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凸轮轴桃形磨削的加工工艺简析
作者:南京汽车集团有限公司 胡劲松
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磨床/珩磨设备展厅
平面磨床, 外圆磨床, 无心磨床, 内圆磨床, 万能磨床, ...
凸轮轴是汽车发动机的五大件之一,凸轮轴的桃形磨削加工是凸轮轴机加工的关键工序。随着磨削技术的发展和对凸轮轴的质量、产量的要求的提高,凸轮轴桃形磨削技术也不断改进。

凸轮轴桃形的功用及加工要求

凸轮轴是发动机配气机构的关键零件。发动机的连续运转正是通过凸轮轴桃形对气门的顺序启闭、气门开度的规律控制,使发动机的进气、压缩、做功、排气四个冲程周而复始、定时顺序地循序完成的。进气和排气冲程凸轮轴的桃尖推动挺杆顶开气门,进入新鲜空气、排出废气。压缩、做功冲程则关闭气门。凸轮轴的桃形(见图1)通过对气门的启闭时序和开度的控制,控制发动机的运转,对发动机的性能有很大影响。

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普通的汽车发动机,凸轮轴桃形对气门的启闭作用是在高速运转中进行的。凸轮轴桃形和气门挺杆之间呈滑动摩擦状态。桃形轮廓的设计质量、加工精度、表面质量、材料对发动机配气机构的动力性能、凸轮轴-挺杆的接触应力、油膜润滑特性影响极大,并进而影响到发动机的动力性、经济性、可靠性、寿命,以及排放、振动、噪音等。质量差的桃形轮廓其曲线不连续,或者加工出的廓形不符合设计要求,表面粗糙、有波纹、烧伤等,在工作中易引起冲击、跳动、润滑特性恶化、易磨损、激励噪音、振动等问题,影响发动机的性能、寿命,增加油耗、排放等。

所以,根据凸轮轴桃形的功用和工作特点,凸轮桃形除了要有合理的廓形设计、材料耐磨性、一定的刚度外,廓形的加工精度和表面质量也是至关重要的。加工精度很差的廓形设计得再好也是没有意义的。粗糙度很差,表面有烧伤、波纹,对桃形的正常工作和寿命都会有不利影响。

传统的凸轮轴桃形磨削工艺

传统的凸轮轴磨削采用机械靠模仿型磨削法。设计人员按凸轮轮廓计算出凸轮上每一点的升程值,工艺人员根据此升程值设计、制作标准凸轮,然后利用标准凸轮在凸轮轴磨床上以反靠法磨制一套靠模样板。磨削时靠模样板紧靠在一个滚轮上,通过摇摆架使被加工凸轮和靠模样板同步摆动、同轴旋转,由此磨出与样板升程形状相一致的凸轮轮廓(见图2)。

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这种结构的凸轮轴磨床存在的主要问题是:

⒈ 生产准备周期长、制造柔性差。
⒉ 磨削凸轮轮廓精度难以保证,产生误差的因素多。
⒊ 容易产生升程误差,大大地缩短了砂轮的使用寿命,零件精度也难以提高。
⒋ 砂轮线速度低,修整工具和工艺落后,机床生产效率低。

新型的凸轮轴桃形磨削工艺

笔者所在工厂采用德国JUNKER公司的CNC凸轮轴磨床(见图3)进行凸轮轴桃形的无靠模数控磨削。其工作原理如下:整个凸轮轮廓(包括基圆、侧圆和凸尖)由砂轮架(X轴)的运动和工件主轴(C轴)的旋转运动同步协调动作而成。砂轮在特定的进给角范围内沿基圆做连续径向进给:当凸轮轴旋转时,砂轮架提供进给运动,也按凸轮轮廓移动(见图4)。由于金属切削量化较大,必须按凸轮轮廓控制凸轮轴的角速度,在基圆和侧面处的金属切削率大体保持常数。

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该种磨削方式由于取消了靠模,实现了自动修整砂轮、自动补偿、恒线速磨削、自动轴向定位、砂轮自动动平衡等技术,使得凸轮轴桃形的磨削精度大大提高。目前笔者所在工厂的凸轮轴桃形的加工精度为:轮廓总升程误差0.01mm;相邻每度升程误差0.0025mm;相位误差(从凸轮到凸轮)小于0.25°;基圆误差±0.01mm;表面粗糙度Ra0.5-0.4。

