PAGEPAGE27畢業設計論文凸輪軸的設計與加工工藝的編制摘要凸輪軸作為汽車發動機配氣機構中的關鍵部件，其性能直接影響著發動機整體性能。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、減少生產環節以及合理布置凸輪軸生產線具有很大的現實意義。本文針對凸輪軸的加工特點，結合工廠的實際，從前期規劃開始，對凸輪軸的加工工藝進行了深入的分析、研究。建立了用數控無靠模方法。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動機凸輪軸的加工方法。關鍵詞：發動機；凸輪軸；工藝分析ProductionProcessandTechnologyofCamshaftforAutomobile[Abstract]CamshaftEngineValveasakeycomponentinitsperformancedirectlyaffectstheoverallperformanceoftheengine.

Therefore,theprocessingtechnologycamshafthasspecificrequirementsforareasonableprocesstoreduceprocessingcosts,reduceproductionprocessesandtherationalarrangementofthecamshaftproductionlineofgreatpracticalsignificance.

Inthispaper,theprocessingcharacteristicsofthecamshaft,withtheactualplant,startingfromthepre-planning,onthecamshaftoftheprocessconductedin-depthanalysisandresearch.

EstablishedbythemodelwiththeNC-freemethod.

Convexcontourshapeofcalculatedandpulleddowntheprocessingofthecamprofilearediscussedandmadeapplicabletotheprocessingmethodoftheenginecamshaft.

Keywords:engine;camshaft;ProcessAnalysis

第一章引言凸輪軸是汽車發動機配氣機構中重要的零件，凸輪軸的結構設計與加工質量好壞，直接影響發動機的性能。凸輪軸專司控制內燃機進氣門和排氣門開啟和關閉的時間。就其功能而言，凸輪軸多少年來都沒有什么改變。自從氣門控制的內燃機問世以來，直至今天凸輪軸還是以曲軸轉速之半運轉。但是，凸輪軸設計的發展從來都沒有停止過:在現代發動機中，凸輪軸的位置已經從下置式改成了上置式。上置式凸輪軸通過挺桿、圓柱齒輪、鏈條、搖臂或者輥子隨動件驅動頂置式氣門。此外，由于采用多氣門的緣故，每一臺內燃機凸輪軸的數量也增加了。還開發了各種各樣可變氣門定時的凸輪軸。同時，在材料和制造工藝上也發生了改變。近年來，又因環境保護的需要，正在開發低油耗、無污染的汽車發動機。為解決汽車尾氣無污染排放問題，實現發動機的高轉速、高輸出功率，許多發動機采用多氣門及配氣相位、氣門升程可變的結構，這就增加了氣門彈簧的載荷。同時，為降低油耗及摩擦損耗，輪與搖臂間采用滾子結構，凸輪與滾子的接觸面形成高壓力區。另外，為達到汽車輕型化、低成本的目的，在不影響各個零件性能要求的前提下，應該使零件盡可能簡化加工、降低重量，材料使更趨合理。為實現上述目標，對發動機部件，尤其是凸輪軸的設計必須重新考慮，要求其結構緊湊、質量小，能承受更高接觸壓力，更好的耐膠著、耐點蝕、耐磨損的能力。在配氣機構中，對凸輪軸各個部位的性能要求是不同的。對于凸輪，要求耐磨損、耐膠著、耐點蝕;對于軸頸要求滑動性能好；對于軸則要求剛性、彎曲、扭轉性能好。傳統的凸輪軸主要是鑄造或鍛造加工而成，各部位金屬性能相同。這種由單一金屬組成的凸輪軸很難達到上述要求。因此，質量小、加工成本低、材料利用合理的裝配式凸輪軸（圖1-1）受到業內人士的高度重視。目前在汽車工業發達國家，裝配式凸輪軸制造新技術已應用于生產中。而且，這一改變進程還沒有到達發展的盡頭，因為采用電磁氣門驅動系統的無凸輪軸內燃機離成批生產還需要時間。凸輪軸是一種不斷地加速和減速的旋轉質量。這種加速和減速伴隨著能量的消耗。減輕凸輪軸的質量可以對內燃機節能發揮積極影響。