景 紅，王連宏，劉 敏，李愛(ài)平，吳 鑫

（山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司，山西大同037036）

目前的軍用坦克裝甲車(chē)輛柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)使用的凸輪軸，其凸輪普遍是按照漸開(kāi)線設(shè)計(jì)的，凸輪兩側(cè)相同，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利用普通的凸輪磨床并配置標(biāo)準(zhǔn)凸輪片可滿足加工要求，或利用單砂輪的數(shù)控凸輪磨床即可制造。多年來(lái)的科研和批量生產(chǎn)，其制造工藝技術(shù)已經(jīng)成熟，并在工程應(yīng)用方面取得的效果顯著。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高速大功率柴油機(jī)不斷出現(xiàn)，燃油噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也在不斷變化，尤其是某型號(hào)凸輪軸凹腹凸輪的設(shè)計(jì)，給加工帶來(lái)困難。該凸輪形狀是由一個(gè)凸弧和一個(gè)凹弧組成的，設(shè)計(jì)精度高于普通凸輪1～2個(gè)等級(jí)，原有靠模設(shè)備無(wú)法滿足凸弧和凹弧的同時(shí)加工，制約了該型號(hào)柴油機(jī)研制任務(wù)的順利完成。

1 凹弧凸輪磨削工藝分析

1.1 磨削工藝方案分析

凹弧凸輪受凹腹圓弧的曲率半徑尺寸的限制，在普通凸輪軸磨床上難以實(shí)現(xiàn)凸輪的凹弧加工，設(shè)計(jì)示意圖如圖1。從零件圖分析，凸輪形狀是由一個(gè)凸弧和一個(gè)凹弧組成的，由凸輪升程可知凸弧與凹弧尺寸精度相關(guān)聯(lián)，必須一次裝夾完成凸弧與凹弧的加工，顯而易見(jiàn)采用一個(gè)砂輪的設(shè)備無(wú)法滿足加工要求。

圖1 凹弧凸輪軸設(shè)計(jì)示意圖

由于凸輪的特殊結(jié)構(gòu)，設(shè)備需在機(jī)械結(jié)構(gòu)上應(yīng)有兩套磨削系統(tǒng)，大砂輪磨削系統(tǒng)用來(lái)磨削凸輪的外形，小砂輪磨削系統(tǒng)專門(mén)磨削凸輪的凹弧曲面。小砂輪必須安裝在一個(gè)特定裝置上，并應(yīng)由計(jì)算機(jī)控制小砂輪由停泊位置到加工位置的轉(zhuǎn)換和小砂輪的數(shù)控進(jìn)給，以實(shí)現(xiàn)凹弧凸輪的磨削精度。凹弧凸輪加工分析示意圖如圖2。

圖2 凹弧凸輪磨削方案示意圖

1.2 砂輪選擇工藝分析

根據(jù)磨削經(jīng)驗(yàn)所得，普通磨料砂輪直徑每變化1 mm就會(huì)使凸輪輪廓產(chǎn)生0.007mm的變化，無(wú)法保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的凸輪輪廓精度，且砂輪耐用度和使用壽命低，需要通過(guò)頻繁修整或更換，從而使修整工具損耗加快，輔助時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度增加，既影響了生產(chǎn)效率，又加大了生產(chǎn)成本。另外砂輪用量大，其質(zhì)量波動(dòng)也影響了磨削工藝的穩(wěn)定性，又因產(chǎn)生大量磨削殘物，增加了磨削液的過(guò)濾清理量，對(duì)環(huán)境造成一定的污染，阻礙了綠色制造的推動(dòng)與發(fā)展。從凸輪設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與精度分析，凹弧曲面比較小，采用的小砂輪直徑相對(duì)較小，造成小砂輪在磨削過(guò)程中的磨損比較大，因此砂輪選擇應(yīng)考慮采用CBN砂輪。CBN砂輪與剛玉砂輪相比，磨削比可提高100～150倍，金屬比切除率可提高50～100倍。采用陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪對(duì)凸輪軸進(jìn)行精磨加工，可獲得表面粗糙度Ra≤0.4μm的表面質(zhì)量與良好的表面完整性。

2 凹弧凸輪磨削工藝的研究過(guò)程

凹弧凸輪的制造技術(shù)在德國(guó)、美國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家基本是利用五軸數(shù)控磨削機(jī)床，可加工直徑φ20mm的凹弧凸輪軸，尺寸精度達(dá)IT5～I(xiàn)T6級(jí)。而我國(guó)船舶制造企業(yè)雖然引進(jìn)了雙砂輪凸輪軸磨床，但只能加工直徑為φ360mm的凹弧凸輪軸，加工小凹弧凸輪軸的工藝技術(shù)能力有限。經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為優(yōu)選購(gòu)置雙砂輪數(shù)控凸輪磨床與磨削技術(shù)應(yīng)用研究是唯一技術(shù)途徑。

