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      發動機凸輪軸磨削工藝分析
      2012-11-1  來源:  作者:柯爾柏斯來福臨 喻暢

            一、凸輪軸加工材料以及外形

       

            凸輪軸作為汽車發動機上配氣機構的重要組成零件,用于控制發動機缸體上氣門閥桿的開合。不同形式的凸輪軸的應用和區分通常在發動機的設計開發階段都已經確定。

       

            目前,國內的各大汽車生產廠家以及汽車零配件供應廠家已從由國外直接進口逐漸轉變成采購國外進口設備,在本土實現生產。由于凸輪輪廓屬于異型曲面,所以加工工藝和方案也較為復雜,尤其是凸輪表面的加工質量和型線誤差,直接決定了凸輪軸在發動機進氣和排氣工作循環中是否會產生進氣閥和凸輪,排氣閥和凸輪之間的沖擊和振動,影響汽車發動機在工作中的平穩性。

       

            鑒于以上因素,對于凸輪軸材料的選擇也具有多樣性,適應于機械加工領域的凸輪軸按照材料和結構形式可以如下分類:

       

            1.凸輪軸的材料與結構

       

            (1)鑄鐵凸輪軸通常采用球墨鑄鐵,典型的應用比如東風發動機某品牌4缸/6缸發動機內均采用冷激球墨鑄鐵為4B以及6B系列凸輪軸制成凸輪毛坯件,其硬度≥50HRC;國產標志某一品牌4缸發動機凸輪軸,按照PSAB511110(法國標致雪鐵龍公司內部標準)選用鑄鐵GLA1,含碳量在3.2%~3.7%,對于該鑄鐵材料表面進行360°全方位冷激澆鑄處理后,要求凸輪桃尖部分表面冷激硬化層厚度達到16mm,硬度≥50HRC,其他部分表面冷激硬化層的厚度也應達到8mm,硬度187~235HBW。而國產柴動力6缸柴油機內凸輪軸,采用國產QT600-3球墨鑄鐵,通過整體正火使得其鑄造狀態下基體的混合組織變成珠光體基體,從而提高其強度和耐磨性能,其基體正火后硬度可以達到229~302HBW,而凸輪型面和主軸頸進行高頻淬火使得其表面硬度達到45HRC,這是一種較典型的國產鑄鐵凸輪軸熱加工工藝。鑄鐵凸輪軸的適用范圍為承受較小負載的發動機,通常使用于輕型轎車領域,而且其制造加工成本低于鍛鋼凸輪軸。鑄鐵凸輪軸可滿足機械負載的情況下優先使用鑄鐵凸輪軸。其重量輕于鍛鋼材料。

       

            (2)鍛鋼凸輪軸國內常用合金滲碳鋼或者合金調質鋼,部分表面淬火,或者感應淬火。例如15Cr、20Cr、20Mn2或者20鋼,對于其支撐主軸頸進行滲碳淬火,或者碳氮共滲淬火,硬化層深度為0.8~1.5mm,表面硬度可達到58~63HRC;同樣也可以采用低合金調質鋼,如45Mn2或者45鋼,除了基體作調質或者正火處理,對于主軸頸和凸輪型面同樣需要進行表面淬火,淬硬深度在1.5~6mm,這樣表面硬度可以達到58~63HRC;國外在鋼制凸輪的應用情況如馬勒氣門傳動鏈公司采用的德國牌號合金結構鋼100Cr6,并且鑄造成為空心結構以減輕其重量。

       

            鍛鋼凸輪軸的使用前提是如果鑄造凸輪軸無法承受零件的機械載荷要求。而且,在重型貨車柴油機凸輪軸的材料選用上通常采用鍛鋼凸輪軸。

       

            (3)裝配凸輪軸也就是凸輪軸桿與一組硬質合金凸輪組裝,或者是凸輪軸和一組淬火凸輪組裝。典型的應用如一汽大眾公司某乘用車品牌4缸發動機所用凸輪軸,按照德國大眾公司的設計采用組合結構,凸輪軸軸桿采用DINEN10305-2列出的E355+C低合金無縫鋼管,相當于國內鋼號的Q345(GB/T1591-1994);而且采用粉末冶金燒結正時端,小頭端采用易切結構鋼44Mn28制成,而8個凸輪則是采用德國合金結構鋼100Cr6,相當于國內的45Cr,或者GCr15,其耐磨性和接觸疲勞強度高,淬火和回火后硬度高,綜合性能好。在國外,諸如大眾汽車,歐寶汽車等知名汽車廠家,這種裝配型凸輪軸得到了廣泛的應用,由于低合金無縫鋼管的使用,使得凸輪軸整體的結構重量得到降低,并且具有良好的焊接性能,材料利用設計合理并且具有比普通碳素鋼更低的冷脆臨界溫度,適用于北方高寒地區。但是其機械加工工藝較為復雜,需要高精度的機床以便適應加工需要。