所以今天凸輪軸上的創新往往與減輕重量分不開。第二章凸輪軸工作特性2.1凸輪軸的概念凸輪軸是發動機配氣機構的一部分，專門負責驅動氣門按時開啟和關閉，作用是保證發動機在工作中定時為汽缸吸入新鮮的可燃混合氣，并及時將燃燒后的廢氣排出汽缸。凸輪軸直接通過搖臂驅動氣門，很適用于高轉速的轎車發動機，由于轉速較高，為保證進排氣和傳動效率、簡化傳動機構、降低高轉速的振動和噪音，多采用頂置式氣門和頂置式凸輪軸，這樣，發動機的結構也比較緊湊。但任何事物都有兩面性，頂置式凸輪軸的缺點是由于部件的布置設計比較復雜，維修起來也比較麻煩。但衡量利弊，它還是比較適合于轎車。2.2凸輪軸的作用凸輪軸是發動機配氣機構的一部分，專門負責驅動氣門按時開啟和關閉，作用是保證發動機在工作中定時為汽缸吸入新鮮的可燃混合氣，并及時將燃燒后的廢氣排出汽缸。凸輪軸直接通過搖臂驅動氣門，很適用于高轉速的轎車發動機，由于轉速較高，為保證進排氣和傳動效率、簡化傳動機構、降低高轉速的振動和噪音，多采用頂置式氣門和頂置式凸輪軸，這樣，發動機的結構也比較緊湊。但任何事物都有兩面性，頂置式凸輪軸的缺點是由于部件的布置設計比較復雜，維修起來也比較麻煩。但衡量利弊，它還是比較適合于轎車。2.3凸輪軸的特點１．凸輪軸的結構凸輪軸凸輪軸的主體是一根與汽缸組長度相同的圓柱形棒體。上面套有若干個凸輪，用于驅動氣門。凸輪軸的一端是軸承支撐點，另一端與驅動輪相連接。凸輪的側面呈雞蛋形。其設計的目的在于保證汽缸充分的進氣和排氣，具體來說就是在盡可能短的時間內完成氣門的開、閉動作。另外考慮到發動機的耐久性和運轉的平順性，氣門也不能因開閉動作中的加減速過程產生過多過大的沖擊，否則就會造成氣門的嚴重磨損、噪聲增加或是其它嚴重后果。因此，凸輪和發動機的功率、扭矩輸出以及運轉的平順性有很直接的關系。一般來說直列式發動機中，一個凸輪都對應一個氣門，V型發動機或水平對置式發動機則是每兩個氣門共享一個凸輪。而轉子發動機和無閥配氣發動機由于其特殊的結構，并不需要凸輪。雖然在四沖程發動機里，凸輪軸的轉速是曲軸轉速的一半，但是它的轉速依然很高，而且需要承受很大的轉矩，因此對凸輪軸的強度和可靠支撐方面的要求很高。凸輪軸的主體是１根與氣缸組長度相同的圓柱體，上面加工有若干個凸輪，凸輪軸的材質一般是特種鑄鐵，有時也采用鍛剛和合金制造。大多數凸輪軸的內部被制造成中空結構，這不僅可以降低凸輪軸的質量，同時也提高了凸輪軸承受載荷的能力。凸輪軸上還加工有潤滑油道，潤滑油由此經過，為凸輪軸、搖臂軸以及搖臂等部件提供潤滑。圖2-1所示是三菱４Ｇ６３ＤＯＨＣ發動機使用的凸輪軸。圖2-1２．凸輪軸的位置凸輪軸在以前很長的一段時間里，底置式凸輪軸在內燃機中最為常見。通常這樣的發動機中，氣門位于發動機的頂部，即所謂的OHV（OverHeadValve，頂置氣門）式發動機。此時通常凸輪軸位于曲軸箱的側面，通過配氣機構（如挺桿、推桿、搖臂等）對氣門進行控制。因此底置式凸輪軸一般也叫側置式凸輪軸。由于在這樣的發動機中凸輪軸距離氣門較遠，而且每個氣缸通常只有兩個氣門，因此轉速通常較慢，平順性不佳，輸出功率也比較低。不過這種結構的引擎輸出扭矩和低速性能比較出色，結構也比較簡單，易于維修?，F在大多數量產車的發動機配備的是頂置式凸輪軸。頂置式凸輪軸結構使凸輪軸更加接近氣門，減少了底置式凸輪軸由于凸輪軸和氣門之間較大的距離而造成的往返動能的浪費。頂置式凸輪軸的發動機由于氣門開閉動作比較迅速，因而轉速更高，運行的平穩度也比較好。較早出現的頂置式凸輪軸結構的發動機是SOHC（SingleOverHeadCam，頂置單凸輪軸）式發動機。這種發動機在頂部只安裝了一根凸輪軸，因此一般每個汽缸只有兩到三個氣門（進氣一到兩個，排氣一個），高速性能受到了限制。而技術更新一些的則是DOHC式（DoubleOverHeadCam，頂置雙凸輪軸）發動機，這種發動機由于配備了兩根凸輪軸，每個汽缸可以安裝四到五個氣門（進氣二到三個，排氣二個），高速性能得到了顯著的提升，不過與此同時低速性能會受到一定的影響，結構也會變得復雜，不易維修。發動機的凸輪軸安裝位置有下置、中置、頂置三種形式。轎車發動機由于轉速較快，每分鐘轉速可達5000轉以上，為保證進排氣效率，都采用進氣門和排氣門倒掛的形式，即頂置式氣門裝置，這種裝置都適合用凸輪軸的三種安裝形式。但是，如果采用下置式或者中置式的凸輪軸，由于氣門與凸輪軸的距離較遠，需要氣門挺桿和挺柱等輔助零件，造成氣門傳動機件較多，結構復雜，發動機體積大，而且在高速運轉下還容易產生噪聲，而采用頂置式凸輪軸則可以改變這種現象。