、formance of the engine. Therefore, the processing technology camshaft has specific requirements for a reasonable process to reduce processing costs, reduce production processes and the rational arrangement of the camshaft production line of great practical significance. In this paper, the processing

5、 characteristics of the camshaft, with the actual plant, starting from the pre-planning, on the camshaft of the process conducted in-depth analysis and research. Convex contour shape of calculated and pulled down the processing of the cam profile are discussed and made applicable to the processing m

6、ethod of the engine camshaft. Camshaft its work requirements, some high precision, such as the axis of the hole of the process, the flange hole processing. Camshaft process, we have clarity as far as possible, in ensuring the basis of clear, concise and as far as possible. Cam shaft of the more comp

7、lex is a crankshaft, and in the grinding, the cam shaft is relatively hard to process, this shaft parts are generally similar to those of processing methods. Camshaft after the processing is generally the first turning lathe, made of semi-finished products; and then after appropriate treatment; then

8、 there are the various parts of the camshaft grinding; the last is through the relevant processes for handling and storage after inspection the. Keywords：Four-cylinder engine；Camshaft； Processing 目 錄 1. 緒論 6 1.1 課題的意義和背景 6 1.2 凸輪軸的工藝設計發(fā)展現(xiàn)狀 6 1.3 本文研究的內容 6 2. 發(fā)動機配氣機構原理介紹 7 2.1 配氣

9、機構的組成和工作過程 7 2.2 活塞在氣缸內的四個沖程 8 3. 凸輪軸的設計 9 3.1 凸輪軸的功用 10 3.2 凸輪軸的結構特點和技術要求 10 3.3 各種凸輪軸的技術要求 10 3.4 生產(chǎn)類型的確定 10 3.5 凸輪軸的凸輪形狀設計 10 3.6 凸輪軸的材料選定 17 3.7 凸輪軸的數(shù)據(jù)選定 17 3.8 凸輪軸的直徑和長度選定 17 3.9 凸輪軸的結構設計 18 4. 凸輪軸的工藝性分析 18 4.1 定位基準的選擇 18 4.2 表面加工方法的選擇 19 4.3 加工階段的劃分和工序順序的安排 19 4.4 熱處理工序的安排 20

10、4.5 加工余量的確定 20 4.6 切屑用量的確定 21 5. 凸輪軸加工的主要工序說明 21 5.1 凸輪軸軸頸粗加工采用無心磨床磨削 21 5.2 銑端面，鉆中心孔 21 5.3 凸輪軸的熱處理 22 5.4 主軸頸快速點磨加工 22 5.5 凸輪的加工 23 5.6 凸輪軸的拋光 23 5.7 凸輪軸的探傷 24 5.8 凸輪軸的清洗 24 6. 凸輪軸的工藝設計說明分析 24 7. 總結和展望 34 參考文獻 36 致謝 37 1． 緒論 1．1 課題的意義和背景 在現(xiàn)代社會，汽車是人們生活出行的最普通而快捷的交通工具，

11、而發(fā)動機是汽車的心臟，其性能對汽車的整車性能有決定性的影響。凸輪軸是活塞發(fā)動機里的一個必不可少的部件，凸輪軸（camshaft）定義：裝有一個或多個凸輪的軸。凸輪軸是活塞發(fā)動機里的一個部件。它的作用是控制氣門的開啟和閉合動作。雖然在四沖程發(fā)動機里凸輪軸的轉速是曲軸的一半（在二沖程發(fā)動機中凸輪軸的轉速與曲軸相同），不過通常它的轉速依然很高，而且需要承受很大的扭矩，因此設計中對凸輪軸在強度和支撐方面的要求很高，其材質一般是特種鑄鐵，偶爾也有采用鍛件的。由于氣門運動規(guī)律關系到一臺發(fā)動機的動力和運轉特性，因此凸輪軸設計在發(fā)動機的設計過程中占據(jù)著十分重要的地位。 1．2 凸輪軸的工藝設計發(fā)展現(xiàn)狀 目

12、前，國內多數(shù)轎車主機廠的凸輪軸生產(chǎn)線和專業(yè)生產(chǎn)凸輪軸的廠家均引進了CBN磨削技術，但仍有很多的載重汽車、柴油機和摩托車發(fā)動機的凸輪依然采用傳統(tǒng)的剛玉砂輪、靠模仿形的磨削工藝。粗磨工序使用的是國產(chǎn)中低速磨床(35m/s以下)，精磨工序部分廠家使用進口磨床，但使用速度均在60m/s以下，修整工具以單點金剛石筆居多，進口磨床和少數(shù)國產(chǎn)磨床采用金剛石滾輪修整。目前，大部分發(fā)動機制造企業(yè)都采用整體式凸輪軸，其材料有的采用中碳低合金鍛鋼(經(jīng)高頻淬火)，有的采用球墨鑄鐵。整體式凸輪軸加工工藝包括粗加工、半精加工和精加工。生產(chǎn)中采用自動線多工位機床，設備投資較大，生產(chǎn)線占地面積多，生產(chǎn)成本較高。而裝配式凸輪軸

13、只需半精加工和精加工，凸輪、齒輪、軸套可采用不同的材料，因此產(chǎn)品質量可減輕30％~50％；可柔性化生產(chǎn)，設備投資小，生產(chǎn)線占地面積少，生產(chǎn)成本較低。 1．3 本文研究的內容 本文主要圍繞凸輪軸的工藝分析設計，從前期選材、凸輪和凸輪軸的理論計算、工藝設計這幾個方面，闡述了凸輪軸加工的一套設計思路和方法，對發(fā)動機制造業(yè)中的零部件加工具有重要的參考作用。 2．發(fā)動機配氣機構原理介紹 2．1 配氣機構的組成和工作過程 配氣機構由氣門組和氣門傳動組組成。氣門組用來封閉氣缸的進、排氣道口；氣門傳動組使氣門打開和控制開啟與關閉的時刻及開啟與關閉的規(guī)律。如圖所示為一種典型的配氣機構的結構。

