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發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸孔的設(shè)計(jì)與加工工藝安排

2018-11-6 來源：上海華普發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司作者：金延安

【摘要】: 本文從發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)傳動(dòng)問題出發(fā)，介紹柴油機(jī)和轎車用汽油機(jī)正時(shí)傳動(dòng)各自在設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)及把握工藝要點(diǎn)，加工方法優(yōu)劣比較，可作為發(fā)動(dòng)機(jī)建生產(chǎn)線選擇設(shè)備、刀具的參考。對(duì)目前中國(guó)轎車用動(dòng)力的發(fā)展方向及趨勢(shì)作了淺釋。

1.現(xiàn)狀分析

20 世紀(jì)中國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)大都為工作機(jī)提供動(dòng)力，如為船舶、重型汽車、工程機(jī)械和谷物加工機(jī)械等提供動(dòng)力，以中低速柴油機(jī)為主。凸輪軸孔幾乎都設(shè)計(jì)在缸體上，因?yàn)樵谕粋€(gè)零件上便于工藝安排，而且凸輪軸孔和曲軸孔同在一個(gè)缸體上，距離較近，用齒輪傳動(dòng)，使設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，加工精度也便于控制。通過曲軸齒輪傳動(dòng)橢輪齒輪再傳動(dòng)凸輪軸齒輪來完成發(fā)動(dòng)機(jī)的正時(shí)傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)要求曲軸孔、橢輪軸孔及凸輪軸孔之間必須有嚴(yán)格的中心距要求。進(jìn)、排氣凸輪同時(shí)也設(shè)計(jì)在1 根凸輪軸上。從凸輪→挺柱→挺桿→氣門搖臂→氣門開閉，整條驅(qū)動(dòng)鏈比較長(zhǎng)，傳動(dòng)精度低，柴油機(jī)整機(jī)噪音大。為保證嚴(yán)格的中心距，滿足齒輪傳動(dòng)的要求，在生產(chǎn)線加工工藝終端工序，采用的是三軸組合機(jī)床，工件在一次定位夾緊中，完成缸體上曲軸孔、橢輪軸孔及凸輪軸孔的精加工。

改革開放，中國(guó)汽車工業(yè)的崛起，推進(jìn)了車用汽油機(jī)迅猛發(fā)展，汽油機(jī)作為轎車動(dòng)力，轎車對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)也提出了高的要求，如整車的舒適性，整車噪聲限制在70dB 以下，由于轎車前機(jī)艙空間限制，發(fā)動(dòng)機(jī)外框尺寸不宜太大，由于轎車要求瞬時(shí)的加速性，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率要求也高。汽油機(jī)提高功率的途徑有兩條: ① 只提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（6 000r/min 以上）來提高功率。②提高轉(zhuǎn)速的同時(shí)，也必須相應(yīng)提高進(jìn)、排氣的效率來提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。

為此設(shè)計(jì)從1 缸2 氣門改為1 缸4 氣門（進(jìn)氣門兩個(gè)，排氣門兩個(gè)），進(jìn)、排氣凸輪也由共在1 根凸輪軸上的設(shè)計(jì)，發(fā)展為進(jìn)氣凸輪軸和排氣凸輪軸獨(dú)立分開設(shè)計(jì)，進(jìn)、排氣凸輪軸孔受缸體空間的限制難于布置在缸體上。凸輪軸孔的位置也必須由缸體移到缸蓋上（頂置結(jié)構(gòu)），由于拉大了凸輪軸孔與曲軸孔的傳動(dòng)距離，而且不在同1 個(gè)零件上，發(fā)動(dòng)機(jī)的正時(shí)傳動(dòng)也不能采用齒輪傳動(dòng)，只能采用中心距可調(diào)節(jié)（設(shè)有帶傳動(dòng)張緊輪裝置）的、柔性的及低噪聲的帶傳動(dòng)來代替高噪聲的齒輪傳動(dòng)。由進(jìn)、排氣凸輪軸分別直接

驅(qū)動(dòng)氣門挺柱，控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣門的開、閉。由于從凸輪軸凸輪→氣門挺柱→氣門間的傳動(dòng)鏈的縮短，大大提高進(jìn)氣和排氣的效率和傳動(dòng)精度，也大大降低了發(fā)動(dòng)機(jī)整體的噪聲。進(jìn)、排氣凸輪軸之間采用了有消除傳動(dòng)間隙作用的可調(diào)輔助齒輪和齒輪組合傳動(dòng)（降低齒輪傳動(dòng)的噪聲）。本文以MR479Q 發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋雙凸輪軸孔加工工藝安排為例，對(duì)加工工藝方法作探討。