CNC凸轮轴磨床的主要技术特征

德国JUNKER公司的CNC凸轮轴数控磨床具有以下技术特征:
⒈ 高刚度、高强度、整体铸造重载床身,有高的抗震性能。

⒉ 砂轮头架导轨:采用交流变频伺服电机、精密无间隙滚珠丝杆驱动、静压过约束导轨,并配有全闭环电子测量反馈装置,以确保砂轮定位精度。

⒊ 砂轮头:配备特种静压主轴磨头,砂轮头架与机床统一设计,采用无摩擦、无磨损静压轴承,保持砂轮同心度长期使用不变。

⒋ 工作台:采用交流变频伺服电机、高精度无间隙精密滚珠丝杆驱动,并配有闭环电控装置,以确保工作台精确地轴向定位。

⒌ 工作台导轨及其润滑:机床工作台导轨配有自动喷润滑油油嘴,润滑油通过油泵、过滤器后注入轨面。

⒍ 主轴头(驱动工件的床头箱):高精度活动主轴,由一同轴驱动的变频伺服电机驱动,并配有角度测量装置。工作转速可以选用电机工作转速范围内任一恒定转速,或采用恒定切削量,优化变转速,不仅可以实现在工件每转凸轮形面上每一磨削点磨削量恒定,还可以防止磨削裂纹和烧伤,保证凸轮表面的磨削质量。

⒎ 砂轮配有自动动平衡装置,砂轮转速从30m/s到80m/s可无级调速,并可以实现任一转速的恒线速磨削。

⒏ 采用西门子840控制系统,具有人机对话界面,可手动进行切削参数的设定和加工尺寸的调整。该系统可计算出并连续控制不断磨损的砂轮,磨削出凸轮型线;并对凸轮轮廓在磨削过程中实现自动插补,能在生产过程中保证砂轮型线的统一性。该系统同时控制工件头架主轴的无级变速、砂轮的恒线速,使砂轮架按凸轮型线的升程和降程数值进行横向往复运动,形成凸轮轮廓,提高了凸轮的制造精度,并有利于多品种的生产。

⒐ 采用CNC砂轮修整器,通过CNC控制金刚石修整器修整砂轮,提高了砂轮的修整精度和寿命。

⒑ 自动进给补偿:在磨削过程中,机床可实现自动补偿砂轮直径的磨损值(因修整砂轮使其直径减少),补偿方法可以编程实现。

⒒ 静压润滑及液压站:与机床主体隔离,配有静压动力系统,为静压导轨、静压砂轮主轴供油。该系统由供油泵、滤芯、降温器组成,以保持该供油系统有一稳定的油温,并以满足清洁度要求的油供给。

⒓ 冷却液系统:配有恒温器及过滤系统,机泵系统,以确保足够的冷却液供给磨削的砂轮、修整器喷嘴、机床冲洗系统。

⒔ 电器柜:CNC控制系统的电器柜,装有空调,以保证CNC控制系统安全可靠地工作。

凸轮轴磨削加工中的常见问题

凸轮轴桃形有很高的尺寸精度要求和表面质量要求。高的加工要求提高了加工的难度,也相应地易产生一些质量问题。凸轮轴桃形磨削加工中的常见问题有:

⒈ 波纹

波纹主要表现为:⑴ 整个桃形(包括基圆、两侧、桃尖)产生波纹;⑵ 在桃形的两侧、桃尖产生波纹;⑶ 在个别位置产生少量波纹。

第⑴种情况一般是砂轮平衡、砂轮在线平衡系统、机床刚度(特别是主轴刚度)等原因引起。引起第⑵种情况的原因:工件的恒转速磨削中,在轮廓的两侧及桃尖处磨削量会发生较大变化,引起磨削力发生变化,因而易产生波纹。变转速磨削中,转速变化设置不当,以及主轴刚度下降时,也有可能在两侧及桃尖产生波纹。

⒉ 表面烧伤

表面烧伤的原因主要包括:⑴ 磨削用量;⑵ 磨削余量;⑶ 磨削液及冷却方式;⑷ 砂轮修整;⑸ 砂轮质量。

在工件恒转速磨削中,桃形两侧磨削的磨除率会大大增加,因而易产生烧伤。

⒊ 粗糙度超差

粗糙度超差的原因主要包括:⑴ 磨削用量;⑵ 磨削余量;⑶ 磨削液及冷却方式;⑷ 砂轮修整;⑸ 砂轮质量。

CBN砂轮的使用

笔者所在工厂的凸轮轴桃形磨削采用的是CBN砂轮。CBN砂轮虽然价格很高,但因耐用度高、寿命长、磨削效率高、更换砂轮的辅助时间少、修整工具损耗减小等因素,分摊到每件产品的费用反而低于普通砂轮,即经济性更优。通过统计(见表1)可以看出:CBN砂轮较普通砂轮有明显优势,CBN磨具可以降低成本40%。而且,随着技术的日益成熟,它还有提高的潜力。

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总结和展望

汽车生产企业只有以用最低的成本生产出高质量的产品为目标,才能在竞争中求得生存。凸轮轴作为汽车发动机的重要零件,在发动机制造技术中占有重要地位,是影响发动机性能的重要零件。其凸轮桃形的磨削加工技术是汽车零件制造技术中最具挑战性的工艺环节之一,也是影响凸轮轴生产率和经济性的关键环节。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (10/12/2013)
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