14、氣門組主要包括氣門、氣門導管、氣門彈簧、氣門彈簧座等。氣門傳動組主要由凸輪軸、挺柱、推桿、搖臂軸、搖臂及氣門間隙調整螺釘?shù)冉M成。 圖2-1 鏈傳動配氣機構 1—挺柱；2—推桿；3—搖臂軸總成；4—凸輪軸；5—曲軸；6—鏈條 配氣機構的工作過程：凸輪軸4轉動時,當凸輪的圓柱面(基圓)部分與挺柱1接觸時,挺柱1不升高,挺柱1以上的傳動件不動作,氣門是關閉的。當凸輪的凸起部分與挺柱1接觸時,便開始將挺柱1頂起,于是氣門被打開。當凸輪的最大凸起處與挺柱1接觸時,氣門達到最大開度。隨后,凸輪與挺柱1接觸表面的凸起開始逐漸變小,氣門在氣門彈簧的作用下開始上升關閉,并反向推動搖臂等傳動桿件,使挺柱

15、1下壓保持與凸輪的接觸。當凸輪凸起部分離開挺柱1時,氣門完全關閉。 2．2 活塞在氣缸內的四個沖程 活塞頂部在曲軸旋轉中心最遠的位置叫上死點、最近的位置叫下死點、從上死點到下死點的距離叫活塞沖程。活塞式航空發(fā)動機大多是四沖程發(fā)動機，即一個氣缸完成一個工作循環(huán)，活塞在氣缸內要經(jīng)過四個沖程，依次是進氣沖程、壓縮沖程、膨脹沖程和排氣沖程。如圖所示： 圖2-2 發(fā)動機開始工作時，首先進入“進氣沖程”，氣缸頭上的進氣門打開，排氣門關閉，活塞從上死點向下滑動到下死點為止，氣缸內的容積逐漸增大，氣壓降低——低于外面的大氣壓。于是新鮮的汽油和空氣的混合氣體，通過打開的進氣門被吸入氣缸內?；旌蠚怏w中

16、汽油和空氣的比例，一般是 1比 15即燃燒一公斤的汽油需要15公斤的空氣。 進氣沖程完畢后，開始了第二沖程，即“壓縮沖程”。這時曲軸靠慣性作用繼續(xù)旋轉，把活塞由下死點向上推動。這時進氣門也同排氣門一樣嚴密關閉。氣缸內容積逐漸減少，混合氣體受到活塞的強烈壓縮。當活塞運動到上死點時，混合氣體被壓縮在上死點和氣缸頭之間的小空間內。這個小空間叫作“燃燒室”。這時混合氣體的壓強加到十個大氣壓。溫度也增加到攝氏4OO度左右。壓縮是為了更好地利用汽油燃燒時產(chǎn)生的熱量，使限制在燃燒室這個小小空間里的混合氣體的壓強大大提高，以便增加它燃燒后的做功能力。 當活塞處于下死點時，氣缸內的容積最大，在上死點時容積最

17、?。ê笳咭彩侨紵业娜莘e）?；旌蠚怏w被壓縮的程度，可以用這兩個容積的比值來衡量。這個比值叫“壓縮比”?；钊娇瞻l(fā)動機的壓縮比大約是5到8，壓縮比越大，氣體被壓縮得越厲害，發(fā)動機產(chǎn)生的功率也就越大。 壓縮沖程之后是“工作沖程”，也是第三個沖程。在壓縮沖程快結束，活塞接近上死點時，氣缸頭上的火花塞通過高壓電產(chǎn)生了電火花，將混合氣體點燃，燃燒時間很短，大約0.015秒；但是速度很快，大約達到每秒30米。氣體猛烈膨脹，壓強急劇增高，可達6O到75個大氣壓，燃燒氣體的溫度到攝氏2000到250O度。燃燒時，局部溫度可能達到三、四千度，燃氣加到活塞上的沖擊力可達15噸?；钊谌細獾膹姶髩毫ψ饔孟?，向下死

18、點迅速運動，推動連桿也門下跑，連桿便帶動曲軸轉起來了。 這個沖程是使發(fā)動機能夠工作而獲得動力的唯一沖程。其余三個沖程都是為這個沖程作準備的。 第四個沖程是“排氣沖程”。工作沖程結束后，由于慣性，曲軸繼續(xù)旋轉，使活塞由下死點向上死點運動。這時進氣門仍舊關閉，而排氣門大開，燃燒后的廢氣便通過排氣門向外排出。當活塞到達上死點時，絕大部分的廢氣已被排出。然后排氣門關閉，進氣門打開，活塞又從上死點下行，開始了新一次的循環(huán)。從進氣沖程吸入新鮮的混合氣體起，到排氣沖程排出廢氣止，汽油的熱能通過燃燒轉化為推動活塞運動的機械能，帶動螺旋槳旋轉而作功，這一總的過程叫做一個“循環(huán)”。這是一種周而復始的運動。由于