所以，現代轎車發動機一般都采用了頂置式凸輪軸，將凸輪軸配置在發動機的上方，縮短了凸輪軸與氣門之間的距離，省略了氣門的挺桿和挺柱，簡化了凸輪軸到氣門之間的傳動機構，將發動機的結構變得更加緊湊。更重要的是，這種安裝方式可以減少整個系統往復運動的質量，提高了傳動效率。３．凸輪軸的分類凸輪軸按凸輪軸數目的多少，可分為單頂置凸輪軸(SOHC)和雙頂置凸輪軸(DOHC)兩種。單頂置凸輪軸就是只有一根凸輪軸，雙頂置凸輪軸就是有兩根。單頂置凸輪軸在氣缸蓋上用一根凸根軸，直接驅動進、排氣門，它具有結構簡單，適用于高速發動機。以往一般采用的側置凸輪軸，即凸輪軸在氣缸側面，由正時齒輪直接驅動。為了把凸輪軸的轉動變換為氣門的往復運動，必須使用氣門挺桿來傳遞動力。這樣，往復運動的零件較多，慣性質量大，不利于發動機高速運動。而且，細長的挺桿具有一定的彈性，容易引起振動，加速零件磨損，甚至使氣門失去控制。頂置雙凸輪軸是在缸蓋上裝有兩根凸輪軸，一根用于驅動進氣門，另一根用于驅動排氣門。采用雙頂置凸輪軸對凸輪軸和氣門彈簧的設計要求不高，特別適用于氣門V形配置的半球形燃燒室，也便于和四氣門配氣機構配合使用。4．凸輪軸毛坯的種類在制定工藝規程時，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熱處理。對于凸輪軸材料目前國內外主要選用鑄鐵（冷硬鑄鐵，可淬硬鑄鐵，球墨鑄鐵）和鋼（中碳鋼，滲碳鋼）。第三章國內外凸輪軸的生產與研究概況3.1國外凸輪軸的生產方法a、鋼質鍛造毛坯經切削加工后，凸輪桃尖部分頻淬火形成馬氏體層。b、20世紀70年代末德國和法國相繼開發了凸輪軸氬弧重熔新工藝。在電弧高溫作用下，利用氬氣層流的保護，在凸輪表面形成微小熔池，電弧轉移后，靠工件自身吸熱使熔池激冷而得到細小的萊氏體。體組織。這種方法的優點是凸輪的晶粒細小、耐磨性比冷硬鑄鐵高、易于實現機械化、質量穩定、廢品率低、成本低等。目前，我國已引進了此項技術。c、以美國為主的可淬硬鑄鐵凸輪軸。它是用合金鑄鐵凸輪軸毛坯通過高、中頻淬火，在凸輪周邊獲得回火馬氏體、少量碳化物、少量殘余奧氏體及細條狀石墨混合組織的耐磨層，其中細條狀石墨有儲油、自潤滑作用。這種凸輪軸的抗擦傷性次于冷硬鑄鐵凸輪軸，但比鋼質凸輪軸好；抗疲勞能力比冷硬鑄鐵凸輪軸好，但比鋼質凸輪軸差。d、以日本和法國為主的冷硬鑄鐵凸輪軸。e、組合式凸輪軸3.2國內凸輪軸的生產方法a、鋼質鍛造毛坯或合金鑄鐵毛坯經切削加工后，凸輪桃尖部分經高頻淬火形成馬氏體層。如一汽CA1091型汽油機凸輪軸用45號鋼；上海汽車鑄造總廠采用殼型加鋼丸填充物生產凸輪軸毛坯，然后凸輪桃尖表面淬火，此法需要投入鋼丸回收設備，工藝較復雜。b、凸輪部位用Cr-Mn-Mo合金涂料進行鑄件表面合金化，獲得一定厚度的白口層，從而保證工作部位的硬度，提高了耐磨性（如四川銅江機械廠）。c、冷硬鑄鐵凸輪軸。江西凸輪軸廠采用普通粘土砂造型，生產493QCr-Mo-Ni冷硬鑄鐵凸輪軸(0.8%～1.0%Cr、0.15%～0.25%Mo、0.15%～0.25%Ni)國營102廠采用304樹脂自硬砂造型生產(Cr-Mo-Cu)冷硬鑄鐵凸輪軸(0.25%～0.40%Cr、0.25%～0.40%Mo、0.80%～1.2%Cu)。東風本田公司采用殼型覆膜砂造型生產QCr-Mo-Ni-Te冷硬鑄鐵凸輪軸(0.45%～0.65%Cr、0.60%～0.80%Mo、0.8%～1.1%Ni、0.0004%～0.0007%Te)。僅凸輪桃尖180°采用冷鐵激冷，每個凸輪只需一個冷鐵，殼型砂樹脂和殼型粘結劑均為日本進口，該公司也曾經生產過此種凸輪軸。表3-1幾種主要鑄鐵凸輪軸工藝及性能特點對照表冷激鑄鐵凸輪軸可淬硬鑄鐵凸輪軸氬弧重熔鑄鐵凸輪軸生產工藝在鑄型內形成凸輪的型腔周邊需要耐磨的地方放置冷鐵塊，當高溫鐵水澆入型腔時，利用冷鐵塊對高溫鐵水的激冷作用，使凸輪表面獲得萊氏體組織（即白口鐵）的耐磨層用合金鑄鐵凸輪軸毛坯通過火焰（或中頻）淬火，使凸輪周邊獲得回火馬氏體加少量碳化物加少量殘余奧氏體及細條狀石墨混合組成的耐磨層采用高熔點的鎢棒作電極，在氬氣層流的保護下，依靠不熔化的鎢棒與凸輪之間產生的電弧熔化鑄鐵表面，在凝固使凸輪表面由原來的珠光體轉變為萊氏體耐磨層凸輪表面組織萊氏體（含有大量針狀碳化物）回火馬氏體加少量碳化物加少量殘余奧氏體及細條狀石墨萊氏體抗磨能力特別好較好與冷激鑄鐵凸輪軸相當抗擦傷性能特別好次于冷激鑄鐵凸輪軸，比鋼質凸輪軸好與冷激鑄鐵凸輪軸相當抗疲勞能力較差較好，但比鋼質凸輪軸差可與淬硬鑄鐵凸輪軸相當市場占有量約64%約20%約16%優點生產工序少、耗能少、成本最低鑄造工藝較為簡單化學成分對金相組織的影響不如激冷凸輪軸敏感，抗點蝕能力比激冷凸輪軸略高缺點抗疲勞能力較差需通過火焰（或中頻）淬火、能耗大，成本也較高重熔前需將凸輪軸預熱、保溫、緩冷，工藝復雜、成本高應用汽車凸輪軸、挺桿應用最廣泛中、小型高速發動機上，以美國為主以德國大眾為主第四章凸輪軸毛坯生產的發展狀況及發展趨勢傳統工藝均采用整體式鍛造或鑄造法生產凸輪軸。