       

            裝配凸輪軸的應用范圍為使用于相對并非很大負載的發動機,其重量輕于整體式的鑄鐵凸輪軸,而且相對于鑄鐵材料,組合式的凸輪軸更耐磨。但是其價格通常高于鑄鐵凸輪軸15%。

       

            2.凸輪軸的尺寸

       

            凸輪軸的長度也根據發動機型號的不同有一個較大的變動范圍,在機械設備的選取上,不同的加工制造商都由各自的產品型號定義,而基本的定義參數取決于在磨床上可以裝夾工件的長度以及磨削長度。以下給出凸輪軸尺寸范圍基本定義。

       

            (1)小型凸輪軸通常指發動機噴油泵中采用的小型凸輪軸,最大長度在150~200mm。

       

            (2)中型凸輪軸通常指普通乘用車發動機中的進氣排氣凸輪軸,最大長度在500~600mm。例如國產雪鐵龍乘用車4缸發動機系列凸輪軸,凸輪軸長度在390mm左右,而其另一品牌4缸發動機使用的凸輪軸,其長度在424~434mm。而位于重慶一家汽車零部件配套加工廠為柳州五菱和長安汽車提供的4缸發動機凸輪軸,即便采用了每組兩進一排凸輪的結構,其凸輪軸長度也控制在411mm。

       

            針對目前國產以及合資生產的轎車行業,轎車需求量日益增大,中型凸輪軸加工數量多、批量大,目前已經成為制造生產企業加工的主要目標。

       

            (3)大型凸輪軸通常定義為重型貨車發動機中進氣排氣凸輪軸,也可以包括內燃機用凸輪軸以及大型船用柴油機內使用的凸輪軸。其最大長度可以達到1.6m~1.8m,比較典型的大型凸輪軸,例如國外知名的顏巴赫集團生產的內燃機中的凸輪軸,其長度有880mm以及1.29m左右。而戴姆勒克萊斯勒重型貨車以及德國歐曼汽車的凸輪軸其長度通常在1m左右。而在船舶制造領域,柴油機凸輪軸的長度最小也在1.3m左右。

       

            目前,隨著中國政府對于基礎設施以及能源工業的投入,對于大型柴油機自主加工零部件的需求也逐漸增大。

       

            3.凸輪的型面狀態

       

            除上述凸輪軸的尺寸結構外,凸輪的型面的設計也影響著凸輪軸的加工工藝,以及磨削方案的設計,主要的凸輪形式劃分如下:

       

            (1)圓柱形凸輪凸輪兩側帶有倒角或者凸輪兩側不帶倒角,此種凸輪型面在汽車制造廠中最為普遍,例如武漢神龍汽車有限公司作開發的乘用車4缸發動機TU5JP4系列凸輪軸和EW系列凸輪軸都是屬于圓柱形凸輪,而且凸輪的兩側并無倒角。

       

            (2)異型表面凸輪包含凸輪兩側或者一側帶有凹心;凸輪一側帶有切線輪廓;橢圓形和其他多邊形等異型表面。比如東風康明斯發動機有限公司某品牌4缸/6缸發動機內4B以及6B系列凸輪軸,凸輪兩側型線帶有微小凹心。而且在凸輪的縱向截面上凸輪帶有凸起,且兩側也有臺肩。而德國MAN公司的重卡凸輪軸,在凸輪的設計上則是單邊具有凹心結構。大眾公司等項目凸輪軸也采用帶有凹心的凸輪軸,不但可以減少油耗,而且可以采用滾子→杠桿閥→驅動技術。

       

            二、凸輪軸磨削工藝

       

            1.傳統凸輪軸磨削工藝

       

            傳統的凸輪軸磨削工藝即采用剛玉砂輪磨削凸輪軸,對于凸輪型面采用靠模的完成表面的磨削加工,該磨削加工方法的磨削線速度通常在50m/s左右。該種加工方式的特點如下:

       

            (1)砂輪磨料針對凸輪軸材料的特點(目前多采用鑄鐵或者鋼制),傳統的磨削工藝上通常使用剛玉砂輪即可以完成凸輪軸的磨削加工。使用較多的剛玉材料包括白剛玉、鉻剛玉(又為玫瑰色剛玉)、棕剛玉。上述三種剛玉材料實際上已經可以滿足目前基本所有材料的機械加工。而對于高合金鋼等含釩而且硬度較高的材料,采用單晶剛玉即可以滿足其高標準的形狀和尺寸精度加工要求。

       