19、其中包含著熱能到機械能的轉化，所以又叫“熱循環(huán)”。 3．凸輪軸的設計 3．1 凸輪軸的功用 凸輪軸是機車發(fā)動機上的一個重要零件，它對各氣缸的進、排氣門的開啟和關閉起控制作用，同時，還用來驅動分電器，汽油泵等輔助裝置。 3．2 凸輪軸的結構特點和技術要求 各種發(fā)動機凸輪軸的結構基本差不多，主要差別是凸輪軸的數(shù)量、形狀和位置不同，其中以四缸、六缸、八缸發(fā)動機的凸輪軸用的最多。就凸輪軸的結構特點而言，其形狀復雜，長徑比大，工件剛性較差 。 3．3 各種凸輪軸的技術要求 1）支承軸頸的尺寸精度及各支承軸頸間的同軸度。 2）止推面對于支承軸線的垂直度。 3）凸輪軸基面的

20、尺寸精度和相對于支承軸頸的軸線的同軸度。 4）凸輪的位置精度。 5）凸輪的形狀精度。 3．4 生產(chǎn)類型的確定 根據(jù)設計任務書所給定的原始資料來確定生產(chǎn)類型。設計任務書給出的資料顯示并按車間的工作情況及工件的重量可知，按產(chǎn)量可分單位生產(chǎn)、小批量生產(chǎn)、中批量生產(chǎn)及大批量生產(chǎn)。由《金屬機械加工工藝人員手冊》表15-5查 零件重48KG<100KG，且年產(chǎn)量為3000件，屬于中批量生產(chǎn)。根據(jù)該生產(chǎn)特性可以初步確定零件的機械加工工藝過程，由于中批量生產(chǎn)，一般采用高效機床和專用機床；對刀具一般采用通用刀具，也可以根據(jù)工廠實際情況采用專用刀具；量具采用專用量具；夾具使用專用夾具及輔助夾具來提高生產(chǎn)率

21、，同時節(jié)省了人力、物力，達到經(jīng)濟可行的目的。 3．5 凸輪軸的凸輪形狀設計 1） 進氣凸輪的升程（回程）的設計 將進氣凸輪的升程（回程）定為10.21156mm,基圓直徑取為46.5mm。根據(jù)教材《機械原理》第七版中第九章凸輪機構及其設計的第二節(jié)推桿的運動規(guī)律，可確定本課題中的推桿為正弦加速度運動，因為是為了避免推桿在運動中發(fā)生沖擊，不僅如此，發(fā)動機中的軸的運動速度較高，均有柔性沖擊，而正弦加速度運動，因為沒有加速度突變的現(xiàn)象，不存在柔性沖擊，具有較好的運動性能，因此可在高速下應用。 根據(jù)《機械原理》第三節(jié)《凸輪輪廓曲線的設計》凸輪輪廓曲線設計方法是解析法，凸輪廓線設計方法的基

22、本原理是反轉法，在由于是正弦加速度運動，升程（回程）值為10.21156mm可作出推桿的運動軌跡圖3-1。 凸輪的推桿升程（回程）的具體數(shù)據(jù)如下表3-1。 圖3-1 公式（3-1） 公式（3-2） 公式（3-3） (為推程運動角，為回程運動角）； 公式（3-4） 令，得

23、 公式（3-5） 式中位移應該分段計算 a． 推程階段 公式（3-6） ； b.回程階段 公式（3-7）

24、 取計算間隔為5度，將以上各相應值帶入公式計算凸輪輪廓上各點的坐標值。 具體數(shù)據(jù)見下表： 表3-1 角度Ъ（單位：度） 位移x（單位：毫米） 位移y（單位：毫米） 0 0 23．25 5 2．026 23．162 10 4．037 22．897 15 6．018 22．458 20 7．952 21．848 25 9．826 21．072 30 11．625 20．135 35 13．336 19．045

25、40 14．945 17．811 45 16．44 16．44 50 17．811 14．945 60 20．135 11．625 70 21．848 7．952 80 22．897 4．037 90 23．25 0 100 22．985 -4.053 110 22.475 -8.18 120 21.863 -12.623 130 20.861 -17.505 140 18.949 -22.582 150 15.733 -27.25 160 11.218 -30.815 170 5.795 -32.865

26、 180 0 -33.46156 185 -2.915 -33.323 190 -5.795 -32.865 195 -8.584 -32.038 200 -11.218 -30.815 205 -13.619 -29.207 210 -15.733 -27.25 215 -17.514 -25.013 220 -18.949 -22.582 225 -20.051 -20.051 230 -20.861 -17.505 240 -21.863 -12.623 250 -22.475 -8.18 260 -22．9

27、85 -4.053 270 -23．25 0 280 -22.897 4.037 290 -21.848 7.952 300 -20.135 11.625 310 -17.811 14.945 320 -14.945 17.811 330 -11.625 20.135 340 -7.952 21.848 350 -4.037 22.897 360 0 23.25 凸輪的輪廓曲線如圖所示： 圖3-2 2） 排氣凸輪的的升程（回程）的設計 根據(jù)進氣凸輪的選定方法，基圓同樣定位46.5，升程（回程）10.20992mm

28、。 其他的與進氣凸輪類似的取定。 其推桿的運動軌跡： 圖3-3 數(shù)據(jù)的計算公式同進氣凸輪的推桿公式計算相同，計算的結果如下表所示： 表3-2 角度Ъ（單位：度） 位移x（單位：毫米） 位移y（單位：毫米） 0 0 23．25 5 2．026 23．162 10 4．037 22．897 15 6．018 22．458 20 7．952 21．848 25 9．826 21．072 30 11．625 20．135 35 13．336 19．045 40 14．945 17．811 45 16．44 16．44 5

