姜如松 趙澤輝 文 春

(①湖南衡陽財經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽421002;②湖南衡陽南岳油泵油嘴有限公司，湖南 衡陽421007)

凸輪軸是發(fā)動機(jī)燃油供應(yīng)系統(tǒng)中高壓油泵總成上重要的傳動件，依靠它傳遞的動力加壓燃油，并使之噴射進(jìn)入汽缸與空氣混合，進(jìn)而完成燃燒這一由化學(xué)能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換而做功，因此凸輪軸的質(zhì)量控制尤為嚴(yán)格。某公司的凸輪軸的簡圖如圖1所示，凸輪外形如圖2所示。凸輪外形由1平面和4個圓柱面構(gòu)成，包括凸輪軸的基圓弧DE、升程直線面EA、噴油圓弧AB、保持圓弧面BC和回程圓弧面CMD。

凸輪軸的材料為20 Cr，熱處理技術(shù)要求為滲碳層深度1.30～1.80 mm，表面硬度60～64 HRC。凸輪軸的加工工藝:鍛造、正火→粗車→滲碳、淬火、回火→磨削→成品。

凸輪軸的工作過程:凸輪逆時針方向旋轉(zhuǎn)，在基圓弧DE，凸輪承受壓力大小不變;在升程直線面EA段，壓力逐漸增大;在升程噴油圓弧AB段，壓力繼續(xù)增大，但增大的幅度逐漸減小，直到在B點壓力達(dá)到最大值;保持圓弧面BC段，保持最大壓力不變，防止回油;回程圓弧面CMD段，只承受彈簧的壓力直到最低值，同時完成吸油工作。

在五段圓弧、線段構(gòu)成的凸輪上，EA、AB和BC是它的加壓工作段，從質(zhì)量控制的角度上，主要應(yīng)檢測這三段的硬度。

1 檢測工裝的設(shè)計

該工裝的使用設(shè)備是HR-150A型手動洛氏硬度計。

1.1 原有的檢測工裝

凸輪軸在該公司生產(chǎn)已有30多年歷史，一直采用圖3所示的經(jīng)過修整的V形鐵做凸輪軸的檢測工裝。該工裝結(jié)構(gòu)簡單，可以保證箭頭F指向的穿過兩個圓心的連線與硬度計工作臺升降螺桿中心線的同軸度。該夾具用于檢測B點處的硬度。

使用該工裝的準(zhǔn)備工作很簡單，只需清理掉凸輪上淬火的油污和毛刺即可。缺點是檢測位置太窄，能夠檢測的表面硬度的次數(shù)有限，因此檢測結(jié)果不一定能反映凸輪的真實情況;B點的定位基準(zhǔn)不確定，與V形鐵接觸的是凸輪的圓弧面，B點的位置主要靠經(jīng)驗來判斷;試驗時凸輪B點位置安放不準(zhǔn)的話可能導(dǎo)致凸輪轉(zhuǎn)動，個別時候甚至?xí)霈F(xiàn)損壞硬度計壓頭的情況。

1.2 第1種工裝設(shè)計方案

如圖4所示。以凸輪的直線平面EA和回程圓柱面CMD的一個切線面作為定位基準(zhǔn)，夾具要確保回程圓柱面CMD的圓心X與硬度計工作臺升降螺桿中心線重合。該工裝在保證基準(zhǔn)不變的情況下，配套使用一旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使V形鐵兩邊可以繞X點旋轉(zhuǎn)，能測量多點處的硬度。這樣克服了原先設(shè)計方案的測量位置窄和測量時凸輪可能轉(zhuǎn)動的缺點。是一個比較好的替代原先設(shè)計的方案。缺點是另外配置的V形鐵的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜。

1.3 第2種工裝設(shè)計方案

如圖5所示。以凸輪軸的兩凸輪間的軸頸表面和回程面CMD的一個切線面為基準(zhǔn)，測量升程直線面EA的硬度［1］。按照我們的設(shè)計計算，與凸輪回程面相切的楔鐵塊2的楔角為46.5°(與水平面間的夾角，取銳角)，為了加工的方便，我們選取該角度α為45°。在夾具裝配過程中，我們以一根已完成精磨加工的成品凸輪軸做為標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整楔鐵塊的位置，目的是使直線面EA呈水平狀態(tài)進(jìn)行硬度測試。

該設(shè)計方案能測量凸輪的升程面EA，這個面的面積寬廣，又是凸輪的主要工作面，能滿足圖紙對該凸輪的測量位置的技術(shù)要求，也能適應(yīng)多次硬度檢測。缺點是在熱處理過程檢驗時，需要把凸輪之間的軸表面的油污和毛刺清除掉，工人的工作量有所增加。

對比方案1、2，方案2的工裝夾具結(jié)構(gòu)簡單，具備更多的測量位置，更能準(zhǔn)確反映凸輪的實際硬度和凸輪軸的熱處理生產(chǎn)狀況，采用它有優(yōu)勢。

2 夾具誤差分析

2.1 測試平面位置變化分析

凸輪軸的凸輪之間的軸頸部位在滲碳淬火后無需磨削，沒有加工余量的設(shè)計。凸輪表面在滲碳前有0.20 mm的單邊磨削加工余量，粗車時加工誤差為±0.05 mm。所以在設(shè)計方案2中，V形鐵的定位不會由于檢測的凸輪的加工狀態(tài)發(fā)生改變，而CMD圓弧由于磨削加工余量的存在，使得定位位置出現(xiàn)變化，這樣檢測時直線面EA不再是水平狀態(tài)，因此會使測量的結(jié)果出現(xiàn)誤差。