            (2)凸輪型面磨削傳統的液壓磨床上較多采用仿形磨削的方式。汽車發動機的開發商通常針對其發動機進排氣的結構形式設計其凸輪型線表,對凸輪的基圓,升降程輪廓以及凸輪底部最高部分的輪廓按照分度列出具體的型面數據。在仿形磨削過程中,首先按照加工的型線表繪制最終加工成品的仿形樣板或者仿形工件,加工過程中仿形刀架上的觸頭沿著樣板輪廓作仿形運動,通過液壓缸或者其他傳動系統帶動刀架作X軸方向的進給運動,從而加工出凸輪的表面型面。

       

            (3)凸輪軸頸磨削采用剛玉砂輪進行外圓磨削,有兩種方式,在產量低,品種多的情況下可以使用單片砂輪逐次磨削主軸頸;而針對產量大、品種少的情況,可以采用多砂輪磨床,一次磨削所有的主軸頸。

       

            對于采用傳統剛玉仿形方式磨削凸輪軸的方式,優點和缺點分析如附表所列:

       

      4

       

            2.CBN砂輪磨削凸輪軸工藝

       

            自從1969年通用電氣將CBN(立方氮化硼)這一名詞作為高硬度磨削材料開發的革命性成果引入市場,CBN磨料的使用也推動了磨削工藝的開發以及相關設備的設計。

       

            (1)CBN磨料CBN磨料是借助于高壓高溫技術合成的超硬材料,其硬度(約4700N/mm2)可達到金剛石硬度(大約7000N/mm2)的一半以上,其硬度同時也接近碳化硅材料的兩倍(碳化硅磨粒的硬度為2500~2700N/mm2)。隨著材料的研究和開發,多晶體立方氮化硼的面世也解決了早期單晶體碳化硅材料磨粒易碎脫落的問題,并且具有了很好的切削性能和使用壽命。立方氮化硼材料既可以應用于加工硬度相對不高,但是韌性高的金屬材料,其硬度在50HRC以上;也可以應用于硬度很高的含碳合金,例如工具鋼、特種鋼和高速鋼。

       

            由于剛玉砂輪在磨削過程中磨粒脫落和消耗量大,更換安裝調試時間長,以及停機維護時間長這些問題的出現,因此,當今在大批量生產中剛玉砂輪磨削方式已經逐漸被CBN砂輪磨削工藝所取代。尤其是針對諸如汽車行業中的產品系列化,批量大,而且重復生產性較高的產業,CBN砂輪的優勢日益明顯。在國內的汽車制造廠家中,也逐漸形成選用CBN砂輪磨削技術來進行關鍵發動機零部件的制造和加工,其加工效率和切削性能得到了汽車制造廠家的一至認可。

       

            (2)CBN磨床采用CBN磨床針對凸輪軸磨削,各個磨床廠家對于砂輪主軸驅動的配置基本上采用三相電動機直接驅動。對于汽車行業的凸輪軸加工磨床而言,其砂輪主軸的轉速均可達到7000~8000r/min,即便各個廠家所選用的砂輪直徑有所不同,可以獲得的砂輪圓周表面最大線速度也可以達到120m/s甚至150m/s。采用高速磨削以及CBN磨料通常能在普通外圓磨削加工中降低表面粗糙度值。

       

            控制系統的選用方面,歐美廠家通常使用FANUC或者SIEMENS系統,而亞洲的磨床廠家也會有自行開發的控制系統。各機床廠家在對控制系統的選用和二次開發上也是各自利用了其軟件平臺的優點,針對工件的型廓開發了"面向工件的編程軟件系統",但從系統的穩定性和軟件的功能性方面評價,SIEMENS840D和FANUC12i的控制軟件平臺在CBN磨床程序開發領域具有非常好的口碑。

       

            (3)凸輪軸磨削(CBN磨床)如上所述,凸輪軸的型廓可以分成兩類表面:①軸頸磨削,即普通外圓表面磨削加工。②凸輪型面輪廓磨削,即異型輪廓表面磨削。而異型輪廓通常按照現場實際狀態又可以細分成為鼓型輪廓表面,帶凹心的輪廓表面。

       

            對于軸頸的磨削,也就是普通外圓表面,采用CBN磨床進行磨削加工時,由于表面磨削線速度較高,而且對于軸頸磨削也采用了在線直徑測量系統,磨削過程中,測量系統檢測反饋的數據可以對下一根凸輪軸軸頸的加工有修正作用,這樣可以所獲得的工件的圓度測量指標會更好。

       

            而對于異型表面的磨削,通常磨床廠家會按照客戶方所提供的升程表,對于磨削過程作模擬分析,而分析得到的參數可以對磨削過程中所設置的參數作指導,如磨削凸輪的進給量、砂輪主軸的轉速,以及工件的轉速等參數。