2.1 設(shè)備的分析和優(yōu)選

根據(jù)凹弧凸輪軸設(shè)計(jì)要求和生產(chǎn)綱領(lǐng)，選擇設(shè)備時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮工藝可能性、加工精度和表面質(zhì)量、生產(chǎn)率及可靠性。

（1）工藝可能性

工藝可能性是指加工設(shè)備在不同生產(chǎn)要求下實(shí)現(xiàn)加工工藝過(guò)程的能力。工藝可能性主要包括：設(shè)備可完成的工序種類、切削參數(shù)、加工零件的對(duì)象、加工尺寸范圍、加工精度指標(biāo)等。從凹弧凸輪軸零件圖分析，加工設(shè)備應(yīng)具備一次裝夾能完成軸頸磨削、凸輪磨削以及凹弧磨削的功能，并采用數(shù)控系統(tǒng)控制大小砂輪位置和進(jìn)給，以保證磨削的尺寸精度要求；燃油噴射系統(tǒng)的凸輪軸總長(zhǎng)為730mm，設(shè)備應(yīng)優(yōu)選大于裝夾1 000mm的功能，以保證設(shè)備具有加工對(duì)象的擴(kuò)展性，適應(yīng)加工對(duì)象的多變性，提升設(shè)備利用率?？紤]柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的凸輪軸為1 400mm，同時(shí)作為長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，在性價(jià)比較好的情況下，優(yōu)選為1 500mm范圍的數(shù)控凸輪磨床，以適應(yīng)未來(lái)新品柴油機(jī)凸輪軸的研發(fā)能力。

（2）加工精度和表面質(zhì)量

加工精度是指加工設(shè)備所能達(dá)到的尺寸精度、形狀精度和位置精度，它受制于設(shè)備本身的幾何精度、運(yùn)動(dòng)精度、剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性、精度保持性和誤差補(bǔ)償策略等。設(shè)備加工精度過(guò)高或過(guò)低都是不可取的，根據(jù)凹弧凸輪軸設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，我們應(yīng)優(yōu)選設(shè)備的經(jīng)濟(jì)加工精度。

表面質(zhì)量主要指凸輪軸表面幾何學(xué)特征及表面層物理品質(zhì)。其中的表面粗糙度等指標(biāo)除與設(shè)備本身的抗振性有關(guān)外，還與零件材料、工藝切削用量、磨具、使用的切削液等有關(guān)。為此在選擇設(shè)備時(shí)我們不僅考慮設(shè)備本身因素，重點(diǎn)還要考慮設(shè)備外因素。根據(jù)零件材料特性和精度指標(biāo)分析，如使用普通磨料的砂輪，考慮其砂輪外徑變化對(duì)凸輪輪廓產(chǎn)生的影響，不易保證凹弧凸輪的精度；如使用陶瓷CBN砂輪磨削，因其具有高的硬度與強(qiáng)度，適應(yīng)于不同材質(zhì)工件的磨削，且凸輪表面不易產(chǎn)生燒傷、裂紋等缺陷，磨削質(zhì)量和生產(chǎn)效率度能得到兼顧。為此設(shè)備的大、小砂輪優(yōu)選為CBN砂輪最為適宜?？紤]在磨削過(guò)程中，90%以上的能量轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱必須被冷卻液最大限度地吸收，否則工件就被燒傷。根據(jù)冷卻液性能對(duì)CBN砂輪磨削比的影響，為了能極大地減少砂輪在磨削過(guò)程中的機(jī)械磨損、化學(xué)侵蝕和熱損傷等程度，可有效提高磨削質(zhì)量，獲得較低的表面粗糙度，就需要連續(xù)而充分的冷卻。這種磨削要求磨削液應(yīng)具備冷卻和清洗性能，保持砂輪鋒銳，磨削液的摩擦系數(shù)不能過(guò)低，否則會(huì)造成磨削效率低，表面燒傷等不良效果，可以采用以無(wú)機(jī)鹽為主的化學(xué)合成液作磨削液。精磨時(shí)可加入少量的聚已二醇作潤(rùn)滑劑，可以提高工件表面加工質(zhì)量。對(duì)于加工精度高的零件，可采用潤(rùn)滑性能好的低黏度油基磨削液。另外，設(shè)備采用了自動(dòng)變速的磨削功能，解決了磨削軌跡誤差問(wèn)題；同時(shí)采用了自動(dòng)化程度高的磨削系統(tǒng)，避免了人為因素的干擾，保證了加工精度和表面質(zhì)量穩(wěn)定性。

