凸轮轴的研制.docx
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1、毕业设计题目 姓 名 焦作大学机电工程学院 毕业设计 中图分类号： 凸轮轴的研制 专业名称：模具设计与制造学生姓名：张雪丽导师姓名：卢杉 职称：副教授 焦作大学机电工程学院2013年12月 01 中图分类号： 密级：UDC： 单位代码： 凸轮轴的研制The development of the camshaft姓 名张雪丽学制三年专 业模具设计与制造导 师卢杉职称副教授论文提交日期论文答辩日期 焦作大学机电工程学院摘 要凸轮轴作为各种机械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成本、减少生产环节以及合理布置凸轮轴生产
2、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。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。凸轮轴对其工作要求、部分精度较高，如轴上的油孔的加工、法兰盘孔的加工等。凸轮轴的工艺过程，我们尽量做到清晰明了，在保证表达清楚的基础上，尽量做到简练。凸轮轴是轴类零件中比较复杂的一种曲轴，而在磨削加工方面，凸轮轴也是比较难以加工的轴，这种轴类零件的加工方法一般都是大同小异的。凸轮轴的加工一般是先经过车床的车削加工，制成半成品；然后经过相应的热处理；再就是对凸轮轴各部分的磨削加工；最后就是
3、经过相关工序的处理和检验合格后就可以入库了。关键词：凸轮轴； 加工工艺ABSTRACT Valve-train CAM as all kinds of mechanical engine of key components, its performance directly affects the whole engine performance. Therefore, the processing technology camshaft has specific requirements for a reasonable process to reduce processing costs,
4、 reduce production processes and the rational arrangement of the camshaft production line of great practical significance. In this paper, the processing characteristics of the camshaft, with the actual plant, starting from the pre-planning, on the camshaft of the process conducted in-depth analysis
5、and research. Convex contour shape of calculated and pulled down the processing of the cam pro discussed and made applicable to the processing method 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.
6、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 complex 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
7、. Camshaft after the processing is generally the first turning lathe, made of semi-finished products; and then after appropriate treatment; then there are the various parts of the camshaft grinding; the last is through the relevant processes for handling and storage after inspection the.Keywords：Cam