近年來，隨著發動機結構的改進和向小型化的發展，凸輪軸潤滑方式由浸油潤滑改為中心孔通油到軸徑潤滑，以減少發動機高度和潤滑泄漏。隨著發動機結構的改進空心凸輪軸問世了，隨著市場對先進發動機需求量的增大，空心凸輪軸將隨之成為今后凸輪軸的主流產品。最初，空心凸輪軸制造工藝大多是使用實心鑄造凸輪軸毛坯鉆削中心孔，由于鑄件易出現組織偏析，性能不均勻現象，這使得細長中心孔的鉆削加工變得十分困難，經常發生鉆偏或鉆頭卡斷現象。而采用鑄造工藝直接鑄出凸輪軸中心孔，又會形成偏心，有時甚至發生軸徑小油孔不能與中心孔相通的情況。基于上述事實，發達國家中像美國Ford、GM、Chrysler，法國Renault，德國VW、意大利Fiat等汽車公司的發動機廠家開始研制、使用組合式空心凸輪軸。組合式凸輪軸技術的發展經歷三代：第一代熱裝法。裝配間隙要求嚴格，鋼管和凸輪內孔需要精確加工，效率低，10分鐘左右裝配一根，相位角控制困難，扭矩可靠性差；第二代鍵連接式。凸輪內孔加工出鍵槽，鋼珠通過鋼管內擠壓，形成鍵連接。該方法工藝復雜，設備昂貴。第三代內高壓液壓裝配。該方法為最新裝配技術，具有效率高，易于控制，連接可靠等優點，適合批量生產。目前，國外發動機廠家組合式空心凸輪軸的裝配方法大多還停留在第一代和第二代裝配方法，第三代內高壓液壓裝配方法剛剛開始應用。圖4-1為英國BallBurnishingMachineTools公司采用專用粘結劑制造的組合式凸輪軸，圖4-2為美國Torrington公司采用鍵連接式制造的組合式凸輪軸，用于北美和歐洲的轎車、輕型卡車上。而我國仍主要采用鉆孔制造空心凸輪軸，南方個別廠家利用熱裝法為國外制造空心凸輪軸。哈爾濱工業大學苑世劍教授等在國內首先進行了組合式空心凸輪軸內高壓液壓裝配技術的研究，在哈工大的400MPa內高壓成形機上，進行了激冷鑄鐵凸輪單元與鋼管的裝配試驗和468凸輪軸裝配試驗。初步掌握了組合式空心凸輪軸制造工藝的模具設計、工藝過程及關鍵參數。（圖4-3）、（圖4-4）是哈工大在東安發動機公司鑄鍛廠的配合下研制的鋼管尺寸為F18mm×3mm的HITCAM-1A組合式空心凸輪軸樣件照片。將所研制的HITCAM-1A組合式空心凸輪軸（進氣、排氣各1支）安裝到東安發動機公司DA468型發動機中，在全速全功率發動機試驗臺上進行了300h的運轉，并定時檢驗裝機運行可靠性、裝機前后凸輪相位角變化、發動機輸出功率等相關指標。經裝機考核，發動機工作正常，未出現異?，F象。HITCAM-1A組合式凸輪軸的強度、剛度及抗扭性能均滿足發動機的使用要求。裝機試驗完成后，經檢測該凸輪軸的相位角尺寸未發生變化，達到了設計要求。組合式空心凸輪軸制造原理：由一根厚壁鋼管和若干帶中心孔的凸輪和軸徑，在模具內按一定間距和相位角布置（見圖4-5），通過鋼管內部施加高壓液體使與凸輪和軸徑對應的鋼管部位產生塑性變形，凸輪和軸徑產生彈性變形，卸載后凸輪和軸徑回彈形成與鋼管脹接。圖4-1英國公司研制的組合式凸輪軸圖4-2美國公司研制的組合式凸輪軸Fig.4-1TheassembledcamshaftofFig.4-2TheassembledcamshaftofBritishcompanyAmericancompany圖4-3哈工大研制的鋼管尺寸為F18mm×3mm的組合式空心凸輪軸Fig.4-3AssembledhollowcamshaftwiththesizeofF18mm×3mmproducedbyHIT圖4-4DA468組合式凸輪軸成品Fig.4-4ThefinishedproductofDA468assembledcamshaft圖4-5組合式凸輪軸裝配原理Fig.4-5Theassemblytheoryofassembledcamshaft第五章凸輪軸工藝設計5.1凸輪軸工藝設計的概述凸輪軸零件設計的任務是讓我們綜合運用我們所學的機械設計基礎、數控編程、CAD技術、機械制圖、機械制造原理、機械加工、機械制造工藝等知識，來完成凸輪軸零件的三維造型設計、凸輪軸零件工藝規程文件編制、相關數控程序編制和相關夾具的設計。