29、0 17．811 14．945 60 20．135 11．625 70 21．848 7．952 80 22．897 4．037 90 23．25 0 100 22．985 -4.053 110 22.475 -8.18 120 21.863 -12.623 130 20.861 -17.505 140 18.949 -22.582 150 15.733 -27.25 160 11.218 -30.815 170 5.795 -32.865 180 0 -33.45992 190 -5.795 -32.86

30、5 200 -11.218 -30.815 210 -15.733 -27.25 220 -18.949 -22.582 230 -20.861 -17.505 240 -21.863 -12.623 250 -22.475 -8.18 260 -22．985 -4.053 270 -23．25 0 280 -22.897 4.037 290 -21.848 7.952 300 -20.135 11.625 310 -17.811 14.945 320 -14.945 17.811 330 -11.625 20

31、.135 340 -7.952 21.848 350 -4.037 22.897 360 0 23.25 凸輪的輪廓曲線如圖所示： 圖3-4 3） 凸輪的寬度 根據(jù)凸輪軸的長度，這8個凸輪的的寬度取定為16.8mm。 4） 進氣凸輪的徑向位置（進氣凸輪桃尖之間的夾角） 根據(jù)曲軸的連桿頸的位置，每相鄰的進氣凸輪之間的夾角角度為90o 。 5） 排氣凸輪的徑向位置（排氣凸輪桃尖之間的夾角） 排氣凸輪桃尖之間的夾角的確定與進氣凸輪桃尖之間的夾角的確定方法相同，夾角為90o。 6） 相鄰的進氣凸輪與排氣凸輪之間的夾角的確定 相鄰的進氣凸輪與排氣凸

32、輪（桃尖）之間的夾角為72.5o（在工廠試驗室試驗得出，這主要由于要使汽缸中的排氣與進氣過程有序的進行，不能使曲軸上的連桿頸在同一個位置受兩方向的力，經(jīng)過多次的試驗得出夾角為72.5o)。 3．6 凸輪軸的材料選定 在制定工藝規(guī)程時，正確的選擇毛坯具有重要意義。它不僅影響毛坯的制造工藝設備及制造費用，還影響零件的機加工工藝，設備和刀具的消耗及工時訂額。正確的選用毛坯需要毛坯制造和機加工工藝人員緊密配合，兼顧冷熱加工兩個方面的要求。由于發(fā)動機工作時，凸輪軸承受氣門開啟的周期性沖擊載荷。所以，要求凸輪軸和支承軸頸表面應耐磨，凸輪軸本身應具有足夠的韌性和剛性。為此，凸輪軸的主要工作表面需經(jīng)熱處理

33、。 因為凸輪軸在加工時需要較強的加工性和經(jīng)濟性,并且對它的硬度也有較大的要求,因此選定凸輪軸的材料為20Cr。 3．7 凸輪軸的數(shù)據(jù)選定 1）支承軸頸 兩個支承軸頸的外圓尺寸φ80mm表面粗糙度Ra≤0.4 μm.。 2）凸輪 1，2，4，5位的凸輪基圓尺寸R500.2，3，6位的凸輪基圓尺寸R450.02，表面粗糙度Ra≤0.8 μm。 3）法蘭盤孔 左右法蘭盤孔尺寸為φ6.3 mm。 4）軸上油壁孔 軸上油壁孔尺寸為φ8 mm。 3．8 凸輪軸的直徑和長度選定 本課題所要設計的發(fā)動機為四汽缸,長度及直徑的數(shù)據(jù)初步取定為：凸輪軸的長度

34、取723mm，直徑取為80mm。 3．9 凸輪軸的結構設計 安裝帶輪處的直徑為50.8mm，帶輪輪轂取25mm，因此此處的寬度略短于輪轂寬度，取24.67mm，軸肩的直徑為55.88mm，寬度為4.83mm。如下圖： 圖3-5 具體數(shù)據(jù)見凸輪軸零件圖。 4．凸輪軸的工藝性分析 4．1 定位基準的選擇 定位基準有粗基準和精基準之分。工件加工的第一道工序或最初幾道工序中，只能用毛坯上未經(jīng)加工的表面作為定位基準，這種定位基準稱為粗精準。在以后的工序中則使用經(jīng)過加工的表面作為定位基準，這種基準稱為精基準。 粗基準的選擇： 1）合理分配加工余量的原則； 2）保證零件加工表

35、面相對于不加工表面具有一定位置精度的原則； 3）便于裝夾原則； 4）粗基準一般不得重復使用的原則。 精基準的選擇： 1）“基準重合”原則； 2）“基準統(tǒng)一”原則； 3）“互為基準”原則； 4）“自為基準”原則。 對于一般的軸類零件來說，其軸線即為它的設計基準。發(fā)動機凸輪軸遵循這一設計基準，由于凸輪軸各表面的加工難以在一次裝夾中完成，因此，減小工件在多次裝夾中的定位誤差，就成為保證凸輪軸加工精度的關鍵。本文采用兩頂尖孔作為軸類零件的定位基準，這不僅避免了工件在多次裝夾中因定位基準的轉換而引起的定位誤差，也可作為后續(xù)工序的定位基準，即符合“基準統(tǒng)一”原則。 這種方法不僅使工件的

