一文全懂——发动机凸轮轴的加工工艺分析

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一文全懂——发动机凸轮轴的加工工艺分析

凸轮轴的加工

一、凸轮轴的功用  
对各气缸进、排气门的开启和关闭起控制作用，同时，还用来驱动分电器、汽油泵等辅助装置。

二、凸轮轴的结构特点与技术要求
支承轴颈、进、排气凸轮、偏心轮、驱动发动机辅助装置的齿轮、正时齿轮轴颈。
特点：结构复杂、长径比大、工件刚性差。
技术要求：
1、支承轴颈的尺寸精度及各支承轴颈之间的同轴度。
2、正时齿轮轴颈的尺寸精度及相对于支承轴颈的同轴度。
3、键槽的尺寸和位置精度。
4、止推面相对于支承轴颈线的垂直度。
5 、凸轮基圆的尺寸精度和相对于支承轴颈轴线的同轴度。
6 、凸轮的位置精度。

7、凸轮的形状精度（曲线升程）等。

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三、凸轮轴的材料和毛坯制造
工作条件：受冲击性载荷：要求凸轮轴和支承轴颈表面耐磨。凸轮本身具有足够的韧性和刚度，需要进行热处理。
材料:铸铁（冷硬铸铁、可淬硬的低合金铸铁、球墨铸铁）；钢：中碳钢、渗碳钢。
冷硬铸铁多用于凸轮承受随动件高负荷的场合（英国）。
可淬硬的低合金铸铁凸轮轴多用于凸轮轴承受随动件低负荷的场合（美国） 。
钢凸轮轴：45钢模锻。
加热－模锻（滚压、顶锻、终锻）－热切边－磨残余飞刺（消除锻造内应力、热处理、校直）。
精度：铸件（8－9）的精度高于锻件（5）。
直接棒料加工：美国冠明斯柴油机厂、英国Gardner柴油机厂、德国奔驰汽车公司400系列柴油机。

四、凸轮轴加工工艺性分析
影响加工精度的因素
易变形：刚度低、切削力大、表面残余应力。钢的凸轮轴热处理产生变形。影响后续加工工序余量的安排、变形过大导致无法完成后续加工、报废。直接影响到装配后凸轮轴的使用性能。
措施:粗精分开、及时修正、适时安排校直工序，加工过程中安排辅助装置。
加工难度大
凸轮和偏心轮。
凸轮要求：相位角准确、升程满足气门开启和关闭时升降的规律。靠模加工中加工半径和切削力、切削速度时刻变化。

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凸轮轴加工工艺分析

一、定位基准的选择
两顶尖孔作为轴类零件的定位基准：  避免了工件在多次装夹中因定位基准的转换而引起的定位误差，也可用作，后续工序的定位基准，符合“基准统一”，  装夹方便、可靠、简化了工艺规程，一次装夹加工多面。
粗基准的选择
常选择其支承轴颈的毛坯外柱圆面及其一个侧面作为定位基准。
端面加工：国内各厂家采用铣削加工。国外一些（美国福特）以磨代铣。
1、对于毛坯是模锻件尤其是精磨锻件来说，毛坯精度是由锻模来保证的，其精度较高，加工余量也较小。毛坯锻造后已经过喷丸处理，表面平整、光洁、无飞边、毛刺等缺陷。
2、对于毛坯是铸件尤其是精铸件来说，不仅具有较好的加工性，而且加工余量也较精确，其毛坯精度比锻件还高，完全能保证定位可靠。
3、在凸轮轴加工过程中，选择粗基准还要考虑加工余量的分配均匀、合理。这对于工件长径比较大、刚度低的特点来说，不仅有利于减小因切削余量不均、切削力剧烈变化而使工件产生的弯曲变形，对于保证精加工质量和提高劳动生产率具有重要的意义。
精基准的选择
对于各支承轴、正时齿轮、齿轮轴颈和连接轴颈外圆表面的粗加工、半精加工、精加工及支承轴、正时齿轮轴颈的光整加工凸轮、偏心轮的半精加工、精加工及光整加工，均是以两顶尖孔作为精基准。 对于凸轮、偏心轮的粗加工，一般是以经过加工后的支承轴颈、正时齿轮轴颈作为定位基准。各表面精加工之前、热处理之后，通常安排中心孔的修整工序修整中心孔时以支承轴进行定位，常用的方法是研磨。