       

            針對鼓形輪廓的凸輪,磨削工藝設計就相對簡單,在不進行大批量生產,而且不考慮加工時間節拍的前提下,采用單臺且僅僅具有單砂輪架和單砂輪主軸的磨床就可以完成所有鼓形凸輪型面輪廓的磨削。

       

            對于帶有凹心的凸輪,各個廠家按照其設計方式的不同,可以分別采用兩臺磨床完成或者帶B軸回轉的砂輪架,以及肖特公司所提出的帶有液壓翻轉機構的砂輪架模式在同一臺磨床上完成凸輪基圓輪廓和凹心表面的磨削。這樣設計的目的在于減少凸輪在不同機床上的搬運時間;減少凸輪軸的再次定位和裝夾時間;在采用同一定位基準和同一裝夾方式完成凸輪基圓和凹心磨削,從而獲得更好的表面加工精度和加工效率。

       

            采用肖特公司專利的液壓翻轉機構砂輪架或者帶B軸回轉的的砂輪架,其設計出發點都是考慮到一次裝夾狀態下可獲得更高的加工精度。在這種設計思路下對于單個砂輪架上配置2個砂輪電主軸并且安裝2片砂輪,其直徑各有不同,分別為一大一小。在磨削過程中使用大砂輪完成凸輪型面大余量切入式粗磨,以求快速切除凸輪毛坯上的大部分余量,縮短工件加工的節拍時間,采用CBN砂輪粗切可實現半徑方向上最大5mm的切削余量;而采用小砂輪完成凸輪凹心表面的磨削以及整個表面的精磨,達到凸輪表面質量要求,降低表面粗糙度值,精磨后可以達到Ra=0.4μm。

       

            三、模塊化組合工藝

       

            1.工藝方案

       

            對于企業生產而言,工藝方案的布置通常是位于第一位,其次才是選擇機床。在凸輪軸精加工工藝路線的制定上,其工藝方案大致有下面兩種:

       

            (1)凸輪軸軸頸粗磨→凸輪型面粗磨→凸輪軸軸頸精磨→凸輪型面精磨。

       

            (2)凸輪軸軸頸粗磨→凸輪軸軸頸精磨→凸輪型面粗磨→凸輪型面精磨。

       

            2.磨削元素及組合

       

            各種工藝對應的機床配置就各有不同,按照模塊化原理和設計方法,首先可以列出能夠用于外圓磨削和異型表面磨削的各種基本元素:

       

            (1)外圓磨削①普通剛玉外圓磨床。②CBN外圓磨床。③無心磨床(CBN)。④無心磨床(剛玉)。

       

            (2)凸輪磨削①剛玉磨床。②CBN磨床。

       

            如果按照單機工藝排序,可以分別列出8種排列,但值得注意的是,針對汽車行業大批量生產,尤其是凸輪型面磨削,剛玉磨床由于其砂輪的易耗性,其市場占有量已經逐漸減少,目前95%以上的凸輪軸生產廠家都認同了CBN磨料的優點。那么進行單機工藝路線編排可以選擇的機床有三種:即外圓磨削中的CBN外圓磨床、無心磨床和凸輪磨削中的CBN磨床。

       

            而無心磨床雖然從價格上比CBN外圓磨床價格低,但是涉及加工品種變化的前提,就必須要對于砂輪和導輪作工裝更換,而且無心磨床加工凸輪軸軸頸,軸頸對于兩端要求的端面圓跳動精度(一般為0.02mm)的保證存在困難,所以即便采用無心磨床(剛玉)作軸頸的磨削,一般也僅僅將其用作粗磨軸頸,而軸頸的精磨則采用CBN外圓磨床而實現,而這種選擇也僅僅是在投資方資金有限的前提在作為備選考慮,但其最大的問題就是柔性不足,適應性不強。而如選用無心磨床(CBN磨料)來做軸頸的磨削,就遠不如CBN外圓磨床經濟,也不如CBN外圓磨床靈活性強。

       

            最后,作為各個工藝元素的組合,同樣也可以考慮在同一機床平臺上完成上述外圓磨削和凸輪磨削方案。最簡單的考慮就是增加動力部件砂輪主軸。通過在同一臺機床上對于砂輪主軸的配置,以及砂輪形式配置,就可以將上述工藝要素集成在同一平臺,從而達到減少機床數量、減少搬運、減少定位裝夾,提高生產效率,縮短加工節拍的目的。該種組合的最佳實施方法即設置雙砂輪架,每個砂輪架上配置多個砂輪,實現雙砂輪同步磨削軸頸和同步磨削凸輪型面。而且也可將有技術要求的軸肩表面的加工也集成到單臺機床工藝中。

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