高速柴油机凹腹凸轮磨削工艺研究与应用.pdf

高速柴油机凹腹凸轮磨削工艺研究与应用曹美文王连宏李晓霞张雪冬郭巨寿景红袁官（山西柴油机工业有限责任公司，山西大同，0 3 7 0 3 6）摘要：以某型号柴油机燃油喷射系统的凸轮轴凹弧型凸轮为研究对象，开展了凹弧凸轮的磨削工艺分析、加工设备的优选、数控程序的优化等应用研究，在工艺试验验证的基础上，优化了数控加工程序和工艺参数，形成了凹腹凸轮高精度磨削工艺规范，解决了凹弧型凸轮加工的质量问题，并在批量生产中得到应用。关键词：凹腹凸轮；设备选择；工艺优化般的柴油机燃油喷射系统使用的凸轮轴，其凸轮普遍是按照渐开线设计的，凸轮两侧相同，结构简单，利用普通的凸轮磨床并配置标准凸轮片可满足加工要求，或利用单砂轮的数控凸轮磨床即可实现制造。随着科学技术的发展，高速大功率柴油机燃油喷射系统的结构也在不断变化，尤其是凹腹凸轮的新型设计技术，给加工带来了一定困难。该凸轮形状是由一个凸弧和一个凹弧组成的，设计精度高于普通凸轮12 个等级，传统的工艺方法已不能满足凸弧和凹弧的同时加工。凹腹凸轮的制造技术在德国、美国等工业发达国家基本是利用五轴数控磨削机床，可加工直径20mm的凹弧凸轮，尺寸精度达IT5I T 6 级。而我国船舶制造企业虽然引进了双砂轮凸轮轴磨床，但只能加工直径为360mm的凹腹凸轮轴，加工小凹腹凸轮轴的工艺技术尚不成熟。1凹腹凸轮工艺分析1.1工艺方案分析凸轮受凹腹圆弧的曲率半径限制，在普通凸轮轴磨床上难以实现加工，见图1。凸轮形状是由一个凸弧和一个凹弧组成的，凸轮升程的精度与凸弧和凹弧的尺寸精度相关联，为了保证设计精度，必须一次装夹完成凸弧与凹弧的加工。考虑凸轮的特殊结构，所需的加工设备在机械结构上应有两套磨削系统，见图2。大砂轮磨削系统用2022.06 第 2 期|Defense Manufacturing Technology27学术论文ARTICLES面比较小，采用的小砂轮直径相对较小，导致小砂轮270在磨削过程中的磨损比较大，因此砂轮选择应考虑采3152251801用CBN砂轮。CBN砂轮与刚玉砂轮相比，磨削比可提高10 0 150 倍，金属比切除率可提高50 10 0倍。采用陶瓷结合剂CBN砂轮对凸轮进行精密磨削，可获得表面粗糙度Ra0.4m的表面质量与良好的表面完整性。2磨削方案研究X452135690图1凹腹凸轮来磨削凸轮的外形，小砂轮磨削系统专门磨削凸轮的凹弧曲面。小砂轮必须安装在一个特定装置上，并应由计算机控制小砂轮由停泊位置到加工位置的转换和小砂轮的数控进给，以实现凹腹凸轮的磨削精度。小图2 磨削方案1.2砂轮应用分析根据磨削经验所得，普通磨料砂轮直径每变化1mm就会使凸轮轮廓产生0.0 0 7 mm的变化，无法保证产品设计的凸轮轮廓精度，且砂轮耐用度和使用寿命低，需要通过频繁修整或更换，导致修整工具损耗加快，辅助时间和劳动强度增加，既影响了生产效率，又加大了生产成本。另外砂轮频繁更换，也是影响加工质量的波动和磨削工艺的稳定性，同时大量的磨削多余物产生，增加了磨削液的过滤清理量，对环境造成一定的污染。从凸轮设计结构与精度分析，凹弧曲28Defense Manufacturing Technology|2022.06 第 2 期2.1设备分析和选择（1）工艺可能性工艺可能性是加工设备在不同生产要求下实现加工工艺过程能力的重要指标。根据凹腹凸轮分析，加工设备应具备一次装夹能完成轴颈磨削、凸轮磨削以及凹弧磨削的功能，并采用数控系统控制大小砂轮位置和进给，以保证磨削的尺寸精度要求。设备应优选大于零件长度尺寸的装夹功能，以保证设备具有加工对象的扩展性，适应加工对象的多变性，提升设备利用率。（2）加工精度和表面质量加工精度受制于设备本身的几何精度、运动精度、刚度、抗振性、热稳定性、精度保持性和误差补偿策略等。