秦祖安 李鑫 黃正忠 張森華 陳小華

摘要：分析了凸輪軸軸頸在砂帶拋光成形下的各粗糙度參數(shù)間的相互關(guān)聯(lián)性;并驗(yàn)證了不同拋光參數(shù)對(duì)軸頸表面粗糙度的影響，為凸輪軸的表面粗糙度控制和拋光工藝參數(shù)設(shè)定提供了生產(chǎn)指導(dǎo)。

Abstract： Research on the interconnectness between camshaft journal roughness parameter which was get by belt polishing， verify the effect to the journal surfaceness caused by different polish parameter， provide guidance for roughness control and polish parameter setting.

關(guān)鍵詞：凸輪軸;表面粗糙度;拋光;工藝參數(shù)

Key words： camshaft;surface roughness;polishing;process parameter

中圖分類號(hào)：U464.136? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）01-0089-03

0? 引言

眾所周知，發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，而凸輪軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零部件之一。配氣系統(tǒng)的摩擦損失是發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)耗的第三大“功臣”，占發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失量的7～10%。其中，活塞組件的摩擦損失居首，曲軸系統(tǒng)次之。凸輪軸在配氣系統(tǒng)里質(zhì)量最大，屬于主動(dòng)軸帶動(dòng)其他零件運(yùn)動(dòng)。因此凸輪軸減少摩擦損失技術(shù)成為提高發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率和降低油耗的重要指標(biāo)，要達(dá)到減磨的效果，控制好凸輪軸摩擦副的表面粗糙度至關(guān)重要。目前，表面拋光是改善零件表面粗糙度的最直接的方法。本文針對(duì)凸輪軸軸頸表面粗糙度進(jìn)行了砂帶拋光試驗(yàn)，分析了不同拋光條件對(duì)軸頸表面粗糙度的影響關(guān)系，為凸輪軸軸頸的表面質(zhì)量控制和拋光工藝參數(shù)提供了生產(chǎn)指導(dǎo)。

1? 常用的表面粗糙度參數(shù)：Ra、Rz、Rmr定義

凸輪軸軸頸粗糙度一般要求為Ra0.1～Ra0.8，或者Rz1～Rz6;部分對(duì)軸頸粗糙度要求較高的主機(jī)廠，會(huì)增加Rmr（c）的要求。

1.1 粗糙度輪廓算術(shù)平均值Ra

在GB/T 3505中定義，Ra為在一個(gè)取樣長度內(nèi)縱坐標(biāo)值Z（x）絕對(duì)值的算術(shù)平均值[1]，計(jì)算公式為：

1.2 輪廓最大高度Rz

在GB/T 3505中定義，Rz定義為在一個(gè)取樣長度內(nèi)，最大輪廓峰高與最大輪廓谷深之和[1]，如圖1所示。

1.3 輪廓支承長度率Rmr（c）

在GB/T 3505中定義，定義為在給定水平截面高度c上輪廓的實(shí)體材料長度Ml（c）與評(píng)定長度的比率[1]，如圖2所示。

2? 砂帶拋光成形的各粗糙度參數(shù)間的相互關(guān)聯(lián)性

2.1 砂帶拋光下成形的表面粗糙度Ra與Rz的對(duì)應(yīng)關(guān)系

在《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中，針對(duì)Ra、Rz一般有如表1對(duì)應(yīng)關(guān)系[2]。

凸輪軸的凸輪和軸頸的表面粗糙度一般要求Ra0.1～ Ra0.8。當(dāng)粗糙度為Ra0.4～Ra0.8時(shí)，一般采用高速磨削的加工方式，當(dāng)粗糙度為Ra0.1～Ra0.4時(shí)，一般采用先磨削再進(jìn)行砂帶拋光的工藝方法;由表1可知在Ra0.8以內(nèi)時(shí)有如下關(guān)系：

Rz=8Ra（2）

該對(duì)應(yīng)關(guān)系在實(shí)際運(yùn)用中，存在一定偏差;圖3為凸輪軸軸頸拋光實(shí)際檢測(cè)的Ra及Rz數(shù)據(jù)。

對(duì)數(shù)據(jù)中Ra、Rz進(jìn)行線性擬合，得到以下回歸方程：

Rz=9.4591Ra+0.1103;? ? ?R2=0.9097（3）

將以上回歸進(jìn)行簡(jiǎn)化：

Rz =10.5Ra;? ? ?R2=0.8976（4）

由此可計(jì)算出如表2所示對(duì)照表。

2.2 砂帶拋光下成形的表面粗糙度Ra與Rmr（DEPTH-0.25）的對(duì)應(yīng)關(guān)系

Rmr（c）為輪廓支承長度率，它反應(yīng)的是零件的耐磨性，Rmr（c）值越大，軸頸越耐磨損。從定義上，Rmr與Ra沒有直接關(guān)聯(lián)，實(shí)際運(yùn)用中，能直觀的發(fā)現(xiàn)Ra越小，Rmr（c）的值會(huì)越大。

下面針對(duì)國內(nèi)某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸軸徑的粗糙度要求Rmr（DEPTH-0.25），分析Ra與Rmr（DEPTH-0.25）的對(duì)應(yīng)關(guān)系;根據(jù)試驗(yàn)過程實(shí)際檢測(cè)的數(shù)據(jù)，做出Rmr（DEPTH-0.25）與Ra的散點(diǎn)圖（圖4）。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到以下回歸方程：

