汽車凸輪軸機(jī)加工線的前期規(guī)劃與工藝分析

魏在祥

（上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海200093）

汽車凸輪軸機(jī)加工線的前期規(guī)劃與工藝分析

魏在祥

（上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海200093）

現(xiàn)代汽車發(fā)展趨勢要求各發(fā)動機(jī)廠家不僅要具有大批量生產(chǎn)的能力，同時(shí)也要具有小批量、多品種的生產(chǎn)技術(shù)。這種要求也順理成章地延展至包括凸輪軸等在內(nèi)的零部件加工。凸輪軸是內(nèi)燃機(jī)配氣系統(tǒng)中關(guān)鍵的零件之一，其精度要求高、但剛性差、易變形，因而加工難度大。因此，這對凸輪軸的設(shè)計(jì)、選材、加工工藝等都提出了許多要求。本文主要從某一凸輪軸機(jī)加工生產(chǎn)線的前期規(guī)劃和工藝分析兩方面就這些問題展開論述。

凸輪軸前期規(guī)劃工藝分析

1 引言

在發(fā)動機(jī)行業(yè)中，數(shù)控機(jī)床、精密加工機(jī)床、加工中心、自動生產(chǎn)線、成組技術(shù)等先進(jìn)加工設(shè)備及技術(shù)都得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)代汽車發(fā)動機(jī)行業(yè)的發(fā)展對發(fā)動機(jī)廠的要求日趨多元化；發(fā)動機(jī)廠現(xiàn)在已經(jīng)普及了互換性、自動化生產(chǎn)，做到了流水線式生產(chǎn)線布置及工藝安排，實(shí)現(xiàn)了按節(jié)拍生產(chǎn)。某條凸輪軸加工線的節(jié)拍為1.75 min，包括了輔助時(shí)間和機(jī)加工時(shí)間。輔助時(shí)間包括上料、輸送、檢驗(yàn)的時(shí)間；機(jī)加工時(shí)間是從夾具定位、夾緊、機(jī)加工完成到夾具松開并推出工件的時(shí)間。

2 凸輪軸的技術(shù)要求

在汽車發(fā)動機(jī)的各個(gè)機(jī)構(gòu)及零部件中，配氣機(jī)構(gòu)是非常重要的；而凸輪軸又是配氣機(jī)構(gòu)中最重要、最關(guān)鍵的零件之一。凸輪軸決定著氣門的升程曲線和氣門開關(guān)時(shí)刻，從而直接影響發(fā)動機(jī)的進(jìn)排氣量，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放[1]。

發(fā)動機(jī)行業(yè)現(xiàn)在大多采用頂置式配氣機(jī)構(gòu)，凸輪軸置于氣缸蓋上，凸輪直接作用于搖臂來控制氣門。除單頂置凸輪軸外，還有雙頂置凸輪軸（DOHC），一根凸輪軸控制進(jìn)氣門，另一根凸輪軸控制排氣門。發(fā)動機(jī)對凸輪軸的加工精度要求很高。某發(fā)動機(jī)頂置凸輪軸的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 凸輪軸的技術(shù)參數(shù)

3 凸輪軸機(jī)加工生產(chǎn)線前期規(guī)劃

3.1 凸輪軸加工內(nèi)容和要求

該汽車發(fā)動機(jī)頂置凸輪軸材料為銅鉻鉬合金鑄鐵（FCA-3），各主軸頸及端面的表面硬度為180～240 HB，凸輪表面硬度為48 HRC。凸輪軸示意圖如圖1所示。

凸輪和支撐軸承表面粗糙度均為Ra1.6，各凸輪基圓相對與前后軸頸的基準(zhǔn)軸線的徑向跳動和平行度允差分別為0.03 mm和0.01 mm，各凸輪對稱中心線相對于鍵槽的相對位置偏差（相位角）為±20′。斜齒輪齒數(shù)為13，螺旋角為53°±1'46"公法線長度38.611～38.806 mm，齒形誤差≤0.025，齒向誤差≤0.017，齒槽對鍵槽的角度20±2°。凸輪型線誤差作用段為±0.05 mm。

