【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 整個(gè)周長(zhǎng)上等壁厚的凸輪被置入一臺(tái)專門的設(shè)備中，這臺(tái)設(shè)備可保證軸向?qū)?zhǔn)凸輪中心線和凸輪轉(zhuǎn)角位置。鋼管穿過如此定位好的凸輪推入，一臺(tái)真空抓取機(jī)將預(yù)先定位好的各個(gè)零件放到帶IHU工具的液壓機(jī)上，IHU工具的模腔形狀正好與制好的毛坯軸的外形輪廓相一致。將液體介質(zhì)注入管內(nèi)后，鋼管兩端用軸向塞頭封死。通過將管內(nèi)壓力提高，使整個(gè)鋼管發(fā)生塑性變形，直到貼合在IHU工具上。此時(shí)，鋼管和凸輪之間接產(chǎn)生了力聯(lián)接和形狀聯(lián)接。2．3 管內(nèi)滾壓擴(kuò)張法 利用滑動(dòng)滾壓原理使得薄壁鋼管在帶孔的外部零件中發(fā)生局部的擴(kuò)張?？梢岳脦в袧L壓過盈量，穿過內(nèi)管的滾壓工具，使內(nèi)管發(fā)生塑性擴(kuò)張。上海通用汽車有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)裝配式凸輪軸就采用鋼球在鋼管內(nèi)部擴(kuò)張方式。2．4 凸輪壓力套裝定位法 這種工藝首次在鋼管外面滾壓加工出圓周方向的槽子，凸輪的孔內(nèi)加工出軸向的線槽，然后從軸向?qū)⒓庸ず玫耐馆喬咨箱摴懿⑼迫?，由于鋼管外徑和凸輪孔之間有過盈，所以當(dāng)凸輪推入到鋼管上面以后就會(huì)發(fā)生塑性變形，鋼管表面和凸輪孔都有一些錐度，推入之后非常牢固。蒂森克虜伯集團(tuán)在大連的裝配式凸輪軸的裝配工藝就是采取這種方法。3 裝配式凸輪軸制造工藝特點(diǎn) a．省略了毛坯件粗加工，工藝流程簡(jiǎn)單。裝配式凸輪軸的各個(gè)零件加工余量小，精度高，不像整體式凸輪軸要從毛坯件(鑄件或鍛件)開始進(jìn)行大量的毛坯粗加工和繁雜的工藝后，才能達(dá)到所要求的形狀。裝配式凸輪軸只需要在裝配后進(jìn)行半精加工和精加工，從而縮短了整個(gè)工藝流程。 b．加工余量小，便于高效率生產(chǎn)。各凸輪采用精鑄部件，因而加工余量小。設(shè)備加工單件時(shí)間短，產(chǎn)能高，有利于規(guī)?；a(chǎn)。如凸輪按最終形狀精鑄，減少了磨削余量，從而縮短了磨削時(shí)間。 c．不同的零件可使用不同的材料，以提高產(chǎn)品性能和加工性能。發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)不同零件(軸套、凸輪、齒輪)有著不同的性能要求，裝配式凸輪軸可在不同零件上采用不同材料。如凸輪采用粉末冶金或鑄鋼，凸輪軸采用冷拔鋼管。這不僅有利于優(yōu)化產(chǎn)品性能，也有利于改善凸輪軸加工性能和優(yōu)化成本。 d．適應(yīng)產(chǎn)品多品種柔性化要求。通過更換不同的軸頸和磨削不同的凸輪型線即可生產(chǎn)出多品種的凸輪軸。該系列產(chǎn)品的基本參數(shù)是一致的，包括軸頸、凸輪基圓半徑、鋼管直徑、軸方向、長(zhǎng)度間距等，生產(chǎn)線只需通過更換安裝盒中的軸頸模具和切換磨床程序即可。4 裝配式凸輪軸加工工藝發(fā)展方向 a．柔性化的生產(chǎn)線布局。生產(chǎn)線布置采用單元自動(dòng)化模塊。單元內(nèi)有龍門架式機(jī)械手上、下料，在瓶頸單元內(nèi)預(yù)留位置便于擴(kuò)展。單元問輸送可采用自動(dòng)化或人工運(yùn)輸，這樣有利于生產(chǎn)線開動(dòng)率的提高。 b．柔性化的產(chǎn)品。凸輪軸的材料和結(jié)構(gòu)可根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要靈活變化，以更多地滿足市場(chǎng)要求，通過軸頸和凸輪型線的變化提供多品種產(chǎn)品。 