8、shaft； Processing目 录第一章 引言11.1 课题的意义和背景11.2 凸轮轴的发展现状11.3 凸轮轴的特点11.3.1 凸轮轴的分类11.3.2 凸轮轴毛坯的种类21.3.3 凸轮轴的传动31.3.4 凸轮轴的故障41.3.5 凸轮轴改装41.4 凸轮轴设计的结果和意义5第二章 总体设计过程62.1 基本概念和设计作用62.1.1 凸轮轴的基本概念62.1.2 凸轮轴设计的作用62.2 凸轮轴的设计6 2.2.1 各种凸轮轴的技术要求6 2.2.2 生产类型的确定6 2.2.3 凸轮轴的材料选定7 2.2.4 凸轮轴简图8 2.2.5凸轮轴主要加工内容和精度要求82.3 凸
9、轮廓形理论计算及加工控制参数92.3.1 凸轮轴凸轮的廓形要求92.3.2 包络线理论172.3.3 凸轮廓形坐标172.3.4 砂轮的中心坐标172.3.5 磨削圆周进给量计算172.3.6 等周速曲线202.3.7 砂轮座加速度202.3.8 光顺处理202.3.9 工件主轴转速配置212.3.10 磨削用量数据21第三章 凸轮轴研制的分析233.1 凸轮轴的加工工艺23 3.1.1 凸轮轴轴颈粗加工23 3.1.2 铣端面，钻中心孔24 3.1.3 凸轮轴的热处24 3.1.4 凸轮轴的深孔加工25 3.1.5 主轴颈快速点磨加工与CBN砂轮26 3.1.6 凸轮轴的加工28 3.1.7
10、 凸轮轴的化学处理29 3.1.8 凸轮轴的抛光30 3.1.9 凸轮轴的探伤30 3.1.10 凸轮轴的清洗30 3.2 凸轮轴的工艺分析30 3.2.1 定位基准的选择30 3.2.2 表面加工方法的选择31 3.2.3 加工阶段的划分和工序顺序的安排32 3.2.4 热处理工序的安排32 3.2.5 加工余量的确定32 3.2.6 切屑用量的确定33第四章 夹具的设计34 4.1夹具设计的原则34 4.2工装夹具设计基本知识34 4.3车床夹具的基本类型36 4.4车床夹具的设计特点36第五章 结 论37参考文献38致谢39第一章 引言1.1 课题的意义和背景凸轮轴零件设计的任务是让我们
11、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。1.2 凸轮轴的发展现状目前，国内多数轿车主机厂的凸轮轴生产线和专业生产凸轮轴的厂家均引进了CBN磨削技术
12、，但仍有很多的载重汽车、柴油机和摩托车发动机的凸轮依然采用传统的刚玉砂轮、靠模仿形的磨削工艺。粗磨工序使用的是国产中低速磨床(35m/s以下)，精磨工序部分厂家使用进口磨床，但使用速度均在60m/s以下，修整工具以单点金刚石笔居多，进口磨床和少数国产磨床采用金刚石滚轮修整。目前，大部分发动机制造企业都采用整体式凸轮轴，其材料有的采用中碳低合金锻钢(经高频淬火)，有的采用球墨铸铁。整体式凸轮轴加工工艺包括粗加工、半精加工和精加工。生产中采用自动线多工位机床，设备投资较大，生产线占地面积多，生产成本较高。而装配式凸轮轴只需半精加工和精加工，凸轮、齿轮、轴套可采用不同的材料，因此产品质量可减轻305
13、0；可柔性化生产，设备投资小，生产线占地面积少，生产成本较低。1.3 凸轮轴的特点1.3.1 凸轮轴的分类 凸轮轴按凸轮轴数目的多少，可分为单顶置凸轮轴(SOHC)和双顶置凸轮轴(DOHC)两种。单顶置凸轮轴就是只有一根凸轮轴，双顶置凸轮轴就是有两根。单顶置凸轮轴在气缸盖上用一根凸根轴，直接驱动进、排气门，它具有结构简单，适用于高速发动机。以往一般采用的侧置凸轮轴，即凸轮轴在气缸侧面，由正时齿轮直接驱动。为了把凸轮轴的转动变换为气门的往复运动，必须使用气门挺杆来传递动力。这样，往复运动的零件较多，惯性质量大，不利于发动机高速运动。而且，细长的挺杆具有一定的弹性，容易引起振动，加速零件磨损，甚至
14、使气门失去控制。顶置双凸轮轴是在缸盖上装有两根凸轮轴，一根用于驱动进气门，另一根用于驱动排气门。采用双顶置凸轮轴对凸轮轴和气门弹簧的设计要求不高，特别适用于气门V形配置的半球形燃烧室，也便于和四气门配气机构配合使用。1.3.2 凸轮轴毛坯的种类在制定工艺规程时，正确的选择毛坯具有重要意义。它不仅影响毛坯的制造工艺设备及制造费用，还影响零件的机加工工艺，设备和刀具的消耗及工时订额。正确的选用毛坯需要毛坯制造和机加工工艺人员紧密配合，兼顾冷热加工两个方面的要求。由于发动机工作时，凸轮轴承受气门开启的周期性冲击载荷。所以，要求凸轮轴和支承轴颈表面应耐磨，凸轮轴本身应具有足够的韧性和刚性。为此，凸轮轴
