毕业论文 -――汽车凸轮轴加工工艺分析

1凸轮轴的设计与加工工艺的编制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成本、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第一章引言凸轮轴是汽车发动机配气机构中重要的零件，凸轮轴的结构设计与加工质量好坏，直接影响发动机的性能。凸轮轴专司控制内燃机进气门和排气门开启和关闭的时间。就其功能而言，凸轮轴多少年来都没有什么改变。自从气门控制的内燃机问世以来，直至今天凸轮轴还是以曲轴转速之半运转。但是，凸轮轴设计的发展从来都没有停止过:在现代发动机中，凸轮轴的位置已经从下置式改成了上置式。上置式凸轮轴通过挺杆、圆柱齿轮、链条、摇臂或者辊子随动件驱动顶置式气门。此外，由于采用多气门的缘故，每一台内燃机凸轮轴的数量也增加了。还开发了各种各样可变气门定时的凸轮轴。同时，在材料和制造工艺上也发生了2改变。近年来，又因环境保护的需要，正在开发低油耗、无污染的汽车发动机。为解决汽车尾气无污染排放问题，实现发动机的高转速、高输出功率，许多发动机采用多气门及配气相位、气门升程可变的结构，这就增加了气门弹簧的载荷。同时，为降低油耗及摩擦损耗，轮与摇臂间采用滚子结构，凸轮与滚子的接触面形成高压力区。另外，为达到汽车轻型化、低成本的目的，在不影响各个零件性能要求的前提下，应该使零件尽可能简化加工、降低重量，材料使更趋合理。为实现上述目标，对发动机部件，尤其是凸轮轴的设计必须重新考虑，要求其结构紧凑、质量小，能承受更高接触压力，更好的耐胶着、耐点蚀、耐磨损的能力。在配气机构中，对凸轮轴各个部位的性能要求是不同的。对于凸轮，要求耐磨损、耐胶着、耐点蚀;对于轴颈要求滑动性能好；对于轴则要求刚性、弯曲、扭转性能好。传统的凸轮轴主要是铸造或锻造加工而成，各部位金属性能相同。这种由单一金属组成的凸轮轴很难达到上述要求。因此，质量小、加工成本低、材料利用合理的装配式凸轮轴（图1-1）受到业内人士的高度重视。目前在汽车工业发达国家，装配式凸轮轴制造新技术已应用于生产中。而且，这一改变进程还没有到达发展的尽头，因为采用电磁气门驱动系统的无凸轮轴内燃机离成批生产还需要时间。凸轮轴是一种不断地加速和减速的旋转质量。这种加速和减速伴随着能量的消耗。减轻凸轮轴的质量可以对内燃机节能发挥积极影响。所以今天凸轮轴上的创新往往与减轻重量分不开。第二章凸轮轴工作特性2.1凸轮轴的概念凸轮轴是发动机配气机构的一部分，专门负责驱动气门按时开启和关闭，作用是保证发动机在工作中定时为汽缸吸入新鲜的可燃混合气，并及时将燃烧后的废气排出汽缸。凸轮轴直接通过摇臂驱动气门，很适用于高转速的轿车发动机，由于转速较高，为保证进排气和传动效率、简化传动机构、降低高转速的振动和噪音，多采用顶置式气门和顶置式凸轮轴，这样，发动机的结构也比较紧凑。但任何事物都有两面性，顶置式凸轮轴的缺点是由于部件的布置设计比较复杂，维修起来也比较麻烦。但衡量利弊，它还是比较适合于轿车。2.2凸轮轴的作用凸轮轴是发动机配气机构的一部分，专门负责驱动气门按时开启和关闭，作用是保证发动机在工作中定时为汽缸吸入新鲜的可燃混合气，并及时将燃烧后的废气排出汽缸。凸轮轴直接通过摇臂驱动气门，很适用于高转速的轿车发动机，由于转速较高，为保证进排气和传动效率、简化传动机构、降低高转速的振动和噪音，多采用顶置式气门和顶置式凸轮轴，这样，发动机的结构3也比较紧凑。但任何事物都有两面性，顶置式凸轮轴的缺点是由于部件的布置设计比较复杂，维修起来也比较麻烦。但衡量利弊，它还是比较适合于轿车。2.3凸轮轴的特点１．凸轮轴的结构凸轮轴凸轮轴的主体是一根与汽缸组长度相同的圆柱形棒体。上面套有若干个凸轮，用于驱动气门。凸轮轴的一端是轴承支撑点，另一端与驱动轮相连接。凸轮的侧面呈鸡蛋形。其设计的目的在于保证汽缸充分的进气和排气，具体来说就是在尽可能短的时间内完成气门的开、闭动作。另外考虑到发动机的耐久性和运转的平顺性，气门也不能因开闭动作中的加减速过程产生过多过大的冲击，否则就会造成气门的严重磨损、噪声增加或是其它严重后果。因此，凸轮和发动机的功率、扭矩输出以及运转的平顺性有很直接的关系。一般来说直列式发动机中，一个凸轮都对应一个气门，V型发动机或水平对置式发动机则是每两个气门共享一个凸轮。