3.2 凸輪軸制造策略及加工工藝分析

由于凸輪軸具有細(xì)長且形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，技術(shù)要求又高，尤其是凸輪的加工，因此加工工藝性較差。在凸輪軸的加工過程中，有2個(gè)主要因素影響其加工精度：一是易變形，二是形狀復(fù)雜、加工要求高。

3.2.1 易變形

從細(xì)長軸的角度來說，突出的問題就是工件本身的剛度低，切削加工時(shí)會產(chǎn)生較大的受力變形。這種變形不僅影響到后續(xù)加工中的余量分配是否均勻，而且變形過大會導(dǎo)致后序加工無法進(jìn)行，甚至造成中途報(bào)廢。凸輪軸的加工變形將直接影響到凸輪軸的使用性能[2]。

因此，在安排其工藝過程時(shí)，必須針對工件易變形這一特點(diǎn)采取必要的措施。不僅要把各主要表面的粗精加工工序分開，以使粗加工時(shí)產(chǎn)生的變形在半精加工中得到修整，半精加工中產(chǎn)生的變形在精加工中得到修正，還必須在加工過程中增設(shè)輔助支承，以增加工件的剛度。這是保證凸輪軸加工精度所必須要考慮的問題。

3.2.2 形狀復(fù)雜、加工要求高

從形狀復(fù)雜的角度來說，突出的問題在凸輪、齒輪這些復(fù)雜表面的加工。對于這些表面，不僅有尺寸精度要求，而且還有形狀、位置精度要求。如采用普通的加工設(shè)備和一般表面常規(guī)加工方法，顯然是無法滿足這些精度要求。

對于凸輪的加工，從滿足使用要求的角度來說，既要求其相位角準(zhǔn)確，又要求凸輪曲線升程滿足氣門開啟和關(guān)閉時(shí)升降過程的運(yùn)動規(guī)律，但凸輪型線上的各點(diǎn)相對其回轉(zhuǎn)中心的半徑是變化的。當(dāng)選用一般的靠模機(jī)床加工時(shí)，由于加工半徑的變化，勢必引起切削速度和切削力的變化，加之工件旋轉(zhuǎn)時(shí)的慣性力和靠模彈簧張力的瞬間變化，將會使加工后的凸輪型線產(chǎn)生形狀誤差，即凸輪的升程誤差，從而直接影響凸輪軸的使用性能。

4 凸輪軸機(jī)加工生產(chǎn)線工藝分析

4.1 生產(chǎn)線布置

選擇的生產(chǎn)線為U型布置。這種布置形式在保證物流通暢、占地面積小的情況下，可以做到一人多機(jī)操作，減少了操作工人的數(shù)量。每位操作工既要負(fù)責(zé)自己的這幾臺設(shè)備，同時(shí)還要負(fù)責(zé)測定工時(shí)及自檢；最終工序的操作工還要負(fù)責(zé)最終質(zhì)量檢查。所以，由于生產(chǎn)線布置合理、緊湊，使得工人勞動效率得到了很大的提高。

圖1 凸輪軸簡圖

采用高架線結(jié)構(gòu)，使得水、電、氣維修非常方便。每臺設(shè)備后留有水、電、氣接口，生產(chǎn)線兩排設(shè)備后有排水溝。整個(gè)車間為整體地基，使設(shè)備的安裝、移動非常方便，有利于在更換產(chǎn)品時(shí)能重新安排、增加或減少設(shè)備，進(jìn)行柔性生產(chǎn)線布置。

4.2 工藝設(shè)計(jì)

4.2.1 定位基準(zhǔn)的選擇

對于一般的軸類零件來說，其軸線即為它的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，發(fā)動機(jī)凸輪軸也遵循這一設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。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(guān)鍵。該凸輪軸工藝采用兩端頂尖孔作為軸類零件的定位基準(zhǔn)。這樣不僅避免了工件在多次裝夾中因定位基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換而引起的定位誤差，而且也可作為后續(xù)工序的定位基準(zhǔn)，即符合“基準(zhǔn)統(tǒng)一”原則。

4.2.2 加工階段的劃分

由于凸輪軸的加工精度較高，整個(gè)加工不可能在一個(gè)工序內(nèi)全部完成。為了利于逐步達(dá)到加工要求，把整個(gè)工藝過程劃分為3個(gè)階段，以完成各個(gè)不同加工階段的目的和任務(wù)[3]。

