凹面凸轮轴轮廓数控高速磨削成形原理及实验研究

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1、凹面凸轮轴轮廓数控高速磨削成形原理及实验研究第一章绪论1.1课题研究背景当前，汽车产业成为了许多国家的支柱产业，带动了国家经济的各方面的迅速发展，特别是制造业。据相关部门统计，我国的汽车保有量在2013年是1.37亿辆，占所有机动车辆的54.9%；其中用于汽车消费用的汽柴油量已经占全国汽柴油消费总量的55%，而且汽车每年都以一定的速度递增。汽车产业的高速迅猛发展，带来了新的一系列环境问题。因此节能与环保成为汽车产业技术发展中的重点[1]。在凸轮轴上有进气和排气凸轮，当凸轮轴工作时可以控制气门按一定的次序和时间实现开

2、启与闭合运动。所以凸轮轴的各种轮廓型线就是根据不同的气门的开启和关闭要求来设计的[2]。由于要维持发动机的耐用和平稳性，气门不能在运动过程中产生过大的冲击，否则会使气门产生严重的磨损、噪声甚至不能正常使用等后果。凸轮轴作为汽车、内燃机等发动机的关键部件，其加工质量和精度与发动机的整体使用性能有很直接的关系[3]。按照目前各国对汽车的排放要求，欧洲在2013年已经执行欧6标准，中国在2013年执行了国V标准，它相当于欧洲的欧5标准。由此可知，凸轮轴轮廓的加工质量直接影响汽车产品的质量和汽车产业的发展。磨削加工是指使用

3、具有切削作用的磨具去除掉工件的多余材料，使工件表面达到所需精度的加工方法。它是当代机械加工领域应用最广泛的精密加工技术，可以获得很高的加工精度和表面质量，并且，在许多情况下，它也是精密零件的最后一道加工工艺方法。随着现代工业技术的发展，在航空、航天、航海及其他工业部门中，越来越多的使用一些新型材料，比如钛合金TC4等粘性材料、工程陶瓷、光学玻璃等脆硬材料，磨削加工已成为最适合的加工方式。德国磨削专家Carl.J.Salmon博士说：磨削在当今是受材料推动的，它与铣、刨和车削在常规加工材料上的竞争可能难分高下，但一碰

4、到新一代的材料如陶瓷、金属陶瓷、复合材料、晶须增强材料和超耐高温合金就不用竞争了。这些材料都只能用磨削加工。1.2国内外研究现状为了提高凸轮轴等非圆轮廓零件的加工精度和效率，国内外众多磨床厂家和研究机构对凸轮轴的磨削加工理论和加工工艺进行了大量研究，开发了许多高效、高质、高柔性化的数控凸轮轴磨床，而且也推出了许多商业化产品，在凸轮轴零件的制造生产中发挥了很大的作用。其中研究成果比较显著的国家有德国、英国、美国和日本等发达国家。勇克（JUNKER）集团是世界领先的CBN高速磨床生产制造商，它有享誉世界的点磨削（QUI

5、CKPOINT）技术和使用CBN砂轮与金刚石砂轮的高速磨削技术[6-8]。点磨削技术是指在高速外圆磨削法中，一种在砂轮与工件的磨削区域中以点接触的方式进行磨削。采用QUICKPOINT技术的磨床使用非常窄并且磨损非常小的CBN砂轮以及金刚石砂轮，砂轮轴的轴心线与水平装夹的工件轴的轴心成一定的角度，从而使砂轮和工件的接触区域减小到点接触。因为是点磨削加工，所以工件与砂轮的接触区域变小，相应的磨削力变小；同时，磨削液能够更多的进入到磨削区，充分发挥其冷却效果。因此，可以保证工件表面在不产生烧伤的情况下使用较大的磨削余量

6、，提高磨削加工的效率。而且实际砂轮磨削速度是砂轮和工件的叠加，可达200～250m/s，与传统磨削工艺相比，特别是在硬质合金加工方面，选用点磨削工艺技术可以把生产率提高600%。例如勇克公司生产的JUCAM3000/61系列的采用CBN砂轮技术的磨床，只需一次装夹就可完成凸轮片、轴颈、小头端等整个凸轮轴的磨削，装夹长度可以达到400mm。通过带学习功能的控制系统，可以实现几乎所有干扰量的补偿，完美的实现凸轮轴磨削。应用于磨削不同缸数和各种凸轮形状（圆柱形、凹形/凸形、带有切线、多边形/椭圆形等）的凸轮轴磨削。图1.

7、1为勇克公司旗下的JUCAM系列磨床选用CBN砂轮磨削带有凹面轮廓的凸轮轴。第二章凸轮轴数控磨削成形原理及工艺研究2.1凸轮轴磨削加工的工艺特点凸轮轴是汽车、内燃机、工程机械等行业中的一种应用范围很广泛的零件，也是发动机的关键零部件之一，凸轮轮廓的加工质量和精度决定了机械的动力特性和工作平稳性。但是随着发动机动力的提高以及对燃油利用率的需求提高，供油系统的凸轮轴在升程段已大量采用凹面轮廓形状，对凸轮轴的加工精度提出了更高的要求。目前，凸轮轴在实际磨削加工过程中还有如下几个问题：许多凸轮轴属于细长轴类零件，凸轮轴的长

8、径比很大，有的甚至可以达到40：1。而且如果制造凸轮轴的材料刚性较差，会使凸轮轴在磨削加工过程中容易产生弯曲变形和振动，从而在工件的磨削表面上出现圆度误差，影响零件的加工质量。目前，冷激铸铁材料以其高性能、低成本的特点已大量的应用于轿车发动机上。冷激铸铁中的莱氏体具有很好的耐磨性，如果再加入一些合金元素，可以实现凸轮轴在不进行热处理的情况下也可满足凸轮的不同