通過這一環境的訓練，使我不但更加深入了解畢業設計的基本理論、基本知識、而且學會使用這些理論、基本知識去了解解決工程中的問題。這次畢業設計的目的就是要對機械零件的加工設計制造過程有所了解，也是為了鞏固所學的關于機械設計加工的理論知識,培養分析和解決問題的能力,提高自己的設計能力和創新設計能力。5.2凸輪軸設計的作用在進行凸輪軸工藝設計的時候勇于創新，從這個過程中可以學到很多東西。凸輪軸是一個比較復雜的曲軸，也是一個精密零件，所以在各方面加工要求都比較高，在加工以前要對凸輪軸零件材料加以精細選擇，作為以后加工的基礎，設計加工時對該件的尺寸規格要求都相當嚴格，每進行一步都要慎重考慮。這次設計將運用計算機輔助制圖軟件，優化設計。在提高生產效率、提高產品質量的前提下，尋求最好的工藝方案，以至于減少生產過程中的成本。這些將在工藝和編程上得到體現。它的尺寸要求也比較嚴格，每一個凸輪的角度都要控制在公差范圍內。但是還有一些復雜的問題得到改善，在工藝規程設計方面也欠佳，編程方面也不是很完好以及其他地方還存在很大的問題。這次設計將我所學知識融會貫通，讓我提高了許多。5.3凸輪軸設計的結果和意義這樣的一次畢業實踐設計，讓我們進一步培養了自己分析總結和表達能力，也鞏固，深化了在設計過程中所獲得的知識，也是對我們以往所學知識的一個考驗。它是通過對相關課程的內容進行有機融合，使課程內容與崗位能力的培養緊密結合，使我們在畢業實踐與設計過程中，能把所學的知識與崗位實踐聯系起來，達到崗位的要求。通過畢業設計讓我明白，自己在哪些方面還是薄弱的，欠缺的。借此機會再認真地補一下，在以后的學習和工作中注意這些。積少成多，讓我明白學習的重要性，勇于置疑讓我明白只有在不斷的發問中才能增長自己的見識，學以致用更是掌握知識，技巧的基礎，現學現用更能鞏固所學知識。5.4凸輪軸零件分析5.4.1加工要求在選擇各表面、孔及槽的加工方法時，要考慮加工表面的精度和表面粗糙度要求，根據各加工表面的技術要求，選擇加工方法及分幾次加工；要根據生產類型選擇設備，在大批量生產中可采用高效率的設備。在單件小批量生產中則常用通用設備和一般的加工方法。如、柴油機連桿小頭孔的加工，在小批量生產時，采用鉆、擴、鉸加工方法；而在大批量生產時采用拉削加工；要考慮被加工材料的性質，例如：淬火鋼必須采用磨削或電加工；而有色金屬由于磨削時容易堵塞砂輪，一般都采用精細車削，高速精銑等；要考慮工廠或車間的實際情況，同時也應考慮不斷改進現有加工方法和設備，推廣新技術，提高工藝水平；此外，還要考慮一些其它因素，如加工表面物理機械性能的特殊要求，工件形狀和重量等。5.4.2軸的要求(1)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。(2)以發動機該凸輪軸為例具體說明（如圖5-1）圖5-11）支承軸頸兩個支承軸頸的外圓尺寸φ43.85mm表面粗糙度Ra≤0.4μm.。2）凸輪凸輪基圓尺寸R15.5±0.05，表面粗糙度Ra≤0.8μm。凸輪上的孔選擇的加工方法是鉆，但其表面粗糙度的要求為，所以選擇加工的方法是鉆——擴——鉸。圖5-23）軸上油壁孔軸上油壁孔尺寸為φ8mm。油孔底面的加工方案為底平面：粗銑——精銑（），粗糙度為，一般不淬硬的平面，精銑的粗糙度可以較小。4）軸上鍵槽軸上的鍵槽起地位作用，基本尺寸為13mm*6mm，左邊為φ6mm的半圓，表面粗糙度要求為3.2。第六章凸輪軸工藝分析先就幾個工藝問題探討如下：6、1凸輪軸毛坯轎車用發動機凸輪軸毛坯多采用冷激鑄鐵，加工余量小，可以直接粗、精磨成型。柴油機多采用鍛鋼凸輪軸或球鐵凸輪軸，為了減少金屬的切除量，多采用滾鍛制坯、平鍛成型工藝，但當生產批量不大時，如年產量小于5萬件，也可以用棒料切削成型，但材料的利用率較低。6、2主軸頸（支承軸頸）的加工主軸頸的加工多采用車拉或CNC車床車削，感應淬火后粗、精磨珠軸頸工藝。傳統工藝主軸頸多采用多刀車削工藝，由于切削的變形量大，現已逐漸被車拉或CNC車床車削所代替，以適應于大批量生產。主軸頸的粗、精磨多采用多砂輪磨床一次粗、精磨成型，或采用單砂輪CNC磨床磨削，這要視生產批量的不同進行選擇。6、3開檔加工冷激鑄鐵凸輪軸不需要切開檔，一次鑄造成型，減少了加工量。球鐵凸輪軸、棒料凸輪軸、鍛鋼凸輪軸均需切開檔。采用車拉機床車拉或CNC車床車開檔工藝，切開檔應充分注意減少凸輪軸的切削變形。如果采用HELLERCNC凸輪銑床，可以不必采用CNC車拉開檔，HELLER凸輪銑床可以同時將開檔和凸輪形狀在一臺設備上加工完成。過去傳統工藝多采用多刀車開檔，一次成型，但由于切削變形大，已逐漸被車拉或CNC車削或CNC銑削所代替。