15、的主要工作表面需经热处理。对于凸轮轴材料目前国内外主要选用铸铁（冷硬铸铁，可淬硬铸铁，球墨铸铁）和钢（中碳钢，渗碳钢）。在国外，冷硬铸铁凸轮轴多用于凸轮承受随动件高负荷的场合，这在英国较为普遍，可淬硬的低合金铸铁凸轮轴多用于凸轮承受随动件低负荷的场合，这在美国较为普遍，高合金铸铁和特殊合金铸铁凸轮轴则多用于高速发动机。对于钢凸轮轴，一般是选用中碳钢和渗碳钢经热模锻制坯。就毛坯精度来说，铸件的精度明显的高于锻件。目前，国内外普遍趋向于精铸和精锻。鉴于此，凸轮轴选用50Mn材料毛坯由精锻而成。1.3.3 凸轮轴的传动凸轮轴底置式凸轮轴通常采用星形齿轮组（即所谓的“控制轮”），辊子链或齿条与曲轴相连
16、。为了控制噪声，直径较大的凸轮轴端传动轮通常由塑料或者轻金属制造，而相对直径较小的曲轴端传动轮则大多采用钢材。链条连接也比较多见。这种方式在底置式和顶置式凸轮轴上都可以看到。为了减小噪声（一般是链条在运动中产生的“振摆噪声”），通常还会附带一个液压压紧装置和塑料材质的导轨。顶置式凸轮轴结构中比较多见的是用一个塑料齿条链连接。这个齿条链位于发动机机油腔外，附带有钢质的嵌入部件，通过一个可调的辊子帮助张紧。还有一种结构由于动力在传输过程中损耗过大且过于复杂，现在已经比较少见。这种结构通过一个偏心连杆、星形齿轮组或带中间轴的锥形齿轮组来连接顶置式凸轮轴与曲轴。凸轮轴与曲轴之间的常见传动方式包括齿轮传
17、动、链条传动以及齿形胶带传动。下置凸轮轴和中置凸轮轴与曲轴之间的传动大多采用圆柱形正时齿轮传动，一般从曲轴到凸轮轴只需要对齿轮传动，如果传动齿轮直径过大，可以再增加1个中间惰轮。为了啮合平稳并降低工作噪声，正时齿轮大多采用斜齿轮。链条传动常见于顶置凸轮轴与曲轴之间，但其工作可靠性和耐久性不如齿轮传动。近年来在高转速发动机上广泛使用齿形胶带代替传动链条，但在一些大功率发动机上仍然使用链条传动。齿形胶带具有工作噪声小、工作可靠以及成本低等特点。对于双顶置凸轮轴，一般是排气凸轮轴通过正时齿形胶带或链条由曲轴驱动，进气凸轮轴通过金属链条由排气凸轮轴驱动，或进气凸轮轴和排气凸轮轴均由曲轴通过齿形胶带或链
18、条驱动。安装凸轮轴时，一定要注意凸轮轴带轮或链轮上的正时标记。有些发动机没有明显的正时标记，维修人员可以在拆卸凸轮轴之前标记出曲轴和凸凸轮轴凸轮轴的常见故障包括异常磨损、异响以及断裂，异响和断裂发生之前往往先出现异常磨损的症状。轮轴的准确位置，有些发动机则是需要专用工具才能进行正时的调校。1.3.4 凸轮轴的故障 （1）凸轮轴几乎位于发动机润滑系统的末端，因此润滑状况不容乐观。如果机油泵因为使用时间过长等原因出现供油压力不足，或润滑油道堵塞造成润滑油无法到达凸轮轴，或轴承盖紧固螺栓拧紧力矩过大造成润滑油无法进入凸轮轴间隙，均会造成凸轮轴的异常磨损。 （2）凸轮轴的异常磨损会导致凸轮轴与轴承座之
19、间的间隙增大，凸轮轴运动时会发生轴向位移，从而产生异响。异常磨损还会导致驱动凸轮与液压挺杆之间的间隙增大，凸轮与液压挺杆结合时会发生撞击，从而产生异响。（3）凸轮轴有时会出现断裂等严重故障，常见原因有液压挺杆碎裂或严重磨损、严重的润滑不良、凸轮轴质量差以及凸轮轴正时齿轮破裂等。（4）有些情况下，凸轮轴的故障是人为原因引起的，特别是维修发动机时对凸轮轴没有进行正确的拆装。例如拆卸凸轮轴轴承盖时用锤子强力敲击或用改锥撬压，或安装轴承盖时将位置装错导致轴承盖与轴承座不匹配，或轴承盖紧固螺栓拧紧力矩过大等。安装轴承盖时应注意轴承盖表面上的方向箭头和位置号等标记，并严格按照规定力矩使用扭力扳手拧紧轴承盖
20、紧固螺栓。1.3.5 凸轮轴改装为了提升汽车发动机的动力，有些汽车改装店对发动机的凸轮轴进行了改装，其中换装高角度凸轮轴（HiCAM）是常见的一种改装方法。这种改装操作并不复杂，但由于一些改装人员对凸轮轴上凸轮的工作角度和工作原理了解不足，使得改装后的效果并不明显甚至导致发动机的性能恶化。高角度凸轮轴是相对于普通凸轮轴的240左右的凸轮工作角度而言的，高角度凸轮轴的凸轮工作角度通常可以达到280以上。大角度的凸轮轴可以延长气门的开启时间，增大气门的升程，使进气门和排气门实现早开和晚关，使更多空气进入气缸，以提高发动机中、高转速的动力输出。对于民用车来说，改装时应该选择凸轮工作角度在278以下的
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