（3）生產(chǎn)率

生產(chǎn)率通常是通過(guò)加工設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)所能加工的零件數(shù)量，或所能切除的材料去除量來(lái)衡量的。生產(chǎn)率主要取決于設(shè)備調(diào)整時(shí)間、零件在設(shè)備上的安裝和拆卸時(shí)間、設(shè)備主軸的高轉(zhuǎn)速、快速行程速度等。為此，凸輪軸裝夾采用了頂尖式快速定位方案，并優(yōu)選了120°的自動(dòng)定心快速液壓支撐，加工完后自動(dòng)拆卸定心裝置和支撐裝置，節(jié)約了大量的輔助時(shí)間；優(yōu)選了壽命為3萬(wàn)h的電主軸，主軸轉(zhuǎn)速分別為5 968r／min和19 099 r／min的功能，為實(shí)現(xiàn)高效磨削提供了條件；采用了15 000mm／min的高速空行程功能，提升了非切削狀態(tài)下的進(jìn)給速度。優(yōu)選了具有80～125m／s速度的CBN砂輪，可實(shí)現(xiàn)工件由毛坯粗、精磨一次完成，加工效率高，是普通砂輪的3倍以上。

（4）可靠性

可靠性是指在規(guī)定的時(shí)間和條件下，加工設(shè)備保持其應(yīng)有工作性能的能力。它主要與設(shè)備中關(guān)鍵零部件的精度保持性、耐磨性、精度穩(wěn)定性和抗干擾性有關(guān)，為此對(duì)設(shè)備的一些關(guān)鍵件應(yīng)優(yōu)選為佳。我們?cè)谶x擇設(shè)備時(shí)，針對(duì)主軸軸承、裝夾頂尖、液壓支撐、小砂輪移動(dòng)裝置、冷卻系統(tǒng)及砂輪修整器等進(jìn)行了優(yōu)選，并提出附加要求，規(guī)定了這些零部件的質(zhì)量和材質(zhì)要求；為了保證凸輪軸在磨削過(guò)程中裝夾安全與可靠及防止彎曲變形等，在凸輪軸中部設(shè)計(jì)了液壓支撐，當(dāng)然設(shè)備可靠性還與設(shè)備合理的使用有很大關(guān)系。在磨削過(guò)程中，因其設(shè)備的剛性差，工件的幾何精度和表面質(zhì)量就會(huì)變差，其中波紋是常見(jiàn)的表面質(zhì)量缺陷，其主要原因就是設(shè)備的振動(dòng)產(chǎn)生的，而引起設(shè)備的振動(dòng)原因主要是機(jī)床剛性低、抗振性差、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)不合理造成磨削力過(guò)大等。為此根據(jù)有關(guān)資料及使用驗(yàn)證表明，選擇機(jī)床的剛度應(yīng)不小于100N／0.001mm的數(shù)量等級(jí)。

2.2 凸輪加工工藝方案的設(shè)計(jì)

根據(jù)凸輪設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與工藝基準(zhǔn)重合的原則，首先采用臥式加工中心精銑出大錐體鍵槽；然后以大錐體鍵槽和兩端中心孔定位、中間采取支撐的方案，依次利用靠模凸輪軸車(chē)床車(chē)削出凸輪外形、靠模型面磨床粗磨凸輪、數(shù)控凸輪磨床半精磨凸輪，考慮熱處理變形給精加工留有0.4mm的余量；通過(guò)淬火保證凸輪硬度為60～65HRC，并采取多次校正與回火的工藝方法減少凸輪軸的彎曲變形；最后采用優(yōu)選的數(shù)控凸輪軸磨床完成凸輪的精密磨削（圖3）。

