排氣凸輪軸的工藝規(guī)程及工裝設計【說明書+CAD+3D】
排氣凸輪軸的工藝規(guī)程及工裝設計【說明書+CAD+3D】,說明書+CAD+3D,排氣凸輪軸的工藝規(guī)程及工裝設計【說明書+CAD+3D】,排氣,凸輪軸,工藝,規(guī)程,工裝,設計,說明書,CAD
畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告
1．結合畢業(yè)設計情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻綜述：
文 獻 綜 述
凸輪軸是汽車發(fā)動機配氣機構中重要的零件，凸輪軸的結構設計與加工質量好壞，直接影響著發(fā)動機的性能。近年來，因環(huán)境保護的需要，正在開發(fā)低油耗、低污染的發(fā)動機。為了解決汽車尾氣無污染排放問題，實現(xiàn)發(fā)動機的高轉速、高輸出功率，許多發(fā)動機采用多氣門及配氣相位、氣門升程可變的結構，這就增加了氣門彈簧的載荷。同時，為了降低油耗及摩擦損耗，凸輪與搖臂間采用滾子結構，凸輪與滾子的接觸面形成高壓力區(qū)，這對凸輪軸運動的平穩(wěn)性、動平衡、耐磨性能及抗扭強度提出了更高的要求。另外，為了達到汽車輕型化、低成本的目的，在不影響各個零件性能要求的前提下，應該使零件盡可能簡化加工、降低重量，材料使用也更趨合理。
凸輪軸的構造
凸輪軸的主體是一根與氣缸組長度相同的圓柱形棒體。上面套有若干個凸輪，另一端與驅動輪相連接。
凸輪的側面呈雞蛋形。其設計的目的在于保證氣缸充分的進氣和排氣，盡可能在短時間內完成氣門的開、閉動作。另外考慮到發(fā)動機的耐久性和運轉的平順性，氣門也不能因開閉動作中的減速過程產生過多過大的沖擊，否則就會造成氣門的嚴重磨損、噪聲增加或者其它嚴重后果。因此，凸輪和發(fā)動機的功率、扭矩輸出以及運轉的平順性有很直接的關系。
一般來說，直列式發(fā)動機中，一個凸輪就對應一個氣門。V型發(fā)動機或水平對置式發(fā)動機則是每兩個氣門共享一個凸輪。而轉子發(fā)動機和無閥配氣發(fā)動機由于其特殊的結構，并不需要凸輪。為了實現(xiàn)輕量化，易于加工且低成本，以及發(fā)動機的高轉速、高輸出功率，發(fā)動機部件，尤其是凸輪軸的設計必須重新考慮，要求其結構緊湊、功能高度集中、重量輕，能承受更高的接觸壓力。在目前的凸輪軸應用中，已經(jīng)將缸蓋潤滑系統(tǒng)集中于中空式凸輪軸，將實現(xiàn)缸內直噴的燃油泵驅動組件在凸輪軸上實現(xiàn)，將VVT(可變正時氣門)在凸輪軸尾端使用。在配氣機構中，對凸輪軸各個部位的性能要求是不同的。對于凸輪和燃油泵驅動輪，要求耐磨損、耐膠著、耐點蝕；對于軸頸要求滑動性能好；對于軸則要求剛性、彎曲、扭轉性能好[1-2]。
凸輪軸的國內外發(fā)展趨勢
金屬、塑料復合凸輪軸已在美國應用。將粉末金屬成型并經(jīng)磨削加工的凸輪片和中空鋼軸放入模具內,在中空軸周圍注射塑料。凸輪片和軸之間不再有金屬直接接觸,而是由塑料固定形成一體。這種凸輪軸的成本及重量均可減少40%,可降低發(fā)動機噪聲,加工準備時間由原來的幾小時縮短至幾分鐘。
裝配式凸輪軸目前以較快的速度發(fā)展,主要應用于高性能發(fā)動機上。目前,世界上許多汽車工業(yè)發(fā)達的汽車制造廠正在越來越多使用裝配式凸輪軸制造新技術,但因技術掌握的程度、方法不同,使用裝配式凸輪軸的種類也不同。日本日野自動車工業(yè)株式會社在20世紀90年代初開發(fā)了熱套和焊接組合的生產方式,凸輪采用碳鋼,用冷精鍛方法制造,軸頸采用高頻淬火鋼管制成,軸則采用冷拔碳鋼管。日本豐田汽車公司也有相似的生產方式。日本精工株式會社用擴管法生產凸輪軸,產品的剛度較鑄造產品提高1.7倍,累計生產已達300萬根。