浅析凸轮轴凸轮型面技术的改进

浅析凸轮轴凸轮型面技术的改进

陈会云

江苏省盐城技师学院   224000

摘 要：凸轮轴是发动机配气机构中重要的零部件，作为凸轮轴主要部位的凸轮型面，其加工的质量至关重要。本文指出了当前数控加工凸轮轴凸轮型面存在的技术难点，结合存在的难点，制定出了相应的改进措施，有效保证凸轮型面的加工效率和质量。

关键词： 凸轮型面 数控 技术难点 改进措施

凸轮轴是汽车发动机配气结构中的关键部件，其性能直接影响到发动机的整体性能。相位角和凸轮型面是凸轮轴的主要部位，特别是凸轮型面，其加工的质量直接关系凸轮轴的质量。而传统的凸轮轴的凸轮型面初加工是采取仿形车削加工，此加工工艺不但需要专用的靠模，而且加工效率十分低下。随着数控技术的发展，传统仿形车削加工凸轮工艺逐渐会被取代。但是，该技术在凸轮轴凸轮型面加工中仍存在不少难题，为此，针对存在的问题，对数控加工加以改进对提高凸轮型面加工质量具有很大的现实意义。

一、数控加工凸轮轴存在的技术难题

凸轮轴在传动机械中起着关键作用，凸轮轴的精度直接关系到机械传动的可靠性能。如在发动机配气机构中，凸轮轴的精度直接影响发动机性能，也是发动机机械噪声的主要来源之一。凸轮轴的相位角和凸轮型面的加工质量，将直接影响凸轮轴的质量。

按照一般加工工艺，在数控机床上加工零件，只要绘制零件图，生成加工程序，选择合适的刀具和零件毛坯（或半成品），安装好以后就可进行零件的数控加工。而在凸轮轴的数控加工过程中，由于凸轮轴的特殊性，在加工时存在一些特殊因素。首先，凸轮轴各桃头周向之间有严格的相位关系，而且键槽与第一个桃头周向也有严格相位关系（如图1所示）。其次，凸轮轴的加工时间长，效率低。由于凸轮轴有较高的精度要求，在用四轴加工中心铣削凸轮轴时，第四轴转动速度慢，特别是用球头刀加工时，工件每切削一层主轴要旋转36～45转。为保证精度，需要选择较小的切削层，每次都在0.5mm以下，所以至少要分2层以上进行铣削。这样，加工每个“桃头”所用的时间要长达40min。第三，由于凸轮轴凸轮型面的结构特点，在进行半精加工时，凸轮型面各处的加工余量不均匀，当加工到余量大的地方时，机床振动明显增加。第四，在选用球头刀加工凸轮轴时，刀具损耗大，当选用较小刀具直径（小于6mm）的球头刀时，球头刀不能进行大余量切削，而且刀具中心切削速度为零。

二、凸轮的几何锁合

几何锁合: 依靠凸轮和从动件的特殊几何形状而始终维持接触。

1) 凹槽凸轮机构: 其凹槽两侧面间的距离等于滚子的直径，故能保证滚子与凸轮始终接触。显然这种凸轮只能采用滚子从动件。

2) 共轭凸轮机构: 利用固定在同一轴上但不在同一平面内的主、回两个凸轮来控制一个从动件，主凸轮驱使从动件逆时针方向摆动；而回凸轮驱使从动件顺时针方向返回。

3) 等径凸轮机构和等宽凸轮机构: 其从动件上分别装有相对位置不变的两个滚子和两个平底，凸轮运动时，其轮廓能始终与两个滚子或平底同时保持接触。显然，这两种凸轮只能在1800范围内自由设计其廓线，而另1800的凸轮廓线必须按照等径或等宽的条件来确定，因而其从动件运动规律的自由选择受到一定限制。