工裝夾具制作、安裝調(diào)試好后，V形鐵和楔鐵塊的位置不能再變動，因此，楔鐵塊總是處于與CMD圓弧相切的位置。實際淬火檢測時凸輪有磨削加工余量，即是CMD圓弧的半徑要增大，按照圖紙設(shè)計在誤差分析時取極大值［2］:0.20+0.05=0.25 mm。

表面硬度檢測時，圓弧CMD的圓心X與凸輪軸的軸心O間距不會變化，只是CMD圓弧的圓心X繞軸心O點發(fā)生旋轉(zhuǎn)。此時與楔鐵塊接觸的CMD圓弧面的位置由安裝調(diào)試工裝時的位置M點旋轉(zhuǎn)到N點。

采用制圖法來確定N點的位置。如圖6(a)所示，連接CMD圓弧的圓心X和CMD圓弧與楔鐵塊的切點M。在CMD圓弧的圓心X作楔鐵塊斜面的平行線(圖中的虛線)，再以此平行線為基礎(chǔ)向左作等距平行線，距離為CMD圓弧半徑的增加量，即加工余量與誤差之和0.25 mm。以軸心O點為圓心，以CMD圓弧圓心X與軸心O間的距離為半徑作圓弧。圓弧與左側(cè)的等距平行線有一交點Y。在此交點Y作XM的平行線YN，與楔鐵塊的斜面相交于N點。N點即為有加工余量的CMD圓弧與楔鐵塊接觸點。

通過對M、N兩點的分析可知，存在加工余量的凸輪與理想狀況(精磨后)的凸輪在夾具上安裝后有一個逆時針的旋轉(zhuǎn)，即逆時針旋轉(zhuǎn)∠MON?！螹ON經(jīng)CAXA繪圖軟件的計算為0.383°。

由于凸輪的這一旋轉(zhuǎn)，使E、A點都繞軸心O點旋轉(zhuǎn)同一角度。如圖6b所示，旋轉(zhuǎn)后A點比原來的位置提升AK=0.08 mm，E點繞軸心O旋轉(zhuǎn)后的位置變化計算值為0.03 mm，再計算到其在垂直方向的下降可忽略［5］。

加工余量和尺寸誤差的存在使凸輪旋轉(zhuǎn)后，EA的位置變化到FH，如圖6b所示。E點提升到F點，EF的長度根據(jù)誤差分析取極小值0.20-0.05=0.15 mm。AH的長度包括A點本身的旋轉(zhuǎn)上升高度AK、加工余量與加工誤差之和KH，取極大值長度KH=0.20+0.05 mm。

在這種極端情況下EA面就變成了FH面，在平面圖中就構(gòu)成了直角梯形EFHA。如圖6b所示，F(xiàn)H線和EA線的夾角為∠GFH。

∠GFH大小計算:arctan(GH/GF)=arctan［(KH+AK-EF)/EA］=arctan［(0.25+0.08-0.15)/12.5］≈0.83°(GF長度等于EA)。

2.2 夾具測試精度

從以上分析可知，夾具在正常使用過程中其檢測表面與硬度計壓頭的中心線有一個傾斜角，這個角度最大值為0.83°。參照硬度試驗的國家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)資料，沒有發(fā)現(xiàn)有關(guān)試樣待測表面與壓頭中心線的不垂直度要求的內(nèi)容。

按照C標(biāo)尺的洛氏硬度測試的原理，我們把測試的壓力1 500 N沿與EA平行(水平方向)和垂直的方向分解，垂直方向的作用力就是硬度測試需要的作用力，其大小為1 500×cos0.83°，壓力大小改變不足萬分之一。我們認(rèn)為不會影響測試的硬度值［3-4］。

3 生產(chǎn)運用與結(jié)論

(1)按照設(shè)計方案二設(shè)計的夾具，裝配時用精磨后的凸輪軸來調(diào)校，在檢測淬火凸輪軸過程中，存在設(shè)計時水平的直線升程面EA會發(fā)生0.83°的傾斜，從而導(dǎo)致該面不垂直于硬度計壓頭中心線的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象并不影響硬度測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(2)按照設(shè)計方案二設(shè)計的夾具，克服了原來的V形鐵工裝的操作難題?？梢栽谝淮未蚰ズ髾z測成功。檢測結(jié)果能很好地反映凸輪軸的熱處理淬火生產(chǎn)。表面上看，檢測時使用新設(shè)計的夾具試樣工件需打磨的部位增加了，但是不會出現(xiàn)多次打磨試樣的現(xiàn)象，和原來的V形鐵夾具比起來，打磨次數(shù)少了，操作也變得簡單，總的工作量是減少了。

［1］洪惠良.夾具設(shè)計［M］.4版.北京:中國勞動和社會保障出版社，2011:26-33.

［2］蘇建修.機(jī)械制造基礎(chǔ)［M］.2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，237-242.

［3］GB/T 230.1—2004金屬洛氏硬度試驗［s］.第1部分:試驗方法.

［4］GB/T 230.3—2012金屬材料洛氏硬度試驗［s］.第3部分:標(biāo)準(zhǔn)硬度塊.

［5］關(guān)雄飛.CAXA制造工程師應(yīng)用技術(shù)［M］.1版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社:35-40.