日本柱塞環(huán)株式會社從20世紀80年代中期開始生產燒結連接式凸輪軸,1992年開始生產專門用于低能耗發(fā)動機的凸輪軸,凸輪采用燒結合金,具有非常好的耐磨損及耐點蝕性能。目前已生產了750萬根。從20世紀90年代中期該公司開始研制刮削連接式凸輪軸。美國MTS2SA公司、TORINGTON公司、FEDERAL2MDOGUL公司、通用汽車公司、福特汽車公司都已將裝配式凸輪軸應用于生產之中。德國的大眾汽車公司、奔馳汽車公司、THYSSENK2RUPP公司,英國的T&NTechnology公司、GKNBoundBrook公司也都先后開發(fā)研制了裝配式凸輪軸的生產工藝及設備。目前在我國僅上海大眾汽車公司有1條生產裝配式凸輪軸的生產線,其他企業(yè)還處于空白階段。個別單位曾經(jīng)研制了燒結連接式凸輪軸,但都沒有實用化。吉林大學對裝配式凸輪軸已經(jīng)研制開發(fā)了多年,重點針對滾花連接方式進行了研究,對連接機理進行了探討,應用計算機模擬方法對連接部位工作狀態(tài)的應力應變做了模擬研究,并對裝配力做了不同情況的試驗分析。在連接試驗的基礎上開發(fā)了自動化裝配機。裝配式凸輪軸已發(fā)展二十多年,除了上述的方法外,正大力開發(fā)應用復合材料,例如陶瓷材料等制造凸輪軸。隨著裝配式凸輪軸生產技術的提高,性能更好、成本更低、技術多樣化的裝配式凸輪軸將會涌現(xiàn)出來[3]。
1981年7月,日本豐田汽車公司宣布,世界第1個粉末冶金技術制成粉末燒結結中空整體凸輪軸,已大量用于IS型直列式死缸發(fā)動機,粉末燒結整體中空凸輪軸是由8個凸輪片、5個軸頸、1個齒輪、2個燃料泵凸輪、1個前軸頸、1根鋼管18個零件組合燒結而成。粉末燒結整體中空凸輪軸的制造工藝是:將與燒結和模鍛的粉末凸輪片、齒輪、軸頸嵌入或壓入鋼管軸上,然后對粉末凸輪進行正式燒結(1100e、30min,分解氨)。同時以純銅為釬料,將軸頸、齒輪釬焊在鋼管軸上。燒結時,粉末合金中的Fe-P-C組分生成液相,使凸輪片生產收縮和擴張粘結于鋼管軸表面。矯直,檢驗后,經(jīng)精加工,即制成燒結中空整體凸輪軸。燒結中空整體凸輪軸與鑄鐵凸輪軸相比的技術經(jīng)濟指標效果:1)質量減輕了26%。2)實際發(fā)動機的電動回轉試驗表明,燒結合金凸輪軸的磨損僅為原用冷鑄鐵的1/7。3)燒結合金凸輪軸的外形接近最終形狀,磨削加工量小,因此,凸輪軸磨床可減少20%,不需要鉆油路。4)鋼管軸內孔可用作發(fā)動機油的主通路。發(fā)動機油通過凸輪內孔,由汽缸組供給凸輪、軸頸、燃料泵凸輪及驅動齒輪的分配器,并通過軸頸將油供給余隙調節(jié)器。因此,不再需要輸油管,潤滑系統(tǒng)可大大簡化。凸輪軸的機械加工量可大大減[4]。
日本精工株式會社采用內高壓軸管擴徑連接,生產的凸輪軸累計已達300萬根,產品的剛度較鑄造凸輪軸提高1.7倍。日本豐田汽車公司也有相似的生產方式。上海通用汽車公司采用耐磨燒結鐵基合金材料凸輪與空心軸體通過機械擴徑來實現(xiàn)聯(lián)接,用于轎車中空裝配式凸輪軸生產。德國蒂森克虜伯普里斯坦公司采用軸向滾花連接方式,以1200萬根中空裝配式凸輪軸的年產量成為全球市場的領導者。在國內,吉林大學對滾花連接技術進行了深入研究,并開發(fā)了中空裝配式凸輪軸新型滾花連接技術與三軸CNC裝配機(專利技術)。在汽車領域,中空裝配式凸輪軸新技術已在高性能的發(fā)動機上得到應用。美國福特汽車公司的GT)90汽油機(V型12缸)頂置式凸輪軸,通用汽車的LN2汽油機(直列4缸)頂置式凸輪軸和3100SFI汽油機(V型6缸)頂置凸輪軸,日本日野公司的J08C系列柴油機(直列4缸和6缸)頂置式凸輪軸,上海通用汽車公司的別克發(fā)動機頂置式凸輪軸,均采用中空裝配式凸輪軸[5]。