36、裝夾方便、可靠。簡化了工藝規(guī)程的制定工作，使各工序所使用的夾具結構相同或相近，從而減少了設計、制造夾具的時間和費用，而且有可能在一次裝夾中加工出更多表面。這對于大量生產(chǎn)來說，不僅便于采用高效專用機床和設備以提高生產(chǎn)效率，而且也使得所加工的各表面之間具有較高的相互位置精度。 4．2 表面加工方法的選擇 1）加工方法選擇的步驟是首先確定被加工零件主要表面的最終加工方法，然后依次向前選定各預備工序的加工方法。 2）在被加工零件各表面加工方法分別初步選定后，還應綜合考慮為保證各加工表面位置精度要求而采取的工藝措施。 3）一個零件通常是由許多表面所組成，但各個表面的幾何性質不外乎是外圓、孔、平面

37、及各種成形表面等，因此，熟悉和掌握這些典型表面的各種加工方案對制定零件加工工藝過程是十分必要的。 4．3 加工階段的劃分和工序順序的安排 由于凸輪軸的加工精度較高，整個加工不可能在一個工序內全不完成。為了利于逐步地達到加工要求，所以把整個工藝過程劃分為三個階段，以完成各個不同加工階段的目的和任務。 發(fā)動機凸輪軸的加工的三個階段： 1) 粗加工階段包括車各支承軸頸和粗磨凸輪。該階段要求機床剛性好，切削用量選擇盡可能大，以便以提高生產(chǎn)率切除大部分加工余量。 2) 半精加工是精車各支承軸頸。 3) 精加工包括精磨各支承軸頸、止推面和凸輪加工。該階段加工余量和切削量小，加工精度高。 加工

38、順序的安排與零件的質量要求有關，工序安排是否合理，對于凸輪軸加工質量、生產(chǎn)率和經(jīng)濟性都有很大影響。對于各支承軸頸是按粗車——精車——精磨加工的，對于凸輪是按粗磨——精磨加工的，各表面的加工順序按從粗到精、且主要表面與次要表面的加工工序相互交叉進行，從整體上說，符合“先粗后精”的加工原則。 4．4 熱處理工序的安排 1）預備熱處理：退火與正火，通常安排在粗加工之前；調質，由于調質能得到組織細致均勻的回火索氏體，所以有時也用作預備熱處理，但一般在粗加工以后進行。 2）最終熱處理：由于調質的零件不僅有一定的強度和硬度，還有良好的沖擊韌性，綜合機械性能較好，因此，調質處理還常作為最終熱處理，一般

39、安排在精加工之前進行；淬火，可分為整體淬火和表面淬火兩種，常安排在精加工之前進行；滲碳淬火，對于低碳鋼或低碳合金鋼零件，當要求表面硬度高而內部韌性好時，可采用表面滲碳淬火；氮化處理，采用氮化工藝可以獲得比滲碳淬火更高的表面硬度和耐磨性、更高的疲勞強度及抗蝕性。 3）時效處理：時效處理有人工時效和自然時效兩種，目的都是為了消除毛坯制造和機械加工產(chǎn)生的內應力。 4）表面處理：某些零件為了進一步提高表面的抗蝕能力，增加耐磨性以及使表面美觀光澤，常采用表面處理工序，使零件表面覆蓋一層金屬鍍層、非金屬涂層和氧化膜等。 4．5 加工余量的確定 所謂加工余量，是指加工表面達到所需的精度和表面質量而應

40、切除的金屬表層。 1）分析計算法 加工外圓和孔時， 加工平面時， 為上工序與本工序的工序尺寸的公差，加工表面上的表面粗糙度，表面缺陷層的深度，空間位置誤差，裝夾誤差。 在無心外圓磨床上加工外圓時，本工序的裝夾誤差ε可略去不計，因此 2） 2）經(jīng)驗估計法。此法是根據(jù)工藝人員的經(jīng)驗確定加工余量的方法，常用于單件小批量生產(chǎn)。 3）查表修正法，此法是以生產(chǎn)實踐和實驗研究所積累的關于加工余量的資料數(shù)據(jù)為基礎，并結合實際加工情況進行修訂來確定加工余量的，生產(chǎn)中應用較為廣泛。 4．6 切削用量的確定 1）由工序余量確定背吃刀量，每個工步的余量最好在一次進給中切除； 2）根

41、據(jù)加工表面粗糙度要求確定進給量； 3）選擇刀具磨鈍標準及確定刀具耐用度； 4）確定切削速度，并按機床主軸轉速表選取接近的轉速； 5）校驗機床功率。 5．凸輪軸加工的主要工序說明 5．1 凸輪軸軸頸粗加工采用無心磨床磨削 無心磨床的磨削方式有2種：貫穿式無心磨削和切入式無心磨削。貫穿式無心磨削一般用于單砂輪，它的導輪是單葉雙曲面，推動凸輪軸沿軸向移動，僅僅用于磨削光軸。切入式無心磨削是由多砂輪磨削（若是單砂輪磨削，一般砂輪被修整成成型砂輪，如：磨削液壓挺柱的球面），如現(xiàn)有480凸輪軸的磨削，可磨削階梯軸，導輪為多片盤狀組合而成，工件不能沿軸向移動，無論是哪一種磨削方式，工件的中心都高

42、于砂輪和導輪的中心，一般切入式磨削都有上料工位、磨削工位、測量工位、卸料工位組成。砂輪線速度60m/s，軸頸徑向磨削余量可達3.5mm，單件磨削時間18s，單件工時25s。用無心磨床加工凸輪軸是一種新穎、獨特的新工藝，新方法，但又存在一定的局限性，特別是不易磨削軸肩和端面，一般不用于多品種凸輪軸的加工，只用于單一品種、大批量的生產(chǎn)，若要更換所加工的凸輪軸品種，就要更換導輪和砂輪，各砂輪間距需重新調整。切入式無心磨床的修整一般采用單顆粒金剛石修整，修整器所走的路線是凸字形，修整器靠模各段差值與凸輪軸的各段軸頸差值相等。粗磨凸輪軸軸頸所用的砂輪都屬于碳化物系列，粒度為60，砂輪線速度為45m/。