c．高速磨削、高速磨削CBN(氮化硼)工具的使用?？梢源蠓忍岣吣ハ餍?，減少設(shè)備使用臺(tái)數(shù)。磨削力小，零件加工精度高，工件表面粗糙度降低。砂輪壽命延長(zhǎng)，生產(chǎn)成本降低。 d．多砂輪磨削和兩個(gè)砂輪頭架的使用。在提高砂輪轉(zhuǎn)速的同時(shí)采用多砂輪磨削是另一種減少加工節(jié)拍的方法，如多砂輪磨削凸輪的同時(shí)磨軸頸外徑，一臺(tái)磨床使用兩個(gè)砂輪頭架同步加工凸輪等。 e．在線量?jī)x的使用。為保證尺寸穩(wěn)定性，裝配式凸輪軸加工的關(guān)鍵設(shè)備越來越多地使用在線檢測(cè)自動(dòng)補(bǔ)償功能。 f．粉末冶金等材料的使用。 g．工序集中方式加工。該方式就是將車、銑、鉆、磨削的工序內(nèi)容分別集中在一起，采用柔性設(shè)備組成的制造單元集中式加工。這樣，將最大限度地減少工件裝夾次數(shù)和上下料輸送等輔助時(shí)間，有利于減少誤差和提高生產(chǎn)效率。 h．設(shè)備單元可采用雙主軸或雙機(jī)床來減少加工節(jié)拍，如一個(gè)磨削單元可組合兩臺(tái)磨床，共用一套控制系統(tǒng)，并通過內(nèi)置的龍門架式上下料裝置輸送工件。與采用兩臺(tái)獨(dú)立的機(jī)床相比，不但節(jié)省了設(shè)備費(fèi)用，而且大大減小了占地面積，并且每臺(tái)磨床可使用多主軸完成磨床組合。車床和加工中心也都可以采用雙主軸的方式來提高效率。蒂森克虜伯集團(tuán)在大連建立了裝配式凸輪軸工廠，為發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)提供裝配式凸輪軸。 采用裝配式凸輪軸，發(fā)動(dòng)機(jī)性能得到提高，明顯改善了燃油經(jīng)濟(jì)性，降低了排放，減少了振動(dòng)，同時(shí)也降低了制造成本。目前，裝配式凸輪軸已越來越受到發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)的歡迎。凸輪軸是發(fā)動(dòng)機(jī)配氣系統(tǒng)中極為重要的零件，其各項(xiàng)性能也成為制約發(fā)動(dòng)機(jī)的工作的主要因素之一。為提高凸輪軸的性能，各發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)在設(shè)計(jì)和加工工藝方面采取了一系列措施，如：零件的結(jié)構(gòu)、尺寸；零件毛坯的選材與熱處理工藝…經(jīng)過了諸多措施的實(shí)施，汽車凸輪軸各項(xiàng)性能較從前來說有了質(zhì)的飛躍，但新問題應(yīng)運(yùn)而生：凸輪軸的加工難度大大增加，這對(duì)生產(chǎn)廠家的專業(yè)化程度無疑是一個(gè)嚴(yán)峻考驗(yàn)。 目前，大部分發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)都采用整體式凸輪軸，其材料有的采用中低碳合金鍛鋼（經(jīng)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(chǎn)中采用自動(dòng)線多工位機(jī)床，設(shè)備投資較大，生產(chǎn)線占地面積多，生產(chǎn)成本較高。對(duì)此，有相當(dāng)一部分設(shè)計(jì)者提出了“裝配式凸輪軸”。裝配式凸輪軸，就是將原本整體化的凸輪軸設(shè)計(jì)分解為由若干零件裝配的凸輪軸部件。實(shí)踐證明，該設(shè)計(jì)方案降低了加工難度，但對(duì)改造后的凸輪軸各零件間存在間隙，并且在裝配時(shí)會(huì)因各種因素而產(chǎn)生誤差，因此，《裝配式凸輪軸》方案不能為廣大發(fā)動(dòng)機(jī)制造商所采納。