6、4凸輪加工6、4、1凸輪粗加工激冷鑄鐵凸輪軸的凸輪由于余量小，表面有冷硬層，一次粗、精磨成型。球鐵、棒料或鍛鋼凸輪軸的凸輪粗加工采用CNC無靠模凸輪軸銑床銑削凸輪外形。采用CNC控制，減少了靠模制造精度的影響，更換品種方便，只需改變程序即可加工不同的凸輪，生產率高，減少了靠模車削引起的凸輪軸的變形及制造誤差的影響。6、4、2凸輪精加工凸輪精加工選用CNC無靠模凸輪軸磨床一次粗、精磨成型，由于取消了靠模，實現自動修整砂輪、自動補償、恒線速磨削、自動軸向定位、砂輪自動動平衡等技術使凸輪磨削精度大大提高。6、5凸輪超精加工（拋光）工藝的選擇傳統工藝中，凸輪采用單靠模或雙靠模凸輪軸磨床磨削后，為了降低凸輪表面粗糙度數值，采用砂帶拋光機拋光凸輪。凸輪留的拋光余量為雙邊0.006～0.008mm，拋光后達到降低凸輪表面粗糙度數值的目的。但是采用CNC凸輪軸磨床磨削凸輪后，原則上不采用拋光工藝，因 CNC凸輪軸磨床磨削后保證了較高的升程誤差精度。若留有拋光余量，而拋光又不是CNC控制的，不能保證均勻去除余量，因此就有可能破壞經CNC凸輪軸磨床磨削后的升程誤差精度。直接采用粗、精磨削，表面粗糙度可達Ra0.63～0.4μm，故可不再進行拋光。6、6中間主軸頸對兩端主軸頸跳動量的保證凸輪軸中間主軸頸對兩端主軸頸的跳動量小于或等于0.03mm，為了保證這一跳動量要求，主軸頸及開檔的粗加工，采用車拉或CNC車削加工以減少粗加工的變形量。中頻感應淬火回火后，采用多觸點校直，控制其跳動量小于或等于0.05mm，該多觸點校直機自帶直裂紋探傷檢測儀，經校直有裂紋的凸輪軸從線上剔出。主軸頸磨削采用多砂輪磨削，帶自動跟蹤中心架支承，減少凸輪軸的磨削變形。凸輪磨削，根據不同的凸輪軸，采用2～3個機動中心架支承，以減少凸輪的磨削變形，從而達到中間主軸頸對兩端主軸頸跳動量要求。6、7凸輪軸的檢測凸輪軸的檢測分線外檢測（抽檢），在線檢測（100%），計量檢測（每班1～2根）。a、凸輪軸線外檢測（中檢）20J帶數顯的電感式測量儀，測量全部主軸頸的尺寸精度，及中間主軸頸對兩端主軸頸的跳動30J帶數顯的電感式測量儀，測量全部開檔尺寸及軸向尺寸80J無損傷硬度檢測90J帶數顯得電感式測量儀，測量中間主軸頸對兩端主軸頸的跳動120J帶數顯的電感式測量儀，測量各主軸頸尺寸、圓度、圓柱度及中間主軸頸對兩端主軸頸的跳動b、凸輪軸在線檢測采用MARPOSS或德國HOMMELWERKE在線綜合測量機，檢測主軸頸尺寸精度、圓度、圓柱度、中間主軸頸對兩端主軸頸跳動量、檢測凸輪基圓尺寸及公差、凸輪升程誤差及相鄰每度升程誤差。c、凸輪軸計量檢測在計量室進行檢測，室溫20±1°第七章傳動凸輪軸加工與性能比較7、1毛坯比較凸輪軸毛坯材料一般都采用鍛鋼或棒料，選用優質中碳鋼或低碳合金鋼，經熱處理后具有較高的強度和良好的耐磨性及抗點蝕劑剝落等特點，但毛坯加工余量較大，凸輪間的開檔必須粗加工，凸輪軸經冷熱加工后的變形大，又需增設校直工序。近年來凸輪軸采用冷激鑄鐵，同時又提高了鑄造技術，減少了凸輪加工余量和省去開檔粗加工和凸輪熱處理，凸輪可直接粗磨，精磨至成品，簡化了加工，提高了精度。7、2冷激鑄鐵凸輪軸工藝分析以一實際凸輪軸為例介紹凸輪軸重要加工位置支撐軸頸和凸輪的工藝：（見圖7-1）1-支撐軸頸2-凸輪3-驅動分電器的斜齒輪4-驅動汽油泵的偏心輪圖7—1凸輪軸形狀示意圖7、2、1凸輪軸軸頸的加工尺寸鏈確定a、軸頸加工工序分析粗車—精車——粗磨—精磨每道工序都可以以軸心為基準定位尺寸，確定加工余量。b、分析軸頸尺寸鏈（見圖7-2）a為各工序的加工前尺寸b為加工后尺寸c為加工余量圖7—2支撐軸頸尺寸鏈C、軸頸尺寸鏈的計算首先根據加工方法查出加工余量的大致值，運用下列公式計算出軸頸每道加工工序前的基本尺寸，計算極限偏差和公差，最后計算平均尺寸。初步得出毛坯尺寸。如果得出值不符合要求和實際生產可以通過計算算出每道加工工序的加工余量，從而對工序尺寸公差進行修改。