程敢峰 夏煥金

(中車戚墅堰機車有限公司 江蘇 常州 213011)

內(nèi)燃機的凸輪軸用于控制氣門的開啟和閉合動作，而氣門的開啟運動規(guī)律關(guān)系到內(nèi)燃機的功率及燃油的燃燒效率和排放質(zhì)量。氣門運動規(guī)律的準確性與凸輪型面360°圓周方向線輪廓度及每度線輪廓度精度密切相關(guān)。凸輪軸加工難題主要是看凸輪型面360°圓周方向線輪廓度及每度線輪廓度加工精度及凸輪曲線形狀。

一般內(nèi)燃機車凸輪軸的凸輪圓周方向線輪廓度為0.10 mm，每度線輪廓度為0.025 mm。當(dāng)凸輪型面凹弧半徑小，且其速度及加速度變化快，則圓周方向線輪廓度及每度線輪廓度受各點升程變化影響大，線輪廓度難以控制，加工困難。目前，國內(nèi)外凸輪軸凸輪型面粗加工通常采用正交車銑加工和軸向車銑加工兩種方式，凸輪型面精加工通常采用磨削加工方式。如圖1所示，現(xiàn)有一種凸輪軸，其基圓半徑小于聯(lián)接軸頸半徑，凸輪型面凹弧最小半徑只有77.214 mm，且其速度及加速度變化快，圓周方向線輪廓度為0.10 mm，每度線輪廓度為0.015 mm，先對其加工工藝進行研究，如圖2所示。

圖1 凸輪軸示意圖

圖2 凸輪型線、速度及加速度型線

1 凸輪型面粗加工

刀具直徑受凸輪型線影響，其最大直徑由凹弧最小半徑及凹弧長度決定。刀具直徑過大，在凹弧處產(chǎn)生過切，過小又影響加工效率。如圖1所示的凸輪粗加工可采用軸向車銑加工和正交車銑加工。不論采用哪種車銑加工，首先要對其曲線輪廓進行分析，其曲率分布如圖3所示，最小處曲率半徑為77.214 mm，有3處存在凹弧。由于凸輪型面要淬火，為使凸輪型面各處硬度及有效淬火層深度相同，在粗加工時，必須保證凸輪各處所留磨削余量相同，因此刀具參數(shù)及加工路徑的選擇要合理。

圖3 凸輪型線曲率分析圖

1.1 軸向車銑刀具參數(shù)的確定

在不考慮對凸輪輪廓進行變換的前提下，軸向車銑的銑刀盤直徑不能超過144.428 mm?？紤]到切削力及冷卻，刀盤直徑最好為最小凹弧的70%～80%，即為97.5 mm～115.542 4 mm。由于凸輪基圓半徑小于聯(lián)接軸頸的半徑，呈凹槽形，因此，軸向車銑的刀盤寬度不能超過兩邊R3的退刀槽，只能在45 mm～51 mm范圍內(nèi)。

1.2 正交車銑刀具參數(shù)的確定

圖1所示這類基圓半徑小于聯(lián)接軸頸的凸輪加工，刀具最大直徑只能比凸輪寬度大4 mm，最小有效切削寬度又必須大于凸輪寬度，刀具直徑參數(shù)要通過計算及模擬來確定。

正交車銑凸輪時，凸輪型線不能有如圖3所示的凹弧存在，必須對凸輪輪廓曲線進行數(shù)據(jù)處理，去掉凹弧。如果采用一刀式切削方式，則刀具有效切削刃寬度最少為45 mm，而刀盤外徑又不能超過55 mm，所以刀盤選擇直徑為55 mm的非標刀盤，刀片寬度為12.7 mm，為標準S型刀片(見圖4)。

圖4 銑刀示意圖

1.3 加工路徑的變換

由于軸向車銑加工設(shè)備通常只有一只固定的銑刀盤，為了滿足設(shè)備上的銑刀盤能加工凸輪輪廓，通常要對其輪廓曲線進行變換，使其最小處凹弧半徑為盤半徑的80%左右，而且變化后的輪廓與原始輪廓最大距離不能超過0.2 mm，否則影響凸輪凹弧處淬硬層深度，從而影響凸輪軸的使用壽命。

正交車銑設(shè)備通常是使用車銑加工中心，可使用多種刀具進行加工，因此可以對凹弧處輪廓進行變換，如圖5所示，變換前后路徑之間的最大距離為0.638 7 mm，因此，還要再次對凹弧處進行局部精加工。對凹弧進行局部加工時，選擇球頭刀加工此處殘料，確保凸輪型線輪廓度在0.2 mm之內(nèi)，保證凸輪型面在成品時，各處淬硬層深度一致。

圖5 優(yōu)化路徑與原始路徑示意圖

2 凸輪型面精加工

在機車內(nèi)燃機行業(yè)中，凸輪型面精加工大都是采用凸輪隨動磨削加工的。為了提高加工效率和加工質(zhì)量，凸輪隨動磨削先采用大砂輪進行粗磨，后采用小砂輪進行精磨。某公司磨削此種難加工的凸輪軸是采用直徑為200 mm、寬度為40mm的砂輪進行粗磨，采用直徑為100 mm、寬度為40 mm的砂輪進行精磨。由于粗磨的砂輪半徑大于最小凹弧半徑，所以在粗磨時要對凸輪型線輪廓進行變換，保證其最小凹弧半徑大于125 mm。

砂輪寬度小于凸輪寬度，磨削時可采用兩次切入磨削方法，也可以采用擺動磨削方法。兩次切入磨削，中間有一部分是重合的，其表面質(zhì)量沒有擺動磨削方法好?？紤]某公司采用數(shù)控凸輪軸磨削具體擺動磨削功能，故此凸輪型面采用擺動磨削加工。

生產(chǎn)過程中，直徑為100 mm的砂輪很少，而直徑為150 mm左右的砂輪相對多些。但直徑150 mm的砂輪不能直接去磨削最小凹弧半徑為77.214 mm的凸輪型面。在現(xiàn)有設(shè)備的條件下又要加工此種凸輪軸，在基圓尺寸公差及凸輪線輪廓度允許范圍內(nèi)對凸輪輪廓曲線進行優(yōu)化，使其所需最大砂輪半徑盡量小于凸輪最小凹弧半徑，這樣就可以在十分不利的條件下，加工出合格的產(chǎn)品。對凸輪型線進行了優(yōu)化，凹弧處所留的最大余量為0.023 mm，而升程誤差為±0.05 mm，因此，該方法是可行的。

3 結(jié)束語

凸輪型面加工是凸輪軸加工過程中的關(guān)鍵，也是主要難點之一。針對凸輪型面凹弧半徑小、速度及加速度變化快、基圓半徑小的聯(lián)接軸頸的凸輪軸，其加工工藝的關(guān)鍵是刀具和砂輪的選擇，以及通過凸輪輪廓進行加工路徑的變換和優(yōu)化，在不利的加工條件下加工出合格的凸輪軸。目前某公司利用車銑加工中心和數(shù)控凸輪軸磨床開發(fā)出了此類型凸輪軸的加工工藝，經(jīng)過實用驗證，收到了較好的效果?！?/p>