此后，眾多設(shè)計(jì)人員開始把目光轉(zhuǎn)向提高整體式凸輪軸加工的效率。由于傳統(tǒng)的凸輪軸加工采用磨削，因此，四坐標(biāo)凸輪軸磨床、CBN砂輪，凸輪軸CBN磨削技術(shù)相繼誕生。而這些技術(shù)均圍繞著一個(gè)中心：專用機(jī)床。 事實(shí)證明，專用機(jī)床較普通機(jī)床在價(jià)格上相差許多。機(jī)床的科技含量越高，其價(jià)格就越昂貴，這實(shí)際是提高了其加工產(chǎn)品的成本。 在綜合分析凸輪軸加工技術(shù)的領(lǐng)域知識(shí)及信息需求與處理需求的基礎(chǔ)上，通過分析設(shè)計(jì)提出了改變汽車凸輪軸的凸輪部位傳統(tǒng)加工方式，采用專用夾具配合數(shù)控銑床加工，從而降低了凸輪軸的生產(chǎn)成本?！叭藱C(jī)配合”，在編程時(shí)將手動(dòng)控制考慮在加工過程中，大大降低了對(duì)數(shù)控編程及機(jī)床硬件配置的要求。專用夾具的設(shè)計(jì)與開發(fā)、數(shù)控機(jī)床手動(dòng)元件在數(shù)控加工過程中的充分利用等將是今后繼續(xù)研究的方向。1．車軸凸輪軸夾具設(shè)計(jì)2．銑削凸輪夾具設(shè)計(jì)平面凸輪零件是數(shù)控銑削加工中常見的零件之一，其輪廓曲線組成不外乎直線—圓弧、圓弧?圓弧、圓弧—非圓曲線及非圓曲線等幾種。加工中心所用數(shù)控機(jī)床多為兩軸以上聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床。加工工藝過程也大同小異。下面以平面槽形凸輪為例分析其數(shù)控銑削加工工藝。 1．零件圖樣工藝分析 圖樣分析主要分析凸輪輪廓形狀、普通車床尺寸和技術(shù)要求、定位基準(zhǔn)及毛坯等。 材料為鑄鐵，切削加工性較好。 該零件在數(shù)控銑削加工前，工件是一個(gè)經(jīng)過加工、含有兩個(gè)基準(zhǔn)孔、直徑為巾280mm、厚度為18mm的圓盤。圓盤底面且及手35C7和412H7兩孑L可用作定位基準(zhǔn)，無需另作工藝孔定位。 凸輪槽組成幾何元素之間關(guān)系清楚，條件充分，編程時(shí)，所需基點(diǎn)坐標(biāo)很容易求得。凸輪槽內(nèi)外輪廓面對(duì)A面有垂直度要求，只要提高裝夾精度，使A面與銑刀軸線垂直， 加工中心即可保證；手35G7對(duì)上面的垂直度要求已由前工序保證。 2．確定裝夾方案 一般大型凸輪可用等高墊塊墊在工作臺(tái)上，然后用壓板螺栓在凸輪的孑L上壓緊。外輪廓平面盤形凸輪的墊塊要小于凸輪的輪廓尺寸，不與銑刀發(fā)生干涉。對(duì)小型凸輪，一般用心軸定位、壓緊即可。 凸輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用“一面兩孑L，’定位，設(shè)計(jì)一“一面兩銷”普通車床專用夾具。用一塊320mmX320mmx40mm的墊塊，在墊塊上分別精鏜，少35mm及412mm兩個(gè)定位銷安裝孔，孔距為80177。0．015mm，墊塊平面度為0．05mm，加工前先固定墊塊，使兩定位銷孔的中心連線與機(jī)床的X軸平行，墊塊的平面要保證與工作臺(tái)面平行，并用百分表檢查。 凸輪零件的裝夾方案示意圖。采用雙螺母夾緊，加工中心提高裝夾剛性，防止銑削時(shí)振動(dòng)。 3．確定進(jìn)給路線 進(jìn)給路線包括平面內(nèi)進(jìn)給和深度進(jìn)給兩部分路線。對(duì)平面內(nèi)進(jìn)給，對(duì)外凸輪廓從切線方向切人，對(duì)內(nèi)凹輪廓從過渡圓弧切人。