加工余量分析計算式1)采用浮動鏜刀鏜孔或浮動鉸刀鉸孔或拉刀拉孔，由于這些加工方法不能糾正位置誤差Zmin=Ta+2(Ry+Ha)（7—1）2）無心磨床磨削外圓時無裝夾誤差，故算式可簡化為Zmin=Ta+2(Ry+Ha)+2｜a｜(7—2)3）精密加工方法如研磨、超精加工等，加工時僅去掉上工序留下的加工痕跡，因此計算式可簡化為Zmin=Ta+Ry+Ha(7—3)4）對于拋光，僅用于降低表面粗糙度，因此Zmin=Ry(7—4)參照基本尺寸計算公式如下計算各工序的基本尺寸A0=-(7—5)參照偏差及公差計算公式計算偏差和公差ES0=-(7-6)EI0=-(7—7)Tol=(7—8)工序號工序名稱計算項目工序尺寸公差余量公差最小余量平均余量平均尺寸初擬修正后±?Ti±?TziZminZiMLiM1毛坯±0.650.062粗車±0.3±0.92.593.0650.0863精車±0.07±0.371.051.0547.084粗磨±0.25±0.0240.4590.59246.255精磨±0.012±0.01±0.0120.0550.06146.0037、2、2凸輪軸凸輪的加工尺寸鏈確定a、凸輪加工工序分析粗車—精車——粗磨—精磨由于毛坯的形狀為一較規則的凸輪，所以每道工序都可以以基圓圓心為基準定位尺寸，確定加工余量b、分析凸輪尺寸鏈（見圖7-3）圖7-3凸輪的尺寸鏈示意圖a為各工序的加工前尺寸b為加工后尺寸z為加工余量C、凸輪尺寸鏈的計算同樣運用上述公式計算凸輪的尺寸鏈和加工余量運用同樣的方法可以逐步的確定各個尺寸的公差，偏差和加工的技術要求，在此就省約。第八章傳統整體式凸輪軸工藝流程及主要問題7.1傳統整體式凸輪軸工藝流程毛坯→毛坯檢查→銑斷面，鉆中心孔，車軸頸→粗磨軸頸→鉆油孔道，擴鉸球座孔，擴螺紋底孔，攻絲，倒角，鉆軸頸油孔→粗磨凸輪→清洗→凸輪表面淬火→校直→精磨油頸→精磨凸輪→磁粉探傷→精車止推面→磷化→拋光油頸止推面→清洗→檢測軸頸和跳動→壓裝鋼球及定位銷。7.2傳統整體式凸輪軸存在的主要問題（1）配氣機構對凸輪軸各個部分的性能要求有很大不同：凸輪要求耐磨損、乃膠著、耐點蝕；軸頸要求滑動性好；芯軸要求剛性、彎曲、扭轉性能好。傳統凸輪軸很難滿足上述要求，材料利用也不盡合理。（2）傳統整體式鑄造或鍛造生產模式很難制造出凸輪密布排列的緊湊結構。（3）傳統方法制造凸輪軸需要大量的機械加工工序，耗費大量的機械加工工時，機床、刀具、夾具、操作人員和作業面積較難有新突破。(4)傳統加工需對凸輪表面進行耐磨性強化處理，是對整體式凸輪軸進行的并伴有的變形多數用人工校直，費時費力不宜保證精度。（5）凸輪表面的機械加工較難進行，也是影響加工質量的重要因素。傳統方法制造凸輪軸，不僅使大量的才來哦變成廢屑，生產效率低、材料消耗與能源消耗大，自動化水平低。在降低零件重量方面也難有作為。第九章裝配式凸輪軸制造工藝裝配式凸輪軸亦稱組合式輪軸，是將凸輪軸分解成凸輪、芯軸、軸頸等可裝配件。分別進行材料優化及精益加工后，再組裝成凸輪軸的新型組合設計與現在制造模式。目前，大部分發動機制造企業都采用整體式凸輪軸，其材料有的采用中碳低合金鍛鋼（經高頻淬火），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。生產中采用自動線多工位機床，設備投資較大，生產線占地面積多，生產成本較高。而裝配式凸輪軸只需半精加工和精加工，凸輪、齒輪、軸套可采用不同的材料，因此產品質量可減輕30％～50％；可柔性化生產，設備投資小，生產線占地面積少，生產成本較低。目前，大部分發動機制造企業都采用整體式凸輪軸，其材料有的采用中碳低合金鍛鋼(經高頻淬火)，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。生產中采用自動線多工位機床，設備投資較大，生產線占地面積多，生產成本較高。而裝配式凸輪軸只需半精加工和精加工，凸輪、齒輪、軸套可采用不同的材料，因此產品質量可減輕30％~50％；可柔性化生產，設備投資小，生產線占地面積少，生產成本較低。9.1裝配式凸輪軸工藝流程圖9-1裝配式凸輪軸工藝流程裝配式凸輪軸內凸輪、軸套、偏心環、齒輪等零部件先后聯成完整凸輪軸。裝配過程是人工將所有凸輪軸組裝。部件包括凸輪、主軸頸、齒坯放到安裝上料盒中，鋼管穿到各部件孔中，在安裝上料盒中進行初定位。啟動設備后，該上料盒進入設備中，首先用工裝測頭進行部件到位檢測，并驗證凸輪放置位置是否正確。驗證通過后，使用機械手將凸輪軸上料到凸輪軸壓球工位，然后各部件定位塊啟動以精確定位凸輪、軸頸、齒輪。到位后同時夾緊各部件，并伸出頂桿將直徑超過管子內徑的鋼球穿過整個鋼管內徑，鋼管外的凸輪軸部件在受到鋼管膨脹伸展作用力下和鋼管相互彈性變形最終形成裝配式凸輪軸，這種凸輪軸組合工藝稱為管內滾壓擴張法。