设备加工精度过高或过低都是不可取的，根据凹弧凸轮轴设计指标要求，我们应优选设备的经济加油工精度。根据零件材料特性和精度指标分析，优选陶瓷CBN砂轮，该砂轮具有高的硬度与强度，适应于不同材质工件的磨削，且凸轮表面不易产生烧伤、裂纹等缺陷，磨削质量和生产效率均能得到兼顾。考虑在磨削过程中，9 0%以上的能量转化为热能，这些热必须被冷却液最大限度地吸收，否则工件表面易烧伤。为了能极大地减少砂轮在磨削过程中的机械磨损、化学侵蚀和热损伤等程度，可有效提高磨削质量，获得较低的表面粗糙度，必须采用以无机盐为主的化学合成液作为磨削液，且具有连续而充分的冷却功能和清洗性能。在精磨时应加入少量的聚已二醇作为润滑剂，有利于提高工件表面加工质量。同时设备应具有自动变速的磨削功能，有利于降低磨削轨迹的误差，并采用自动化程度高的磨削系统，避免人为因素的干扰，保证加工精度和表面质量稳定性。（3）生产率生产率主要取决于设备调整时间、零件在设备上的安装和拆卸时间、设备主轴的高转速、快速行程速度等。为此，凸轮轴装夹应采用顶尖式快速定位方案，优选12 0 的自动定心快速液压支撑，加工完后自动拆卸定心装置和支撑装置，可节约大量的辅助时间；优选寿命为3 万小时的电主轴，主轴转速分别为5 9 6 8 r/min和19 0 9 9 r/min 的功能，为实现高效磨削提供保障；采用15 0 0 0 mm/min的高速空行程功能，进一步提升非切削状态下的进给速度。优选具有80125m/s速度的CBN砂轮，可实现工件由毛坏粗、精磨一次完成，加工效率是普通砂轮的3 倍以上。（4）可靠性可靠性是指在规定的时间和条件下，加工设备保持其应有工作性能的能力。它主要与设备中关键零部件的精度保持性、耐磨性、精度稳定性和抗干扰性有关，为此对设备的一些关键件应优选为佳。选择设备时，要重点针对主轴轴承、装夹顶尖、液压支撑、小砂轮移动装置、冷却系统及砂轮修整器等进行优选，并提出相关质量和材质要求。为了保证凸轮轴在磨削过程中装夹安全与可靠及防止弯曲变形等，在凸轮轴中部应设置液压支撑，且机床的刚度应不小于100N/0.001mm的数量等级，以提高工件磨削几何精度和表面质量，避免出现波纹等表面质量缺陷。2.2凸轮磨削流程设计根据选择的加工设备和零件加工要求，设计磨削CCHAUDYWOP-GV1.0workpiece:CamshaftIITX-0.00流程如下：工作台面（乙轴）快速移至砂轮磨削位置工件（C轴）旋转-砂轮架（X轴）快速趋近工件同时对应头架（C轴）作仿形运动-大砂轮架（轴）粗磨、半精磨、精磨进给大砂轮架（X轴）退出-工件（C轴）停转工作台面（乙轴）移至下一个凸轮磨削位置-工件头架（C轴）转动一个角度（第一个凸轮与第二个凸轮夹角值）-工件头架（C轴）快速回转-大砂轮架（X轴）快速趋近工件并作对应工件头架（C轴）的仿形运动-大砂轮架（X轴）粗磨、半精磨、精磨进给大砂轮架（X轴）退出-工件头架（C轴）停转-工作台面移至下一个凸轮重复上述动作循环直至磨完最后一个凸轮的磨削当磨削凸轮数量到某一设定值时，则会接到修整砂轮指令，执行修整砂轮程序-修整后，砂轮架（X轴）退出-工作台面（乙轴）快速移至砂轮磨削位置-工件（C轴）旋转-小砂轮架向下翻转，（X轴）快速趋近工件同时对应头架（C轴）作仿形运动-小砂轮架（X轴）半精磨、精磨、光磨进给-小砂轮架（X轴）退出-工件（C轴）停转工作台（乙轴）移至下一个凸轮磨削位置工件头架（C轴）转动一个角度（第一个凸轮与第二个凸轮夹角值）工件头架（C轴）快速回转-小砂轮架（X轴）快速趋近工件并作对应工件头架（C轴）的仿形运动-小砂轮架（X轴）半精磨、精磨及光磨进给-小砂轮架（X轴）退出-工件头架停转-工作台面移至下一个凸轮-重复上述动作循环直至磨完最后一个凸轮当磨削凸轮数量到某一设定值时，则会接到修整砂轮指令，执mainmenu15:57:30programmeNo.2000workplanZ-300.00C-0.000AUBWOP-GV1.0preview.camshaftInitialisaltioncamprocessingprogrammeNo.200016:25:06227227tan