在兩軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床上，對(duì)銑削平面槽形凸輪，深度進(jìn)給有兩種方法：一種方法是在XZ(或YZ)平面內(nèi)來回銑削逐漸進(jìn)刀到既定深度；另一種方法是先打一個(gè)工藝孑L，普通車床然后從工藝孔進(jìn)刀到既定深度。 本例進(jìn)刀點(diǎn)選在戶(150，0)，刀具在r—15及r十15之間來回運(yùn)動(dòng)，逐漸加深銑削深度。當(dāng)達(dá)到既定深度后，刀具在XY平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，銑削凸輪輪廓。為保證凸輪的工作表面有較好的表面質(zhì)量，采用順銑方式，即從戶(150，0)開始，對(duì)外凸輪廓，按順時(shí)針方向銑削，對(duì)內(nèi)凹輪廓按逆時(shí)針方向銑削。加工中心即為銑刀在水平面內(nèi)的切人進(jìn)給路線。 4．選擇刀具及切削用量 銑刀材料和幾何參數(shù)主要根據(jù)零件材料切削加工性、普通車床工件表面幾何形狀和尺寸大小選擇；切削用量是依據(jù)零件材料特點(diǎn)、刀具性能及加工精度要求確定。通常為提高切削效率要盡量選用大直徑的銑刀；側(cè)吃刀量取刀具直徑的三分之一到二分之一，背吃刀量應(yīng)大于冷硬層厚度；切削速度和進(jìn)給速度應(yīng)通過試驗(yàn)選取效率和刀具壽命的綜合最佳值。精銑時(shí)切削速度應(yīng)高一些。 本例零件材料(鑄鐵)屬于一般材料，加工中心切削加工性較好，選用批8mm硬質(zhì)合金立銑刀，主軸轉(zhuǎn)速取150—235r／min，進(jìn)給速度取30—60mm／min。槽深14mm，普通車床銑削余量分三次完成，第一次背吃刀量8mm，第二次背吃刀量5mm，剩下的1mm隨同輪廓精銑一起完成。凸輪槽兩側(cè)面各留0．5—0．7mm精銑余量。在第二次進(jìn)給完成之后，檢測(cè)零件幾何尺寸，依據(jù)檢測(cè)結(jié)果決定進(jìn)刀深度和刀具半徑偏置量，分別對(duì)凸輪槽兩側(cè)面精銑一次，達(dá)到圖樣要求的尺寸。傳統(tǒng)的盤形凸輪設(shè)計(jì)主要有圖解法和解析法，加工方法有手工畫線加工和數(shù)控銑削加工，大批量生產(chǎn)亦可采用仿形銑。圖解法直觀、簡(jiǎn)單，但是手工作圖選取的等分?jǐn)?shù)有限、精度差。以此為基礎(chǔ)的手工畫線加工的精度和加工表面精度都比較低。解析法設(shè)計(jì)雖然解決了凸輪精度問題，但要得到完整的凸輪輪廓曲線就要編制復(fù)雜的程序。尤其在滾子推桿盤形凸輪設(shè)計(jì)中，對(duì)于理論輪廓曲線的等距線的編程更為復(fù)雜，以此為基礎(chǔ)的數(shù)控銑床加工也就同樣存在著編程復(fù)雜的問題。因此它的應(yīng)用也就受到了很大的限制。利用CAD軟件的強(qiáng)大作圖功能，可以十分方便地進(jìn)行凸輪的廓形設(shè)計(jì)，精度好效率高。本文介紹了利用CAXA系列CAD/CAM軟件及圖解法進(jìn)行盤形凸輪的設(shè)計(jì)與加工。 1． 盤形凸輪CAD CAXA電子圖板（下稱EB）是一個(gè)通用的二維CAD軟件，它有一個(gè)很好的功能畫公式曲線，只要在公式曲線的對(duì)話框中填入曲線公式及相關(guān)參數(shù)就可以畫出曲線。這樣就可以很容易地完成凸輪廓形曲線的設(shè)計(jì)，而無需任何形式的語言編程。下面介紹作圖法設(shè)計(jì)盤形凸輪的過程，其中的所有作圖過程完全是在EB上交互作圖完成。 已知推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律S、最大行程h或φmax以及升程許用壓力角[α1]和回程許用壓力角[α2]，用作圖法設(shè)計(jì)盤形凸輪輪廓有兩個(gè)步驟:先要確定凸輪基圓半徑r0，然后再求凸輪輪廓廓形。 1．1 盤形凸輪基圓半徑的確定 1．1．