（1）粗加工階段。其包括車削各支承軸頸、齒輪外圓，粗磨凸輪。該階段要求機(jī)床剛性好，切削給進(jìn)量盡可能選得大些，以提高生產(chǎn)率并切除大部分加工余量。

（2）半精加工階段。其包括精切削各支承軸頸和精磨齒輪外圓。該階段主要為支承軸頸、齒輪的精加工做準(zhǔn)備。

（3）精加工階段。其包括精磨各支承軸頸、止推面、凸輪以及斜齒輪加工。該階段加工余量和切削量小，加工精度高。

編制工藝時(shí)，首先以Φ32 mm和Φ48.5 mm的毛坯面為定位基準(zhǔn)，然后以大端外圓的端面作軸向定位。每工序的具體定位基準(zhǔn)和夾緊位置見表2。

4.2.3 工序順序的安排

工序安排是否合理，對凸輪軸加工質(zhì)量、生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性都有很大的影響。表2是該凸輪軸加工工藝。各支承軸頸工序安排為粗車——精車——精磨加工，凸輪工序安排為粗磨——精磨加工，斜齒輪工序安排為粗車——精車——精磨——滾齒加工。各表面的加工順序按從粗到精、從主要表面到次要表面，加工工序相互交叉進(jìn)行。從整體上說，符合“先粗后精”的加工原則。

表2 凸輪軸生產(chǎn)工藝簡介

4.2.4 凸輪型面的加工

在凸輪軸的加工中，最重要同時(shí)難度最大的是凸輪型面的加工。凸輪型面的加工方法目前主要有車削和磨削2種。

凸輪型面的粗加工目前在國內(nèi)主要是凸輪軸車床車削加工，也有采用銑削加工和磨削加工的，如采用雙靠模凸輪軸磨床。磨床有2套靠模，當(dāng)砂輪直徑在一定范圍內(nèi)時(shí)，使用第1個(gè)靠模加工；當(dāng)砂輪磨損到一定程度時(shí)，靠模自動轉(zhuǎn)換，使用第2個(gè)靠模加工[4]。這種磨床通過對砂輪直徑的控制來提高凸輪外形的精度，不僅提高了凸輪型面的加工精度，而且也使砂輪的利用更經(jīng)濟(jì)、更合理。

該凸輪軸毛坯采用精鑄的方法制造，毛坯精度較高，切削余量小，故采用磨削的加工工藝，簡化了凸輪型面的加工。在凸輪磨床上完成粗磨及精磨的加工。工件安裝在兩端頂尖之間并以鍵槽做軸向定位，在支承軸頸處安裝輔助支承保證凸輪型面的加工精度。凸輪軸型面加工所采用的德國JUNKER JUCAM凸輪軸磨床是立方氮化硼磨床。該磨床能迅速地變換磨削的凸輪形狀，且有較大的剛度，能承受大的工作負(fù)荷。由于立方氮化硼（CBN）砂輪的使用壽命高，因此，砂輪的直徑變化所造成的凸輪形狀誤差顯著減小，大大提高了凸輪型面的磨削精度。

4.3 工藝特點(diǎn)

4.3.1 凸輪軸的工藝特點(diǎn)

該發(fā)動機(jī)凸輪軸加工工藝特點(diǎn)如下：（1）毛坯硬度高（冷激區(qū)45 HRC，非冷激區(qū)229～302 HB）；（2）生產(chǎn)節(jié)拍1.75 min；（3）凸輪軸數(shù)控車床用于支撐軸頸的粗加工；（4）凸輪部分在鑄造時(shí)冷激，不需加工后淬火；（5）凸輪采用粗、精磨加工，凸輪輪廓直接磨削；（6）凸輪精加工采用全數(shù)控?zé)o靠磨磨削；（7）加工中主要定位基準(zhǔn)中心孔采用打孔后修磨，保證加工質(zhì)量。

4.3.2 凸輪軸加工工藝先進(jìn)性分析

（1）磨削密集型工藝——外圓、軸頸、端面及凸輪均采用磨削方法[5]。大批量生產(chǎn)的凸輪軸毛坯均采用精鍛或精鑄成形，其毛坯精度高，加工余量小，采用以磨代車的新工藝，極大地簡化了凸輪型面的加工。