几何锁合的凸轮机构可以免除弹簧附加的阻力，从而减小驱动力和提高效率。其缺点是机构外廓尺寸较大，设计也较复杂。

三、 数控加工的改进

本文主要通过改进常规数控工艺来解决上述问题。

（1）合理安排装夹方式，有效保证相位关系。数控加工凸轮轴时，确保凸轮轴各桃头周向之间以及键槽与第一桃头周向之间的相位关系的关键在于工件的装夹与定位。实际加工时，在一次装夹下完成整个凸轮轴各桃头的加工，则各桃头周向之间的相位关系就能得到保证。难点是键槽与第一桃头周向之间的相位关系，在加工中往往难以把握。在各凸轮加工完后，进行键槽铣削时，如果是在车间进行批量生产，一般可以设计专用工装，并进行反复调整，确定位置。在进行单件加工时，则可以通过制作凸轮样板，加工时将样板套在第一桃头上进行周向定位，以提供良好的基准。同时，可通过样棒等辅助工具，对工件进行找正。安排工步时，将粗、精加工分开进行，以降低切削力，避免打滑。加工过程中，通过对对称度和轴向距离的测量，及时进行调整，以保证相位关系的准确性。

（2）改变加工刀具，优化刀具路径，提高生产效率。在加工凸轮轴凸轮型面时，为保证加工精度，许多企业都选用球头刀进行加工。由于球头刀自身的特点，刀具不能进行大切削量切削，每次切削的有效切削量相对较小，相邻两次切削刀具中心线间的距离也只能缩小，否则就无法保证凸轮型面的表面质量；加上数控机床第四轴的运动速度慢，整个加工时间就长，大大降低了生产效率。为改变球头刀加工的不利局面，本文选用牛鼻刀对凸轮型面进行加工。牛鼻刀与球头刀相比，刀具具有刚度好、刀杆振动小、有效切削范围广的特点。所以选用牛鼻刀可有效增加每刀的切削量，从而达到减少切削的层数，减少每层的切削圈数，节约加工时间的目的。另外，由于牛鼻刀的刚度好、刀具磨损小，可以延长刀具的有效加工时间，减少换刀次数。实践证明，选用牛鼻刀加工凸轮型面，可以大幅提高凸轮轴加工的效率。生产中应用的从动件运动规律往往是非常复杂的。当单一的运动规律不能满足运动要求时,可以将几个运动规律拼接得到要求的运动规律。如:可将5次多项式和匀速运动规律拼接得到新的运动规律,该运动规律不存在冲击。

（3）改变切削方式，减少机床振动，提高表面质量。虽然牛鼻刀的刚度好，刀杆振动较小，但是在实际加工过程中，传统的切削方式会使刀具中心共同参与切削，而且由于机床切削力大，机床的振动就无法避免，也就必然会影响到凸轮型面的表面质量。为此，就必须改变传统切削方式，以达到减少机床振动，提高表面质量的目的。

在传统切削方式中，都是刀具轴线与工件中心共线。在切削过程中，A轴旋转，Z轴作上下运动，Y轴不动，在此过程中，虽然切削点在不断变化，但刀具轴线永远指向工件旋转中心，刀具中心始终在参与切削（如图2所示）。

如果采用垂直驱动法切削，使刀轴永远与切削驱动面垂直进行切削，如图3所示，A轴作旋转运动，Z轴作上下运动，Y轴左右运动。但是，由图3可看出，在采用垂直驱动法切削时，在切削点不断变化的过程中，刀具中心也一直在参与切削。

以上2种切削方式都无法改变刀具中心参与切削，也就无法达到减少机床振动、提高表面质量的目的。如果在第二种方法的基础上，能够使刀具中心线再偏过一个角度，那么就可以使刀具中心不再参与切削。当A轴旋转时，Z轴作上下运动，Y轴作前后运动，使刀具轴心线与切削点法向形成一个偏角，形成刀具前导偏置，则无论刀具加工到凸轮型面的哪一个位置，刀具中心都不再参与切削。在实际加工中，只要在加工之前，将工件向反方向预转过一个角度，使刀具轴心线与法向垂直，就可以实现刀具轴心线与切削点法向成一偏角的加工模式，这种切削方式也称为前导法向偏转切削加工。

在采用前导法向偏转法加工凸轮轴凸轮型面时，可选用自动编程法进行编程。编程的关键在于切削参数的设置，尤其是相对驱动参数项的设置，前切削引导角度应控制在1°～3°之内。如果所选角度过小，就起不到应有的作用；角度过大，则有可能造成刀具轨迹平滑度的下降，反而影响凸轮型面表面质量。

结语

通过改进，凸轮轴凸轮型面的加工效率和加工质量得到大幅度的提高，与此同时，加工的成本也有所下降，改进效果十分明显。笔者相信，随着不断的实践和探索，数控加工技术将会逐步得到完善。