而转子发动机和无阀配气发动机由于其特殊的结构，并不需要凸轮。虽然在四冲程发动机里，凸轮轴的转速是曲轴转速的一半，但是它的转速依然很高，而且需要承受很大的转矩，因此对凸轮轴的强度和可靠支撑方面的要求很高。凸轮轴的主体是１根与气缸组长度相同的圆柱体，上面加工有若干个凸轮，凸轮轴的材质一般是特种铸铁，有时也采用锻刚和合金制造。大多数凸轮轴的内部被制造成中空结构，这不仅可以降低凸轮轴的质量，同时也提高了凸轮轴承受载荷的能力。凸轮轴上还加工有润滑油道，润滑油由此经过，为凸轮轴、摇臂轴以及摇臂等部件提供润滑。图2-1所示是三菱４Ｇ６３ＤＯＨＣ发动机使用的凸轮轴。图2-1２．凸轮轴的位置凸轮轴在以前很长的一段时间里，底置式凸轮轴在内燃机中最为常见。通常这样的发动机中，气门位于发动机的顶部，即所谓的OHV（OverHeadValve，顶置气门）式发动机。此4时通常凸轮轴位于曲轴箱的侧面，通过配气机构（如挺杆、推杆、摇臂等）对气门进行控制。因此底置式凸轮轴一般也叫侧置式凸轮轴。由于在这样的发动机中凸轮轴距离气门较远，而且每个气缸通常只有两个气门，因此转速通常较慢，平顺性不佳，输出功率也比较低。不过这种结构的引擎输出扭矩和低速性能比较出色，结构也比较简单，易于维修。现在大多数量产车的发动机配备的是顶置式凸轮轴。顶置式凸轮轴结构使凸轮轴更加接近气门，减少了底置式凸轮轴由于凸轮轴和气门之间较大的距离而造成的往返动能的浪费。顶置式凸轮轴的发动机由于气门开闭动作比较迅速，因而转速更高，运行的平稳度也比较好。较早出现的顶置式凸轮轴结构的发动机是SOHC（SingleOverHeadCam，顶置单凸轮轴）式发动机。这种发动机在顶部只安装了一根凸轮轴，因此一般每个汽缸只有两到三个气门（进气一到两个，排气一个），高速性能受到了限制。而技术更新一些的则是DOHC式（DoubleOverHeadCam，顶置双凸轮轴）发动机，这种发动机由于配备了两根凸轮轴，每个汽缸可以安装四到五个气门（进气二到三个，排气二个），高速性能得到了显著的提升，不过与此同时低速性能会受到一定的影响，结构也会变得复杂，不易维修。发动机的凸轮轴安装位置有下置、中置、顶置三种形式。轿车发动机由于转速较快，每分钟转速可达5000转以上，为保证进排气效率，都采用进气门和排气门倒挂的形式，即顶置式气门装置，这种装置都适合用凸轮轴的三种安装形式。但是，如果采用下置式或者中置式的凸轮轴，由于气门与凸轮轴的距离较远，需要气门挺杆和挺柱等辅助零件，造成气门传动机件较多，结构复杂，发动机体积大，而且在高速运转下还容易产生噪声，而采用顶置式凸轮轴则可以改变这种现象。所以，现代轿车发动机一般都采用了顶置式凸轮轴，将凸轮轴配置在发动机的上方，缩短了凸轮轴与气门之间的距离，省略了气门的挺杆和挺柱，简化了凸轮轴到气门之间的传动机构，将发动机的结构变得更加紧凑。更重要的是，这种安装方式可以减少整个系统往复运动的质量，提高了传动效率。３．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。4．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）。5第三章国内外凸轮轴的生产与研究概况3.1国外凸轮轴的生产方法a、钢质锻造毛坯经切削加工后，凸轮桃尖部分频淬火形成马氏体层。b、20世纪70年代末德国和法国相继开发了凸轮轴氩弧重熔新工艺。在电弧高温作用下，利用氩气层流的保护，在凸轮表面形成微小熔池，电弧转移后，靠工件自身吸热使熔池激冷而得到细小的莱氏体。体组织。这种方法的优点是凸轮的晶粒细小、耐磨性比冷硬铸铁高、易于实现机械化、质量稳定、废品率低、成本低等。目前，我国已引进了此项技术。c、以美国为主的可淬硬铸铁凸轮轴。它是用合金铸铁凸轮轴毛坯通过高、中频淬火，在凸轮周边获得回火马氏体、少量碳化物、少量残余奥氏体及细条状石墨混合组织的耐磨层，其中细条状石墨有储油、自润滑作用。这种凸轮轴的抗擦伤性次于冷硬铸铁凸轮轴，但比钢质凸轮轴好；抗疲劳能力比冷硬铸铁凸轮轴好，但比钢质凸轮轴差。d、以日本和法国为主的冷硬铸铁凸轮轴。e、组合式凸轮轴3.2国内凸轮轴的生产方法a、钢质锻造毛坯或合金铸铁毛坯经切削加工后，凸轮桃尖部分经高频淬火形成马氏体层。如一汽CA1091型