國內外生產凸輪軸的材質很多,有45鋼、球墨鑄鐵、合金鑄鐵。目前,常使用的鑄造方法是殼型鑄造,其中包括鐵型覆砂[6-7]和殼型填鐵丸兩種鑄造工藝,其他還有如消失模鑄造等。殼型鑄造是20世紀40年代由德國約翰尼斯克朗寧(Johanes2Corning)發(fā)明的,亦稱為克朗寧法[8-10],殼型鑄造生產的鑄件具有表面粗糙度低,尺寸精度高等優(yōu)點,能夠滿足冷鐵多,形狀復雜的零件的鑄造,適用于凸輪軸、曲軸等軸類零件的生產,在世界上屬先進工藝,具有很廣闊的應用前景。
清華大學李雙壽等人研究了球鐵凸輪軸的激光表面處理[11],發(fā)現(xiàn)經(jīng)過該技術處理之后,球鐵凸輪軸的表層由外而內分別是熔凝層、淬硬層和基體,并且其硬度均大于58HRC,搭接處的硬度也沒有降低。AstashkevichBM等人研究了激光表面處理在所有的鑄鐵、中碳鋼以及工具鋼中的應用,指出材料的淬透性和硬度等都受到激光處理的一些可變參數(shù)的限制,比如能量大小、光束直徑、光束形狀、掃描速度以及聚焦條件等的限制[12-13]。
在國外,ChernyshevAN等人[14]，通過試驗研究發(fā)現(xiàn)灰鑄鐵和具有球狀石墨的高強鑄鐵不適合于使用重熔工藝來進行表面強化,其原因有3點:1)產量大幅度降低;2)熔池內的碳沒有完全分解,耐磨性降低;3)鎢電極消耗太大。他們指出用蠕墨鑄鐵來代替灰鑄鐵和具有球狀石墨的高強鑄鐵效果更好,還指出參數(shù)的變化會影響激冷層中片狀滲碳體的分布。2005年英國哥倫比亞大學AMitchell教授又將以前只是應用于精煉的電渣冶煉重熔法和真空電弧重熔法成功應用于工業(yè)純鐵生產的凝固控制階段[15].
參考文獻：
[1]邢銘.凸輪軸的發(fā)展趨勢[J].汽車與配件，2013（15）：36-37.
[2]郝軍清.新材料新工藝在凸輪軸生產中的應用[J].內燃機與動力裝,2006,6.
[3]楊慎華.裝配式凸輪軸制造技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].內燃機工程,2004,25(2).
[4]喬健.中空裝配式凸輪軸連接技術及應用[J].車用發(fā)動機,2007,31(1):4.
[5]黃列群,潘東杰.鐵型覆砂鑄造及其發(fā)展[J].現(xiàn)代鑄鐵,2006(3):12-18.
[6]李曉東.數(shù)值模擬在鐵型覆砂鑄造中的應用[J].汽車工藝與工料,2002(8):69-71.
[7]Le Serve FL.ShellMouldingMaint ains Status as Leading Precision Sandcasting Technique[J].Foundry Trade Journal,1981(11):707-715.
[8]李平,蔡啟舟,魏伯康.殼型鑄造技術在高品質凸輪軸上的應用研究[J].鑄造工程,2003(4):1-4.
[9]李平,魏伯康,段漢橋,等.殼型鑄造技術在高品質凸輪軸上的應用研究[J].鑄造工程,2003(4):1-4.
[10]李雙壽,陸勁昆,邊慶月,等.球墨鑄鐵凸輪軸的激光表面熔凝處理[J].金屬熱處理,2005,30(2):4-8.
[11] Astashkevich BM , Zinov'ev GS , Voronin IN . Restoring dieselengine camshafts by laser treatment[J] . Metal Scienceand Heat Treatment , 1996,38(11-12):512-514.
[12]Senthil Selvan J , Subramanian K , Nath AK . Effect of laser surfacehar deningonEn18 (AISI5135) steel[J] . Journa lofM at erials . Processing Technology , 1999,91:29-36.