1 直動(dòng)推桿盤形凸輪的最小基圓半徑 首先在直角坐標(biāo)系中作曲線C X=S Y=dS/dδ 其中S=S(δ)，δ為凸輪轉(zhuǎn)角。此曲線可用EB的公式曲線功能來實(shí)現(xiàn)。 其次作兩條直線與X軸成升程許用壓力角[α1]和回程許用壓力角[α2]，且與所作曲線相切，則有交點(diǎn)A，那么就有OA=r0min，如圖1所示。圖1中陰影部分為凸輪回轉(zhuǎn)中心的可行區(qū)。以此為基礎(chǔ)將偏心距e及OA進(jìn)行圓整，就可確定基圓半徑，即取r0=OA1 1．1．2 擺動(dòng)推桿盤形凸輪的最小基圓半徑 由文獻(xiàn)[1]可知，先在直角坐標(biāo)系中作曲線C1 X=ρcosθ Y=ρsinθ 且 ρ=L(1+dφ/dδ) θ=φ,其中擺桿的擺角φ=φ(δ)，L為擺桿的長(zhǎng)度。 如圖2所示，用EB的圓形陣列畫法過O點(diǎn)在最大擺動(dòng)角φmax做N條等分射線，與曲線的推程和回程段分別交于D、C點(diǎn)。再過D點(diǎn)做直線mm與直線OD成θ角（θ=90176。[α1]），過C點(diǎn)做直線nn與直線OC成θ1角(θ1=90176。[α2])，則圖2中的陰影部分為凸輪回轉(zhuǎn)中心的可行區(qū)，且O1A =r0min。以此為基礎(chǔ)將O1A及中心距a進(jìn)行圓整，就可得到基圓半徑r0=O2A。 1．2 設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線 當(dāng)確定了凸輪基圓半徑r0，并已知推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律及盤形凸輪輪廓曲線的解析公式[1]，就可用EB中的公式曲線功能來畫出凸輪輪廓曲線。 1．2．1 直動(dòng)滾子推桿盤形凸輪設(shè)計(jì) 先作出滾子中心的理論輪廓曲線。 X=(S0+S)sinδ+ecosδY=(S0+S)cosδ+esinδ 其中， 因?yàn)楣ぷ骼€與理論廓線在法線方向的距離處處相等，且等于滾子半徑。那么工作廓線為理論廓線的等距線。為了確定滾子半徑rr，用三點(diǎn)畫圓的畫法在理論輪廓曲線曲率最大的位置取三點(diǎn)求出ρmin，使rr=。這樣一來，在EB中作出理論廓線，再用EB中的畫等距線的功能畫出工作廓線（距離為rr），則完成了該凸輪的輪廓曲線設(shè)計(jì)。 1．2．2 對(duì)心平底推桿（平底與推桿軸線垂直）盤形凸輪設(shè)計(jì) 根據(jù)反轉(zhuǎn)法作圖法可知，推桿平底與凸輪切點(diǎn)的軌跡為凸輪的輪廓曲線。此時(shí)，平面凸輪機(jī)構(gòu)壓力角與凸輪的基圓半徑及從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律無關(guān)?；鶊A半徑由實(shí)際工作情況決定，其廓形曲線的解析方程為： X=(r0+s)sinδ+(dS/dδ)cosδ Y=(r0+s)cosδ(dS/dδ)sinδ 式中S=S(δ)。 1．2．3 擺動(dòng)滾子推桿盤形凸輪設(shè)計(jì) 已知擺桿的長(zhǎng)度L，擺桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律φ=φ(δ)。先由上述方法確定基圓r0以及中心距a。然后作出滾子中心B點(diǎn)的理論輪廓曲線，曲線方程如下： X=asinδLsin(δ+φ+φ0) Y=acosδLcos(δ+φ+φ0) 利用EB繪出理論廓線后，再確定滾子半徑rr的數(shù)值，然后做它的等距線，則為此凸輪的實(shí)際輪廓曲線。有了凸輪廓形曲線之后，再進(jìn)行其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸標(biāo)注等工作就完成了凸輪設(shè)計(jì)。 2 盤形凸輪CAM 盤形凸輪的廓