裝配式凸輪軸和整體式凸輪軸比較裝配式凸輪軸經濟性整體式凸輪軸經濟性工藝流程只有半精加工和精加工，工藝流程簡單，設備少+有粗加工，半精加工和精加工，設備多加工余量加工余量小只精磨主軸頸和凸輪+加工余量大，需粗磨、半精磨、精磨軸頸和凸輪-柔性化工藝簡單，采用柔性化生產，采用多臺CNC加工中心、車床、磨床集中式加工，具有較高的柔性化+加工工藝程序多，多采用自動線多工位方式，柔性化較低-設備投資由于采用柔性化生產，可提高預期產量規模分期實施，留有地方進一步擴展，分期投資，可降低投資風險+采用自動線，設備數和工位數多，初期投資較大，也不便與產能的擴大-生產線占地面積占有較少場地+占用較大的場地-生產成本由于采用粉末冶金等材料，加工余量小，將減少生產成本，料廢率較低+多次磨削不僅使設備投資大，也使刀具成本大-毛坯成本各組裝部件加工余量控制嚴格，精度較高，所以毛坯成本較省-毛坯積案成本較低+產品性能凸輪軸總重量減輕30%～50%，強度高，改善發動機性能+表3第十章裝配式凸輪軸工藝流程10、校直20、加工兩端面中心孔、螺紋孔、驅動孔（2臺加工中心并行加工）30、車軸頸、齒輪毛坯、前止端面及導向輪廓40、磨軸頸及導向輪轂50、滾齒60、壓銷子70、磨凸輪（3臺磨床并行加工）80、凸輪淬火90、去毛刺100、校直軸頸110、凸輪軸頸及凸輪拋光120、清洗130、綜合檢測裝配式凸輪軸內凸輪、套軸、偏心環、齒輪等零部件先后連成完整凸輪軸。裝配過程是人工將所有凸輪軸組裝部件包括凸輪、主軸頸、齒坯放到安裝上料盒（Camshaftpre-AssemblyNeat）中，鋼管穿到各部件孔中，在安裝上料盒中進行初定位。啟動用工裝測頭（ComponentProbeTooling）進行部件到位檢測，并驗證凸輪放置是否正確。驗證通過后使用機械手將凸輪軸上料到凸輪軸壓球工位，然后各部件定位塊啟動以精確定位凸輪、各軸頸、齒輪。到位后同時加緊各部件并伸出頂桿將直徑超過管子內經的鋼球穿過整個鋼管內徑，鋼管外凸輪軸部件在受到鋼管膨脹伸展作用力下和鋼管相互彈性變形最終形成裝配式凸輪軸，這種凸輪軸組合工藝稱為管內滾壓擴張法。第十一章裝配式凸輪軸裝配工藝方法11.1熱套法在熱套法中，按照熱學連接方法制造組合式凸輪軸。常溫下，外部零件的孔和內部管子的外徑之間有過盈，裝配之前先對外部零件(凸輪、軸套)進行加熱、對內部管子進行冷卻，籍以消除過盈。這種工藝方法允許在短暫的時間內完成連接過程，在軸向尺寸和角度位置方面都有很高的精度。有些制造商選擇了在凸輪位置上使柔軟的管子張開以連接外部零件(凸輪、軸套)的方法。需要連接的零件就被壓在軸上，由此形成了一種形狀連接的和力連接的壓配。11.2硬釬焊/燒結法一些制造商利用硬釬焊/燒結法制造組合式凸輪軸。在采用PM(粉末金屬)燒結材料時，赫茲擠壓應力的限值在1200MPa左右。此限值也可提高到2000MPa以下，視燒結合金的成分而定。11.3內部高壓成形法還有一種通過內部高壓成形(IHU)的凸輪軸，在這種IHU工藝過程中，已經淬硬了的凸輪圈以力連接和形狀連接的方式與通過內部的高壓力變形的鋼管制成的軸相連接，見圖12-1。凸輪圈的內部輪廓明顯地偏離圓形，以便實現形狀連接。通過在凸輪旁邊將管子材料往外壓出一些而達到凸輪的軸向定位，壓出的尺寸是1/10左右。這種工藝制成的組合式凸輪軸已經成功地應用于奧迪公司2003年投入成批生產的V6-TDI轎車柴油機中，見圖12-2。組合式凸輪軸由壁厚為2.5mm和3mm的精密鋼管(St37-2)、用100Cr6鋼制成的等溫淬火凸輪圈以及鋼質堵頭或者焊接的終端零件組成。整個周長上等壁厚的凸輪圈被置入一臺專門的設備中，這臺設備可以保證軸向對準凸輪圈中心線和凸輪圈的轉角位置。鋼管穿過如此定位的凸圖12-1從內部施加高壓制造組合式凸輪軸的工藝圖12-2奧迪6-轎車柴油機中的組合式凸輪軸藝接著，一臺真空抓取機將預先定位好的各個零件放到帶IHU工具的油壓機上，IHU工具的模腔形狀正好與制好的毛坯軸的外形輪廓一致。將液體介質注入管內之后，管子兩端用軸向沖頭封死。通過將管內壓力提高至300MPa，整個管子發生塑性變形，直至貼合在IHU工具上。此時，在管子和凸輪之間就發生了力連接和形狀連接。11.4管內滾壓擴張法還有一種通過管內滾壓擴張制造組合式凸輪軸的工藝。管內滾壓法的前提是采用薄壁管子作為內部零件，其基礎是滑動滾壓原理，只是插入的管子元件具有較大的滾壓過盈量。利用這種方法，使得軸在帶孔的外部零件中發生局部的擴張。這種方法的開發，最初是為了加工制造長的、管狀的連接零件。使用帶有滾壓過盈量、穿過內管的滾壓工具，使內管發生塑性擴張。如果在滾壓處的外面有一個相應的、間隙較小的外部零件，那么這個外部零件就由于往外推擠的內管而發生彈性變形，以致通過內管的塑性擴張，同時還由于接縫處的外部零件的彈性反彈作用而發生很高的面壓配，由此形成力連接，見圖12-3。圖12-3管內滾壓擴張法的原理接縫連接強度主要取決于滾壓體的直徑和連接副的材料。此