[13]劉佑平.提高內燃機凸輪軸耐磨性的工藝方法.
[14]Chernyshev AN , Kaplina IN , Serapin MI . Surface hardening with remelting of functional surfaces of cast iron camshafts [J]. MetalScience and Heat treatment,1996,38(9210):440-442.
[15]Mitchell A. Solidification i nremeltingprocesses [J]. Materials Science and Engineering A,2005,413-414,10-18.
畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告
２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：
排氣凸輪軸零件設計的任務是讓我們綜合運用我們所學的機械設計基礎、數(shù)控編程、CAD技術、機械制圖、機械制造原理、機械加工、機械制造工藝等知識，來完成凸輪軸零件的三維造型設計、凸輪軸零件工藝規(guī)程文件編制、相關數(shù)控程序編制和相關夾具的設計。通過這一環(huán)境的訓練，使我不但更加深入了解畢業(yè)設計的基本理論、基本知識、而且學會使用這些理論、基本知識去了解解決工程中的問題。
這次畢業(yè)設計的目的就是要對機械零件的加工設計制造過程有所了解，也是為了鞏固所學的關于機械設計加工的理論知識,培養(yǎng)分析和解決問題的能力,提高自己的設計能力和創(chuàng)新設計能力。
凸輪軸
凸輪軸的零件分析
在選擇各表面、孔及槽的加工方法時，要考慮加工表面的精度和表面粗糙度要求，根據(jù)各加工表面的技術要求，選擇加工方法及分幾次加工；要根據(jù)生產類型選擇設備，在大批量生產中可采用高效率的設備。在單件小批量生產中則常用通用設備和一般的加工方法。如、柴油機連桿小頭孔的加工，在小批量生產時，采用鉆、擴、鉸加工方法；而在大批量生產時采用拉削加工；要考慮被加工材料的性質，例如：淬火鋼必須采用磨削或電加工；而有色金屬由于磨削時容易堵塞砂輪，一般都采用精細車削，高速精銑等；要考慮工廠或車間的實際情況，同時也應考慮不斷改進現(xiàn)有加工方法和設備，推廣新技術，提高工藝水平；此外，還要考慮一些其它因素，如加工表面物理機械性能的特殊要求，工件形狀和重量等。
凸輪軸的技術要求
1） 支承軸頸的尺寸精度及各支承軸頸間的同軸度。?
2）止推面對于支承軸線的垂直度。?
3）凸輪軸基面的尺寸精度和相對于支承軸頸的軸線的同軸度。?
4）凸輪的位置精度。?
5）凸輪的形狀精度。
凸輪軸的重要加工工藝
1.中心孔的加工
加工中心孔的刀具一般都采用標準中心鉆(特殊中心孔區(qū)別對待),工藝安排上分2次進行:熱處理之前和熱處理之后。此道工序的關鍵是控制好60b的定位錐面的公差(?15c~?20c),且需用專用工具(模擬后續(xù)機床的定位頂針)進行全數(shù)檢查,以控制凸輪軸的軸向開檔精度(要求?0.2~?0.5mm),防止凸輪銑時出現(xiàn)未銑出的毛邊。?