43、 5．2 銑端面，鉆中心孔 中心孔加工是以后加工工序的定位基準，在銑端面時，一般只限定5個自由度即可，用2個V型塊限定4個自由度，軸向自由度是由凸輪軸3#軸頸前端面或后端面（在產(chǎn)品設計中，該面應提出具體要求）。目前普遍采用的是自定心定位夾緊，密齒刀盤銑削。軸向尺寸保證后端面到毛坯的粗定位基準尺寸和整個凸輪軸長度，鑒于凸輪軸皮帶輪軸頸尺寸較小，鉆中心孔時一般選用B5中心鉆，鉆后的孔深用φ10鋼球輔助檢查，保證球頂?shù)胶蠖嗣娉叽绾?鋼球頂部之間的距離，這樣可保證以后定位的一致性。 5．3 凸輪軸的熱處理 熱處理：將原材料或未成品置于空氣或特定介質中，用適當方式進行加熱、保溫和冷卻，使之獲得人們

44、所需要的力學或工藝性能的工藝方法。 熱處理分類：一般熱處理、化學熱處理、表面熱處理 球墨鑄鐵凸輪軸一般都是等溫淬火。冷卻介質為10號、20號錠子油鹽浴或堿浴，淬火后經(jīng)140C-250C低溫回火，回火后的組織為黑色針葉狀馬氏體，硬度HRC50-54。 合金鑄鐵和鋼件凸輪軸一般采用中頻淬火：淬火頻率1000-10000Hz,一般選用7000Hz。也就是感應加熱表面淬火，其原理是：將凸輪軸的凸輪放入加熱線圈中，由于電流的集膚效應，使凸輪由外層向內加熱、升溫，使表層一定深度組織轉變成奧氏體，而后迅速淬硬的工藝，目前480凸輪軸采用自然回火的方法，其凸輪表面組織為針狀馬氏體。 凸輪軸經(jīng)表面熱處理

45、：可較大地提高零件的扭轉和彎曲疲勞強度和表面的耐磨性。 感應加熱淬火變形小、節(jié)能、成本低、勞動生產(chǎn)率高、淬火機可放在冷加工生產(chǎn)線上，便于生產(chǎn)管理。 480凸輪軸中頻淬火機在感應加熱時，要對電源、變壓器、感應線圈進行冷卻，要求冷卻水的溫度在25C-30C,淬火冷卻液的溫度為53C-62C，若機床本身達不到要求，必須在機床外提一套附加冷卻裝置，用來給冷卻水制冷。 5．4 主軸頸快速點磨加工 快速點磨是德國勇克公司開發(fā)出來的一種先進的外圓高效磨削新工藝，該機床加工凸輪軸只需兩頂尖定位夾緊，無需任何夾緊工具，利用前頂尖的高速旋轉，通過頂尖和凸輪軸中心孔的摩擦來驅動工件運動，可以實現(xiàn)軸類零件在一

46、次裝夾后，用一片砂輪完成7個軸頸、一個端面和一個磨削圓角的工藝。 快速點磨砂輪是橫向磨損，在磨損過程中，被磨削的凸輪軸外形尺寸不會因此而發(fā)生變化，磨削端面時，砂輪可傾斜0.5，使砂輪與工件的接觸面只有傳統(tǒng)磨削端面的1/2。 5．5 凸輪的加工 現(xiàn)代的凸輪軸加工用數(shù)控磨削，具有如下特點： 1）用一套數(shù)控裝置（目前世界上最新的是西門子480D和FANAC210i）既控制工件主軸的無級變速旋轉和分度又控制砂輪架按凸輪型面的升程數(shù)值和降程數(shù)值的往復運動及橫向進給。 2）工件主軸由NC裝置控制的伺服電機驅動，實現(xiàn)無級變速傳動，不僅可以實現(xiàn)粗磨和精磨所需要的不同轉速，而且可以實現(xiàn)工件主軸在每轉內

47、按凸輪不同曲線進行自動變速磨削。這可以使凸輪型面上每一磨削點的線速度，金屬切削量和磨削力基本一致，對保證凸輪表面的磨削質量是非常重要的。 3）砂輪可實現(xiàn)高速、恒線速度磨削。如480凸輪軸kopp磨床80m/s. 4）具有較大的柔性。CNC裝置可以存貯20個凸輪輪廓數(shù)據(jù)和9個磨削數(shù)據(jù)。滿足了凸輪軸多品種變化的柔性生產(chǎn)需要。 5）砂輪主軸采用內平衡裝置，取代了以前的液力平衡裝置和機械平衡裝置，平衡精度高，砂輪幾乎不抖動，提高凸輪型面的磨削精度。 6）采用金剛滾輪修整，修整時采用聲速傳感器來控制每次砂輪修整量，能得到好的砂輪修整精度，并且每次砂輪修整后NC裝置能自動記憶并補償。 7）采用C