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二、加工阶段的划分和工序顺序的安排
1、加工阶段的划分四个阶段：
粗加工：各支承轴颈、正时齿轮轴颈和螺纹轴颈外圆、车凸轮、偏心轮等。
半精加工：粗磨凸轮、偏心轮等。
精加工：精磨正时齿轮轴颈和止推面、四个支承轴颈外圆，精磨凸轮、偏心轮。
光整加工：抛光支承轴颈、凸轮和偏心轮。
2、工序顺序安排
对各轴颈：车－－粗磨－－精磨－－抛光
淬火加工安排在各主要表面的半精加工之前进行，防止经过淬火后变形过大而造成精加工时的困难。

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三、校直
结构特点：刚度低、易变形
第一次：打中心孔后（保证二、三支承轴外圆加工中余量合理分配）
第二次：磨第二、三支承轴之前，车削四个支承轴外圆后，（纠正车削支承轴颈时的变形，保磨削证第二、三支承轴颈时余量均匀）  
第三次：精磨正时齿轮轴颈、四个支承轴、螺纹轴颈、齿轮外圆之前，车削凸轮侧面和连接轴颈之后（保证磨削时余量均匀）
第四次：粗磨凸轮、偏心轮之前，凸轮轴淬火之后（减小和消除工件因淬火引起的变形）
第五次：精磨正时齿轮轴颈外圆和止推面、四个支承轴颈外圆、凸轮和偏心轮之前，粗磨凸轮和偏心轮之后（保证精磨时余量均匀）
第六次：全部凸轮、偏心轮和支承轴颈抛光之后，作为终检前的最后一次校直。

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四、凸轮形面的加工
凸轮形面粗加工：
按刀具：单刀仿形 ；多刀仿形 按车床：双靠模切削：单靠模切削。
定位：以一个支承轴颈端面作为轴向定位；以正时齿轮和一个支承轴外圆作为定位基准；加工中采用滚轴式辅助支承。也可用铣削加工或者磨削加工代替车削。
凸轮形面精加工：
1、双靠模凸轮磨床
机床有两套靠模：靠模自动更换，通过对砂轮直径的控制提高凸轮外形的精度。
2、双循环
凸轮磨床：可在一次安装后对凸轮轴上全部凸轮连续粗精磨削。
先以60m/s的速度大进给量粗磨全部凸轮，以30m/s的磨削速度依次精磨全部凸轮，结束后进行修正。
3、采用立方氮化硼砂轮，提高寿命，减小砂轮磨损，提高精度。
4、数控凸轮磨床：应用计算机进行数控编程，摆脱靠模精度对凸轮精度的影响。
5、计算机数控－立方氮化硼砂轮凸轮磨床该磨床能迅速变换磨削的凸轮 形状，达到甚至超过目前一般仿形凸轮磨床的生产率。
6、采用电－液脉冲马达控制头架、砂轮架 的同步。
7、采用多片砂轮、高强度砂轮进行高速磨削。
8、采用砂轮轴摆动装置减小凸轮形面的表面粗糙度。
9、采用预选粗、精磨削余量等预选装置。
10、采用主动测量装置。
11、采用自动补偿、自动修整等装置。
砂带抛光
光整加工－砂带抛光 螺纹加工。
螺纹分类：紧固和传动螺纹；圆柱和圆锥；内螺纹和外螺纹；左旋和右旋；单头和多头；三角形、梯形、矩形和锯齿形。
加工方法：小直接内螺纹－丝锥功丝；外螺纹－车削、用梳齿螺纹铣刀铣削、用螺纹切头和滚压。

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五、中频淬火
原理：通过感应方法产生的交流电流沿导体截面分布是不均匀的。愈靠近导体表面部分的截面处电流密度愈大，在导体中心部分，电流几乎等于零。当交流电频率越高时，电流分布越不均匀。可选用不同的电流频率来达到不同的淬透深度。增加淬硬层深度可延长表面的耐磨寿命，但却使脆性破坏的倾向增加。

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六、凸轮轴加工中易出现的质量问题和解决措施
1、精车支承轴后磨不圆
可能问题：用单板机加工，程序易乱，加工尺寸不稳定，跳动超差。无法在精车时得到纠正
解决措施：更换车削支承轴颈设备，改变控制系统，单板机定期巡检。  
2、凸轮升程超差
可能问题：机床靠模磨损，靠模精度下降。
解决措施：定期检查、修整、及时更换靠模。在磨削凸轮形面时，采用改变工件回转方向的方法，以提高凸轮曲线的形状精度。
3、凸轮基面跳动超差
可能问题：机床靠模磨损，靠模精度下降。联轴器与导轴间隙加大。     
解决措施：定期检查、修整、即使更换靠模和联轴器导轴。
4、凸轮轴各主要工作表面精磨后有微小波纹
解决措施：定期检查、调整机床间隙。控制精磨时的进给量，增加走刀次数和无火化磨削。