2.熱處理
感應淬火時應根據(jù)不同的工件材質。在滿足硬度要求的前提下找出淬火的邊界條件,控制輸出的最大最小電壓、電流范圍,同時控制淬入液的濃度、流量和溫度,并定期對淬火液的冷卻速率進行分析,以此作為更換淬火液的依據(jù)。
3.凸輪磨削
隨著磨削余量的減少和磨削速度的提高(由傳統(tǒng)的35~60m/s發(fā)展到125~200m/s)使用高速磨削將是必然的趨勢。對樹脂結合劑的剛玉、碳化硅、立方氮化硼磨料的砂輪,其使用速度可達125m/s;陶瓷結合劑砂輪磨削速率可達200m/s。對于選用CBN的砂輪進行磨削,要求注意選配合適的砂輪寬度、濃度、硬度和切削液。正確選擇切削液種類和冷卻工藝參數(shù),對砂輪在磨削過程中的機械磨損、化學侵蝕和熱損傷的程度將產生非常大的影響。尤其是在凸輪軸上同時具有凹面凸輪(也被稱作負曲率半徑(NROC)凸輪)的情況下,設備供應商一般都建議采用雙磨頭全數(shù)控磨床。關于凸輪的磨削工藝設計,一般用戶依托設備供應商解決。供應商根據(jù)用戶提供凸輪的0b~360b的離散點,通過選用恰當?shù)臄?shù)控系統(tǒng),主要解決:1)將離散點變成連續(xù)的封閉曲線。2)將生成曲線轉為磨削曲線。由于凸輪磨削時磨削點與生成點不在一個點,必須進行數(shù)學模換,而且這種變換還與凸輪的測量方式有關。3)建立C軸調速曲線。在凸輪磨削中,為保證凸輪加速度恒定,必須根據(jù)C軸角度來調整C軸轉速的調速曲線。其中在凸輪磨削NC程序生成之前,關鍵是首先要編制凸輪生成曲線(通過對數(shù)據(jù)的平滑處理,將離散點形成封閉曲線)和速度曲線的計算程序,即將給定的凸輪生成表轉換為磨削用的磨削曲線(C坐標值、x軸坐標值)。其次,需要選擇合適的磨削參數(shù),主要有:1)工件參數(shù):凸輪位置參數(shù)、凸輪角度參數(shù)、凸輪基圓半徑參數(shù)、凸輪測量方法;2)砂輪參數(shù):砂輪直徑、砂輪寬度;3)修整砂輪參數(shù):砂輪修磨時進給位置、速度、修磨量、修磨次數(shù)等;4)磨削參數(shù):砂輪進給位置、速度、粗磨量、半精磨量、精磨量C軸轉速、凸輪補償量等,這些參數(shù)中有些是固定的,有些是根據(jù)磨削效果進進行調整的。在理解凸輪磨削工藝設計原理的基礎,熟練運用磨削NC程序,對于解決加工中出現(xiàn)的實際問題和砂輪的國產化方面將十分有益。
整體式凸輪軸工藝流程??
毛坯→毛坯檢查→銑斷面，鉆中心孔，車軸頸→粗磨軸頸→鉆油孔道，擴鉸球座孔，擴螺紋底孔，攻絲，倒角，鉆軸頸油孔→粗磨凸輪→清洗→凸輪表面淬火→校直→精磨油頸→精磨凸輪→磁粉探傷→精車止推面→磷化→拋光油頸止推面→清洗→檢測軸頸和跳動→壓裝鋼球及定位銷。
夾具的設計
1. 穩(wěn)定保證工件的加工技術要求。夾具設計首先應保證工件的位置要求，其次要保證工件的尺寸要求精度、粗糙度及其他技術指標的要求。
2. 提高機械加工的生產率，降低工件的成本。轉用夾具設計時，既要提高勞動的生產率，又要降低成本。夾具的復雜程度和工件的經(jīng)濟效益，必須與生產規(guī)模相適宜，才能獲得良好的經(jīng)濟效益。因此，應根據(jù)工件的生產批量的大小，選擇夾具的結構，防止的盲目的采用高效率陷阱的結構和傳動裝置，造成夾具的結構復雜而加大制造成本。同時，竟可能采用標準零部件，已經(jīng)第夾具的制造成本。
3. 專用夾具應有良好的結構公益性，以便兩件的制造和夾具的裝配。
4. 操作安全，方便。
工作進度計劃：
2 月 29日—3月21日 查閱相關資料、撰寫開題報告。
3 月22 日 —5月3日 把自己所查閱的資料進一步進行整理分析，學習需要掌握
的軟硬件知識。
5 月4 日 —5 月24日 完成本課題的主要設計，繪制圖紙。
5 月25 日 —6月2 日 翻譯外文資料，撰寫說明書。
6 月3 日 —6 月5日 遞交畢業(yè)設計，準備答辯。
畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告
指導教師意見：
光宇吉同學本次所做設計的題目是“排氣凸輪軸的工藝規(guī)程及工裝設計”，該同學在查閱了相關的和畢業(yè)設計工作有關的資料、書籍后，撰寫完成了開題報告。
開題報告語言通順，格式規(guī)范。“文獻綜述”部分對研究此課題的意義，國內外的發(fā)展現(xiàn)狀進行了較為詳細的敘述，并對相關技術和研究現(xiàn)狀進行了查新，有一定的深度?！氨菊n題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）”部分中，提出問題明確，方法基本可行，應盡快理清思路，找準研究手段和途徑，圓滿完成本次畢業(yè)設計工作
2016年3月21日
所在系審查意見：
同意開題
系主任：
2016年 3月 22日
收藏