48、BN砂輪，剛換上的新砂輪與換下來廢砂輪之間半徑方向只有4.5-5mm，從而保證凸輪型面的一致性。 5．6 凸輪軸的拋光 凸輪軸的主軸頸、油封軸頸要求表面粗糙度0.2，所以必須除去主軸頸和油封軸頸的表面磷化膜，為了保證主軸頸和油封軸頸表面粗糙度，必須對它們進行拋光處理，在拋光過程中，由于摩擦生熱少，磨；粒散熱時間長，可有效地減少工件的變形、燒傷，主要是提高表面的加工精度，使凸輪軸軸頸獲得光亮光滑的表面，但不能提高產(chǎn)品尺寸和幾何精度，對零件的形位誤差不產(chǎn)生任何改變，按目前的工藝水平，拋光砂帶采用紙質砂帶，砂粒的粒度280—320，拋光液選用煤油，拋光機的專用工裝為硬質樹脂制的上下兩個半

49、圓。 5．7 凸輪軸的探傷 由于凸輪與挺桿接觸時，表面接觸應力較大，凸輪表面不允許有任何缺陷，所以凸輪軸表面需要經(jīng)過探傷，探傷分為兩類：磁粉探傷和熒光探傷，主要探測凸輪在淬火過程中產(chǎn)生的淬火裂紋和磨削過程中產(chǎn)生的磨削裂紋。探傷也是一種無損檢測方法，按現(xiàn)有的生產(chǎn)水平，熒光探傷比較干凈，優(yōu)于磁粉探傷，因為磁粉探傷除了要配置磁懸液外，現(xiàn)場生產(chǎn)也難得保持干凈，并且經(jīng)過退磁后，仍然有一部分磁通量流在凸輪軸上。 5．8 凸輪軸的清洗 凸輪軸不僅僅要進行表面清洗，更主要的是主油道的清洗和油孔的清洗，防止鐵屑等臟物滯留在主油道孔的搭結處，除去油孔孔口毛刺，一般來講，單根凸輪軸的清潔度為

50、10毫克左右，若清潔度超標，將加速發(fā)動機零件的磨損，縮短發(fā)動機的壽命，清洗后的凸輪軸，還要吹干，涂上防銹油，并且做好防塵工作，存放在零件庫內。 6．凸輪軸的工藝設計說明分析 6．1 凸輪軸的毛坯數(shù)值的選定 根據(jù)凸輪軸的軸長723mm，凸輪軸的主軸頸的直徑為80mm，確定毛坯的數(shù)據(jù)如下圖： 圖6-1 根據(jù)《機械加工余量手冊》表5-10,確定外徑的長度為80mm. 6．2 定位基準 車端面及鉆中心孔可得到定位基準，如下圖： 圖6-2 用車床車端面,根據(jù)《加工余量手冊》表5-25,將毛坯長度加工為719mm,用A5的中心鉆加工中心孔。 6．3 粗車外圓 具體尺寸如下圖： 圖6

51、-3 根據(jù)《機械加工余量手冊》表5-14,粗車加工余量為3mm，帶輪處取9mm。 6．4 劃軸向尺寸線 劃主軸頸尺寸及凸輪的尺寸線如下圖： 圖6-4 6．5 粗加工切槽 用CA6140A車床,外圓車刀加工上步中所劃的尺寸,查《機械加工余量手冊》表3-22,所有桿部與軸線為基準的圓度為0.3，車圓至58mm，如下圖： 圖6-5 6．6 半精車外圓 將主軸頸外圓以及凸輪的外圓車到指定的大小。查《機械加工余量手冊》表5-14，由于車加工后還要進行磨削加工，主軸頸、凸輪加工余量取1.6mm。查《機械加工余量手冊》表3-21取以軸心線為基準的圓跳動為0.3，如下圖： 圖6-

52、6 6．7 粗磨主軸頸 查《機械加工余量手冊》，車加工后磨削加工數(shù)據(jù)根據(jù)表5-15，加工余量取0.3mm，帶輪直徑處加工余量取0.5mm，查《機械加工余量手冊》表3-21取以軸心線為基準的圓跳動為0.2，如下圖： 圖6-7 6．8 熱處理 由于除凸輪未加工所有部位已經(jīng)進行了半精加工，剩下的只是小范圍加工，根據(jù)材料的性能，對其進行涂防滲碳保護層，和滲碳噴丸，并進行校直。 6．9 研磨中心孔 祛除熱處理后的氧化皮，用煤油和細紗研磨以便達到最佳效果，如下圖： 圖6-8 6．10 再次粗磨主軸頸 查《機械加工余量手冊》表5-15，熱處理后粗磨加工余量取0.2mm

53、，《機械 加工余量手冊》表3-21取以軸心線為基準的圓跳動為0.06. 圖6-9 6．11 精加工軸向尺寸 具體數(shù)據(jù)如下圖： 圖6-10 6．12 精車桿部及R角 具體數(shù)據(jù)如下圖： 圖6-11 安排在這里，主要是為了方便后面的數(shù)控加工凸輪。 6．13 數(shù)控精切總長 這里將毛坯的多余長度切掉，方便在數(shù)控凸輪磨床里面的定位，如下圖： 圖6-12 6．14 粗磨凸輪 將凸輪在專用凸輪磨床里面進行加工，一次性加工到位，該數(shù)控磨床為蘭帝斯專用數(shù)控凸輪磨床，如下圖： 圖6-13 6．15 熱處理 已經(jīng)初見凸輪軸外型了，進行二次熱處理，包括噴丸、