MR479Q 發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋上進(jìn)、排氣凸輪軸孔為分別由凸輪軸蓋與缸蓋所構(gòu)成的五檔不連續(xù)的孔，孔徑都是φ （23 ＋ 0.023）mm，除了它們之間的中心距（112±0.020）mm 有嚴(yán)格要求外，進(jìn)、排氣凸輪軸孔中心軸線也要求相互平行，平行度控制在0.030mm 范圍內(nèi)。

2.缸蓋上進(jìn)、排氣凸輪軸孔目前的兩種加工方法

（1）加工中心機(jī)床加工。①采用粗鉸刀分別對(duì)進(jìn)氣凸輪軸孔和排氣凸輪軸孔的第1 檔凸輪軸孔（作為刀具工藝導(dǎo)向孔）做粗鉸加工，完成后，退出工件，粗鉸刀直接返回刀庫。②進(jìn)入下一工步，采用粗、精鉸復(fù)合刀完成凸輪軸孔的精鉸孔工序。刀具呈前小后大的階梯形，包括粗鉸刀、精鉸刀和導(dǎo)向條等（見圖1）。首先粗鉸刀進(jìn)入第1 檔粗鉸凸輪軸孔（此時(shí)不切削）實(shí)現(xiàn)刀具導(dǎo)向，隨著刀具慢速工進(jìn)，粗鉸刀粗鉸第2 檔凸輪軸孔，同時(shí)精鉸刀，精鉸第1 檔（已粗鉸）的凸輪軸孔尺寸至φ （23 ＋ 0.023）mm。重復(fù)以上加工直到最后一檔凸輪軸孔完成精鉸加工尺寸φ（23 ＋ 0.023）mm。粗、精鉸復(fù)合刀具退出排氣凸輪軸孔，重復(fù)以上加工過程，完成進(jìn)氣凸輪軸孔的精鉸加工尺寸φ （23 ＋ 0.023）mm。

從加工過程來分析，加工中心機(jī)床加工凸輪軸孔，是單軸加工，刀具從第1 檔凸輪軸孔前端口開始，結(jié)束在凸輪軸孔末端出口，刀具工進(jìn)全程410mm 以上，而且是以工進(jìn)速度進(jìn)給。刀具退出排氣凸輪軸孔，再加工進(jìn)氣凸輪軸孔，加工過程也是如此復(fù)雜，本工序節(jié)拍比較長(zhǎng)，效率低，限制了整條缸蓋生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍的提高。

（2）專用組合機(jī)床加工。我們采用4 軸臥式雙工位組合粗鏜、精鏜機(jī)床（見圖2），先缸蓋手動(dòng)推入粗鏜工位，工件定位并抬起，雙軸粗鏜桿快進(jìn)定位，鏜刀在凸輪軸孔前端5mm 處停下（見圖3）。缸蓋落下，定位，夾緊（見圖4）。

雙軸粗鏜桿慢速工進(jìn)，工進(jìn)距離為35mm，完成后，缸蓋抬起，雙軸粗鏜桿在主軸定位器的作用下實(shí)現(xiàn)刀具方向定位，鏜桿停止旋轉(zhuǎn)，并快速退出缸蓋的導(dǎo)向套。缸蓋由夾具自動(dòng)輸送裝置自動(dòng)輸送下一個(gè)精鏜工位，雙軸精鏜桿刀具快進(jìn)，定位，鏜刀在凸輪軸孔前端5mm 處，停下。缸蓋落下，定位，夾緊。雙軸精鏜桿慢速工進(jìn)，工進(jìn)距離也是35mm，完成后，雙軸精鏜桿在主軸定位器的作用下，刀具方向定位，鏜桿停止旋轉(zhuǎn)，缸蓋抬起，并快速退出缸蓋的導(dǎo)向套。完成雙凸輪軸孔的精鏜加工。完工后，缸蓋轉(zhuǎn)入生產(chǎn)線下一工序。

3.專用組合機(jī)床和加工中心機(jī)床加工

凸輪軸孔的特點(diǎn)比較

（1）專用組合機(jī)床加工，多軸（4 軸），雙軸粗鏜桿和雙軸精鏜桿，同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙軸粗鏜進(jìn)、排氣凸輪軸孔，同時(shí)也完成進(jìn)、排氣凸輪軸孔的精鏜加工，開始先粗鏜進(jìn)、排氣凸輪軸孔。完成后，夾具自動(dòng)將工件轉(zhuǎn)入精鏜工位，完成精鏜凸輪軸孔的加工。