nnjPC-Version23b图3 优化的数控磨削程序与验证轨迹12-10.0018.00-161.40.0120.t01-430-71.034.000.000haohuoughtihh0.2001.00.000-1.00-2.000.000Pc-Version2342022.06 第 2 期|Defense Manufacturing Technology.400X-speed(nmmit)againsdlsimt ts)0.20.400-astlertion mmt1apaira fie(.009.0000.8000.80061.001.00029学术论文ARTICLES行修整砂轮程序石砂轮架（X轴）退出-工作台移至起始位置（原点）。2.3数控程序的设计与优化凹腹凸轮的数控磨削比较复杂，设计数控程序时首先要确定基圆半径和滚轮直径的大小，以及是否用平侧头。同时确定凸轮型线的0 起始点，然后按1的间隔值输入升程值，以确定凸轮的中心线。输入升程值后，要观察所显示的凸轮升程曲线、速度曲线和加速度曲线是否有突升和突降点，如果有突升和突降点则说明升程值在某点处有误差，磨削后易造成凸轮表面曲线不连续、不光滑，需要针对升程值进行极微量的调整。磨削凹腹凸轮时砂轮对于凹腹部位的升程值比较敏感，其中砂轮速度、主轴的稳定性、进给速度及进给量等参数都对磨削凹弧有微小的变化，导致升程误差，特别是型线速度的设置还需经过多次工艺试验后，在一定的最低转速、X轴与C轴的加速度等均应在加工过程中做相应的增减变化及优化。优化后的数控磨削程序与验证轨迹见图3。2.4工艺参数的优化与应用凸轮轴磨削最重要的是凸轮升程误差控制和表面质量，在满足表面质量和尺寸精度的前提下尽可能高的加工效率以及少的砂轮修整量。磨削工艺参数选择恰当与否，将直接影响到凸轮加工质量、生产效率和加工成本。由于影响磨削工艺参数的因素较多，各影响因素之间又相互交叉、相互制约，最佳磨削工艺参数的确定较为困难。通过多轮次工艺试验与验证，形成了优化的凹腹凸轮数控磨削工艺参数，见表1和表2。表1大砂轮磨削参数表工件转速m/s进给量mm/r国数901100.040.06901100.020.04901100.010.0360800.010.0260800表2 小砂轮磨削参数表工件转速m/s进给量mm/r901100.080.1901100.0350.05901100.0250.045901100.020.03901100.0150.02560800.0080.015608003结论通过凹腹凸轮加工技术分析与研究，在多轮次工艺试验验证基础上，形成了标准的制造工艺规范和磨削NC程序，其技术成果在批量生产中得到应用，尤其是在引进消化吸收产品研制中取得效果显著。随着高功率、高密度柴油机的研发，凹腹凸轮制造技术可为同类零件加工提供技术支撑，其技术应用前景广泛。DMT参考文献（References）加工方式【1胡建忠.凸轮轴磨削数控技术的研究 D，大连理工大学：2 0 0 58粗加工及半精加工5粗加工及半精加工2粗加工及半精加工3精加工1光磨圆数1粗加工及半精加工3粗加工及半精加工7粗加工及半精加工6粗加工及半精加工5粗加工及半精加工3精加工1光磨年【2】黄荣芳.凸轮轴凸轮型面加工探讨 J，广西机械，19 9 5（0 1】【3 朱峰，崔恒泰等.CBN砂轮磨削表面粗糙度试验研究 J，航空工艺技术，19 9 4（0 6）【4李勇.影响数控凸轮轴磨削加工精度若干因素的研究 D，华中科技大学：2 0 0 4年加工方式30Defense Manufacturing Technology|2022.06 第 2 期