圖3 數(shù)控凸輪軸磨床加工系統(tǒng)裝置

采用數(shù)控凸輪軸磨床精密磨削凹弧凸輪的過(guò)程為：工作臺(tái)面（Z軸）快速移至砂輪磨削位置→工件（C軸）旋轉(zhuǎn)→砂輪架（X軸）快速趨近工件同時(shí)對(duì)應(yīng)頭架（C軸）作仿形運(yùn)動(dòng)→大砂輪架（X軸）粗磨、半精磨、精磨進(jìn)給→大砂輪架（X軸）退出→工件（C軸）停轉(zhuǎn)→工作臺(tái)面（Z軸）移至下一個(gè)凸輪磨削位置→工件頭架（C軸）轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度（第1個(gè)凸輪與第2個(gè)凸輪夾角值）→工件頭架（C軸）快速回轉(zhuǎn)→大砂輪架（X軸）快速趨近工件并作對(duì)應(yīng)工件頭架（C軸）的仿形運(yùn)動(dòng)→大砂輪架（X軸）粗磨、半精磨、精磨進(jìn)給→大砂輪架（X軸）退出→工件頭架（C軸）停轉(zhuǎn)→工作臺(tái)面移至下一個(gè)凸輪→重復(fù)上述動(dòng)作循環(huán)直至磨完最后一個(gè)凸輪的磨削→當(dāng)磨削凸輪數(shù)量到某一設(shè)定值時(shí)，則會(huì)接到修整砂輪指令，執(zhí)行修整砂輪程序→修整后，砂輪架（X軸）退出→工作臺(tái)面（Z軸）快速移至砂輪磨削位置→工件（C軸）旋轉(zhuǎn)→小砂輪架向下翻轉(zhuǎn)，（X軸）快速趨近工件同時(shí)對(duì)應(yīng)頭架（C軸）作仿形運(yùn)動(dòng)→小砂輪架（X軸）半精磨、精磨、光磨進(jìn)給→小砂輪架（X軸）退出→工件（C軸）停轉(zhuǎn) 工作臺(tái)（Z軸）移至下一個(gè)凸輪磨削位置→工件頭架（C軸）轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度（第1個(gè)凸輪與第2個(gè)凸輪夾角值）→工件頭架（C軸）快速回轉(zhuǎn)→小砂輪架（X軸）快速趨近工件并作對(duì)應(yīng)工件頭架（C軸）的仿形運(yùn)動(dòng)→小砂輪架（X軸）半精磨、精磨及光磨進(jìn)給→小砂輪架（X軸）退出→工件頭架停轉(zhuǎn)→工作臺(tái)面移至下一個(gè)凸輪→重復(fù)上述動(dòng)作循環(huán)直至磨完最后一個(gè)凸輪→當(dāng)磨削凸輪數(shù)量到某一設(shè)定值時(shí)，則會(huì)接到修整砂輪指令，執(zhí)行修整砂輪程序→砂輪架（X軸）退出→工作臺(tái)移至起始位置（原點(diǎn)）。

2.3 磨削參數(shù)的優(yōu)化與應(yīng)用

凸輪軸磨削最重要的是凸輪升程誤差控制和表面質(zhì)量，并且在滿足表面質(zhì)量和尺寸精度的前提下盡可能高的加工效率以及少的砂輪修整量。凸輪軸磨削工藝參數(shù)的選擇是凸輪軸加工工藝中的一個(gè)重要方面，選擇恰當(dāng)與否，將直接影響到凸輪加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率和加工成本等。由于影響磨削工藝參數(shù)的因素較多，各影響因素之間又相互交叉、相互制約，因而最佳磨削工藝參數(shù)的確定較為困難。通過(guò)加工試驗(yàn)與批生產(chǎn)驗(yàn)證，形成了優(yōu)化的凹弧凸輪數(shù)控磨削參數(shù)。精密磨削參數(shù)具體如表1、表2。

表1 大砂輪磨削參數(shù)表

表2 小砂輪磨削參數(shù)表

2.4 數(shù)控加工程序的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

凹弧凸輪的數(shù)控磨削比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)數(shù)控程序時(shí)首先要確定基圓半徑和滾輪直徑的大小，以及是否用平側(cè)頭。同時(shí)確定凸輪型線的0°起始點(diǎn)，然后按1°的間隔值輸入升程值，以確定凸輪的中心線。

輸入升程值后，要觀察所顯示的凸輪升程曲線、速度曲線和加速度曲線是否有突升和突降點(diǎn)，如果有突升和突降點(diǎn)則說(shuō)明升程值在某點(diǎn)處有誤差，磨削后易造成凸輪表面曲線不光滑，需要針對(duì)升程值進(jìn)行極微量的調(diào)整。磨削凹弧凸輪時(shí)砂輪對(duì)于凹弧部位的升程值比較敏感，其中砂輪速度、主軸的穩(wěn)定性、進(jìn)給速度及進(jìn)給量等參數(shù)都對(duì)磨削凹弧有微小的變化，易產(chǎn)生較大的升程誤差，特別是型線速度的設(shè)置還需經(jīng)過(guò)多次工藝試驗(yàn)后，在一定的最低轉(zhuǎn)速、X軸與C軸的加速度等均應(yīng)在加工過(guò)程中做相應(yīng)的增減變化及優(yōu)化。優(yōu)化后的數(shù)控磨削程序與驗(yàn)證軌跡如圖4、表3、表4所示。

圖4 優(yōu)化的數(shù)控磨削程序與驗(yàn)證軌跡示意圖界面

表3 大砂輪磨削數(shù)控程序

表4 小砂輪磨削數(shù)控程序

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)凹弧凸輪軸加工技術(shù)分析與研究，形成了標(biāo)準(zhǔn)的制造工藝規(guī)范、磨削NC程序，在批量生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，尤其是在引進(jìn)吸收產(chǎn)品研制中取得效果顯著。隨著高功率、高密度柴油機(jī)的研發(fā)，凹弧凸輪軸制造技術(shù)不僅可為同類零件加工提供技術(shù)指導(dǎo)，而且技術(shù)應(yīng)用前景廣泛。

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