Rmr（DEPTH-0.25）=-4.3633Ra+1.2141;R2=0.9402（5）

根據(jù)以上回歸，計(jì)算出如表3所示對(duì)照表。

從以上數(shù)據(jù)看，當(dāng)Ra達(dá)到0.05時(shí)，Rmr （DEPTH-0.25）為99.59% ，當(dāng)Ra在0.25時(shí)，Rmr12.33%;在實(shí)際工藝應(yīng)用中，Rmr（DEPTH-0.25）要達(dá)到99%以上在工藝實(shí)現(xiàn)上比較困難。而外圓磨床磨削后的產(chǎn)品粗糙度Ra0.35的情況下，Rmr（DEPTH-0.25）已經(jīng)達(dá)到15%;磨削后的產(chǎn)品粗糙度Ra0.24時(shí)，Rmr（DEPTH-0.25）已經(jīng)達(dá)到28%。所以Rmr（DEPTH-0.25）在不同工藝方法下，其相對(duì)Ra的關(guān)系會(huì)有變化，但基本是與Ra呈正相關(guān)的;而當(dāng)Rmr （DEPTH-0.25）要求≥50%時(shí)，一般都需要采用拋光等工藝進(jìn)一步提升表面粗糙度質(zhì)量。

3? 不同拋光參數(shù)對(duì)軸頸表面粗糙度的影響

凸輪軸軸頸拋光的粗糙度，與產(chǎn)品拋光前的粗糙度、拋光時(shí)工件轉(zhuǎn)速、拋光壓力、拋光帶目數(shù)、拋光振蕩頻率、振蕩幅度、拋光時(shí)間、拋光介質(zhì)等參數(shù)均有關(guān)系;以某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸為例;軸頸表面粗糙度要求：Rmr（DEPTH-0.25）80%min，為了保證拋光后軸頸直徑變化量穩(wěn)定在0.002mm左右，我們選定1200目拋光帶，在0.5Mpa拋光壓力下驗(yàn)證不同拋光參數(shù)能達(dá)到的Rmr（DEPTH-0.25）水平。

對(duì)影響Rmr（DEPTH-0.25）的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行最佳子集分析，得到表4。

其中模型3的 Cp和S最小，同時(shí)R2在74.4;意味著Rmr（DEPTH-0.25）與拋光時(shí)的工件轉(zhuǎn)速、拋光時(shí)間相關(guān)，對(duì)Rmr（DEPTH-0.25）與工件轉(zhuǎn)速和拋光時(shí)間進(jìn)行線性回歸：

Rmr（DEPTH-0.25）=0.472+0.000134S+0.00446t（6）

其中，S為拋光轉(zhuǎn)速，t為拋光時(shí)間。（表5）

S=0.0886036? ?R-Sq = 74.4%? ?R-Sq（調(diào)整） = 72.5%

由回歸方程可知，Rmr（DEPTH-0.25）與工件轉(zhuǎn)速和拋光時(shí)間均為正相關(guān)，但擬合度只有74.4%;對(duì)回歸方程進(jìn)行殘差分析（圖5）。

從殘差圖可看出，殘差和擬合值分布類似泊松分布，擬合曲線可能非線性;下面分別列出Rmr相對(duì)于工件轉(zhuǎn)速和拋光時(shí)間的散點(diǎn)圖，以觀察分布規(guī)律（圖6）。

由圖6可看出，Rmr（DEPTH-0.25）相對(duì)工件轉(zhuǎn)速基本呈對(duì)數(shù)分布;進(jìn)行對(duì)數(shù)擬合得到以下回歸方程：

y= 0.1317ln（x）-0.1658;R2=0.8503（7）

由圖7可看出，Rmr（DEPTH-0.25）相對(duì)拋光時(shí)間基本呈對(duì)數(shù)分布，但也明顯存在偏離點(diǎn);進(jìn)行對(duì)數(shù)擬合得到以下回歸方程：

y=0.1103ln（x）+0.4893;R2=0.257（8）

由于工件轉(zhuǎn)速和拋光時(shí)間的乘積正好為拋光圈數(shù);在最佳子集分析中，模型2中變量僅有拋光圈數(shù)，但是R-Sq只有39.7%，由此推斷Rmr與拋光圈數(shù)也應(yīng)呈正相關(guān)，但非線性;嘗試做出Rmr與拋光圈數(shù)的散點(diǎn)圖，并做回歸分析。（圖8）

由圖8可看出，Rmr（DEPTH-0.25）相對(duì)拋光圈數(shù)呈對(duì)數(shù)分布;并有以下回歸方程：

y=0.1006ln（x）+0.2258;R2=0.9004（9）

根據(jù)數(shù)據(jù)可看出;Rmr （DEPTH-0.25）隨著拋光圈數(shù)的增加成對(duì)數(shù)增長;并可計(jì)算出表6所示對(duì)應(yīng)表。

綜上，Rmr（DEPTH-0.25）隨著拋光圈數(shù)的增加成對(duì)數(shù)增長，在拋光圈數(shù)達(dá)到300以上時(shí)，Rmr（DEPTH-0.25）達(dá)到80%;且拋光圈數(shù)繼續(xù)增加，Rmr（DEPTH-0.25）會(huì)變大，但是提升效果不明顯。

4? 結(jié)論

①表面粗糙度輪廓Ra、Rz、Rmr（c）之間有一定的相關(guān)性;Rz與Ra呈線性正相關(guān)，Rmr（c）與Ra呈線性負(fù)相關(guān)。

②在軸頸拋光工藝中，Rmr（DEPTH-0.25）相對(duì)拋光圈數(shù)呈對(duì)數(shù)分布，在拋光圈數(shù)達(dá)到300以上時(shí)，Rmr （DEPTH-0.25）達(dá)到80%;且拋光圈數(shù)繼續(xù)增加，Rmr （DEPTH-0.25）會(huì)變大，但是提升效果不明顯。

參考文獻(xiàn)：

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