加工中心機(jī)床加工，單軸，第1 工步，先粗鉸排氣凸輪軸工藝導(dǎo)向孔，再粗鉸進(jìn)氣凸輪軸工藝導(dǎo)向孔，完成后，返回機(jī)床刀具庫。第2 工步，換刀，粗、精鏜鏜鉸復(fù)合刀，先粗、精鉸排氣凸輪軸孔，再粗、精鉸進(jìn)氣凸輪軸孔。

（2）專用組合機(jī)加工，多刀（5 把刀），粗鏜進(jìn)、排氣凸輪軸孔各5 把刀，精鏜進(jìn)、排氣凸輪軸孔各5 把刀，每一把刀完成粗鏜（或精鏜）1 檔孔。加工中心機(jī)床加工，單刀，換刀頻率高，只能一個(gè)工步，一個(gè)工步進(jìn)行。

（3）加工中心機(jī)床加工，刀具工進(jìn)距離短，僅有35mm，生產(chǎn)率高。加工中心機(jī)床加工，工進(jìn)距離長(zhǎng)，從凸輪軸孔第1 檔端口到第5 檔凸輪軸孔出口工進(jìn)距離410mm，生產(chǎn)率低。

（4）專用組合機(jī)床加工，刀具鏜桿采用前、后和中間導(dǎo)向套的全支承結(jié)構(gòu)，刀具剛性高、無振動(dòng)，加工凸輪軸孔的表面粗糙度好。加工中心機(jī)床加工，刀具為懸臂狀態(tài)，刀具剛性差、易振動(dòng)，凸輪軸孔表面粗糙度相對(duì)差。

（5）專用組合機(jī)床加工，在整個(gè)生產(chǎn)線是節(jié)拍短、效率高，生產(chǎn)線產(chǎn)量由50 000 臺(tái)提升至100 000 臺(tái)專用組合機(jī)床產(chǎn)能仍能滿足。加工中心機(jī)床加工在生產(chǎn)線上是節(jié)拍長(zhǎng)、效率低，往往是生產(chǎn)線上難以控制的短板，提升產(chǎn)能只能增加加工中心機(jī)床的臺(tái)數(shù)。

（6）專用組合機(jī)床刀具結(jié)構(gòu)單一、價(jià)格便宜，本廠便于刃磨，壽命長(zhǎng)，刀具費(fèi)用低。加工中心機(jī)床刀具是復(fù)合刀具，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，本廠刃磨修復(fù)困難，壽命相對(duì)短，刀具費(fèi)用高。但是兩種機(jī)床各有特點(diǎn)，加工中心機(jī)床在加工中心距離小的密集的孔系時(shí)，優(yōu)于專用組合機(jī)床，組合機(jī)床受孔中心距限制，中心距離小的孔系要分兩臺(tái)機(jī)床加工，增加機(jī)床臺(tái)數(shù)，而中心距精度難以保證，也使生產(chǎn)線加長(zhǎng)。

4.結(jié)語

改革開放40 年，我國(guó)的汽車產(chǎn)量和汽車擁有量已相當(dāng)大，但是也給環(huán)境帶來嚴(yán)重污染，國(guó)家在限制汽車排放的同時(shí)，大力發(fā)展新能源汽車，特別是零污染的純電動(dòng)汽車，如比亞迪公司的純電動(dòng)公交車已進(jìn)入大中城市公交公司運(yùn)營(yíng)。但是，由于中、小型乘用車，受車用電池的容量限制，續(xù)航里程短，充電站少，還有待全國(guó)建設(shè)充電站成網(wǎng)，目前中、小型乘用車動(dòng)力還是以汽油機(jī)為主，采用缸蓋頂置雙凸輪軸4 氣門（5 氣門）結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)，尚處于主流位置。

對(duì)于缸體、缸蓋生產(chǎn)線的建設(shè)，本人多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選擇設(shè)備不宜偏彼，能充分發(fā)揮機(jī)床各自特點(diǎn)的最大化為佳，認(rèn)為以加工中心機(jī)床和專用組合機(jī)床混合建生產(chǎn)線，能達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的效果，也十分符合小批量、多品種中國(guó)汽車國(guó)情。選好設(shè)備、選對(duì)設(shè)備，保證質(zhì)量、滿足產(chǎn)量的前提下，盡量減少建廠的設(shè)備投資，錢要花在刀刃上。

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