54、回火及熱處理后校直。 6．16 加工小頭和法蘭 先加工小頭端面，包括平小頭面及加工中心孔（用A6.3中心鉆）。加工法蘭端面及中心孔，《機械加工余量手冊》表3-21取以軸心線為基準的圓跳動為0.1，如下圖： 圖6-14 6．17 半精磨主軸 查《機械加工余量手冊》，根據(jù)表5-15，加工余量取0.2mm，《機械加工余量手冊》表3-21取以軸心線為基準的圓跳動為0.025，如下圖： 圖6-15 6．18 磨小頭及零件基面 對磨帶輪軸處，熱處理后半精磨加工查《機械加工余量手冊》表5-15，加工余量取0.9mm，對軸肩處加工余量為0.45mm。對軸肩出倒圓角為r0.1

55、.5?！稒C械加工余量手冊》表3-21取以軸心線為基準的圓跳動為0.025，如下圖： 圖6-16 6．19 銑鍵槽 在萬能銑床上面銑鍵槽是用V型塊夾具來支撐的，加工鍵槽時要保證其對稱度，鍵槽的對稱度是通過V型塊夾具和可調定位銷來保證的，如下圖： 圖6-17 6．20 粗磨帶輪位 對于帶輪處，查《機械加工余量手冊》表5-15，加工余量取0.2mm。倒角取R0.75，如下圖： 圖6-18 6．21 粗磨主軸頸 查《機械加工余量手冊》表5-15，加工余量取0.075mm。 6．22 粗磨凸輪 同樣用蘭帝斯專用數(shù)控凸輪磨床精加工凸輪。 6．23 具體工藝

56、流程表 至此，凸輪軸的設計工藝說明過程初步擬定，具體的工藝流程如下表： 表6-1 工藝流程表 工序號 工序名稱 設備名稱 1 來料檢查（下料） 鋸床 2 銑鉆中心孔 銑床 3 粗車外圓 普車 4 劃軸向尺寸線 數(shù)控車床 5 粗加工切槽 普車 6 半精車外圓 普車 7 磨主軸頸 外圓磨床 8 熱處理 9 研磨中心孔 普通車床 10 粗磨主軸頸 外圓磨床 11 精加工軸向尺寸 數(shù)控車床 12 精車干部及R角 普通車床 13 數(shù)控精切總長 數(shù)控車床 14 平小頭面及中心孔 普通車床 15 倒角 普通

57、車床 16 粗磨凸輪 蘭弟斯數(shù)控磨床 17 在次熱處理（淬火） 淬火機 18 回火、噴丸校直 校直機 19 研磨中心孔 普車 20 平法蘭端面及鉆鉸法蘭孔 普通車床 21 半精磨主軸頸 磨床 22 磨小頭及零件基準面 外圓磨床 23 銑鍵槽 銑床 24 精磨帶輪位 外圓磨床 25 精磨主軸頸 外圓磨床 26 精磨凸輪 蘭弟斯數(shù)控磨床 27 拋光主軸及凸輪 拋光機 28 探傷、退磁 探傷機/退磁機 29 總檢、交倉 技術要求: 第一，產(chǎn)品不允許有化學腐蝕燒傷； 第二，凸輪升程（回程）誤差按成品圖要求，基圓

58、半徑變差在0.4mm以內； 第三，產(chǎn)品不允許碰傷。 7．總結和展望 汽車發(fā)動機制造業(yè)目前競爭激烈，建立符合中國國情和工廠實際的零部件加工生產(chǎn)線，制定合適的加工工藝，并選用可靠經(jīng)濟的設備，對降低產(chǎn)品成本，保證產(chǎn)品質量，提高競爭力有很大的現(xiàn)實意義。凸輪軸作為汽車發(fā)動機的關鍵部件之一，其性能與質量直接影響發(fā)動機整機性能。本文針對四缸發(fā)動機凸輪軸的加工特點，對凸輪軸的加工工藝進行了深入的研究。主要解決了以下問題： 1） 利用解析法和反轉法原理，對凸輪形狀的設計進行計算推導； 2） 根據(jù)凸輪軸加工特點，優(yōu)化選擇了加工設備； 3） 詳細分析了凸輪軸的加工特點和加工難點，優(yōu)化設計了合理的加工工藝

59、。 在實際凸輪軸加工中，應該結合工廠實際，在建立一條集先進性與經(jīng)濟性統(tǒng)一的凸輪軸生產(chǎn)線的過程中，從前期規(guī)劃開始，對凸輪軸的加工工藝、設備和檢測進行深入研究。根據(jù)產(chǎn)品要求，制定合理的凸輪軸生產(chǎn)線節(jié)拍、平面布置和工藝路線。 參考文獻： [1] 濮良貴，紀名剛.機械設計（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2005. [2] 孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2005. [3] 梅順齊，何雪明.現(xiàn)代設計方法[M].武漢：華中科技大學出版社，2009. [

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63、ls of Machine Design[M] .Matson：Mir Pub,1987. 致 謝 四年的讀書生活在這個季節(jié)即將劃上一個句號，而于我的人生卻只是一個逗號，我將面對又一次征程的開始。四年的求學生涯在師長、親友的大力支持下，走得辛苦卻也收獲滿囊，在論文即將付梓之際，我要感謝我的導師，您治學嚴謹，學識淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了宏偉的學術目標，領會了基本的思考方式，從論文題目的選定到論文寫作的指導，經(jīng)由您悉心的點撥，再經(jīng)思考后的領悟，讓我的論文逐漸變得完美。 從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯謝意！ 另外，感謝學校給予我這樣一次機會，能夠獨立地完成一個課題，并在這個過程當中，給予我們各種方便，使我們在即將離校的最后一段時間里，能夠更多學習一些實踐應用知識，增強了我們實踐操作和動手應用能力，提高了獨立思考的能力。再一次對我的母校表示感謝。 第 37 頁 共 37 頁