（2）凸輪采用數(shù)控?zé)o靠模磨削。采用數(shù)控凸輪磨削的新工藝，取消靠模，通過CNC控制獲得精密的凸輪輪廓。同時(shí)工件無級變速旋轉(zhuǎn)，并采用CBN砂輪加工凸輪軸，從根本上解決了傳統(tǒng)凸輪磨床的缺陷，不僅擺脫了靠模精度對凸輪精度的影響，而且砂輪的磨損不影響加工精度。

（3）凸輪軸支撐軸頸的磨削。采用數(shù)控多砂輪磨削，可以高效率地磨削凸輪軸支撐軸頸，加工出的軸頸具有較高的圓柱度和較小的徑向跳動。同時(shí)數(shù)控磨削還可以采用在線檢測技術(shù)，對零件的加工部位尺寸進(jìn)行監(jiān)控，并把對砂輪的自動修整數(shù)據(jù)反饋給數(shù)控系統(tǒng)，來控制砂輪的補(bǔ)償，從而確保加工部位的尺寸。

（4）采用立方氮化硼（CBN）砂輪磨削。由于采用了無靠模數(shù)控凸輪磨床，使得凸輪磨削過程中砂輪與工件接觸表面不同且不均勻，且砂輪磨削過程中接觸點(diǎn)（磨削點(diǎn)）與工件及砂輪二者中心線不在一條直線上，易產(chǎn)生升程誤差，這一特點(diǎn)要求砂輪直徑較小。因此決定選用陶瓷結(jié)合劑的立方氮化硼（CBN）砂輪磨削凸輪。砂輪直徑由單晶鋼玉的Φ600 mm減少到現(xiàn)在的Φ250 mm，且使用壽命長，工件的粗糙度及凸輪升程也均較好地滿足了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

本文針對某汽車凸輪軸的加工特點(diǎn)，結(jié)合工廠實(shí)際，在建立一條集先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)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(shè)備和檢測進(jìn)行了深入研究。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；并進(jìn)行如下主要工作：

（1）根據(jù)凸輪軸加工特點(diǎn)，優(yōu)化選擇了加工設(shè)備。

（2）詳細(xì)分析了凸輪軸機(jī)加工的加工特點(diǎn)和加工難點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了合理的加工工藝，保證了加工質(zhì)量。

由于前期規(guī)劃及前期準(zhǔn)備較為充分，并有正確的理論指導(dǎo)，使得凸輪軸機(jī)加工生產(chǎn)線平面布置合理、設(shè)備利用率高、生產(chǎn)能力穩(wěn)定?，F(xiàn)在凸輪軸機(jī)加工生產(chǎn)線已進(jìn)入穩(wěn)定生產(chǎn)期，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性的統(tǒng)一，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

1楊昂岳，梁術(shù).汽車發(fā)動機(jī)主要零部件技術(shù)水平及發(fā)展動向[J].汽車工業(yè)研究，1994（6）.

2韋于.凸輪軸實(shí)測數(shù)據(jù)光順處理[J].廣西：微車情報(bào)網(wǎng)，1999.

3克勞斯W H.汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)[M].陸繼勛，譯.北京：人民交通出版社，1980.

4吉林工業(yè)大學(xué)內(nèi)燃機(jī)教研室.內(nèi)燃機(jī)理論與設(shè)計(jì)（下冊）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1977.

5劉興富.關(guān)于凸輪評定公差標(biāo)準(zhǔn)的問題探討[M].上海：機(jī)械制造，2002（2）.

Analysis ofⅠnitial Planning and Process of Automotive Camshaft Production line

Wei Zaixiang
（University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China）

Having being developed rapidly,the modern automobile engine industry requires an engine parts manufacturer not only has the ability to produce parts massively,but also has the technology for varieties production in small batch.These requirements also logically exist in the processing of engine camshaft.As one of the key parts of internal combustion engine system,the camshaft has high precision requirement on machining;but its poor stiffness and likely deformation makes the machining more difficult. This imposes many requirements on camshaft material,design and processing.This article mainly discusses the initial production planning and processing of a camshaft.

camshaft,initial planning,processing analysis

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.011

來稿日期：2013-10-29

魏在祥（1978-），男，在讀工程碩士，主要研究方向?yàn)樯a(chǎn)管理及自動化控制工程。