凸轮轴零件的数控加工工艺设计及数控编程论文[带图纸].doc

本科毕业设计(论文)题目：凸轮轴零件的数控加工工艺设计及数控编程系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2013年5月凸轮轴零件的数控加工工艺设计及数控编程摘 要这次毕业设计的目的就是要对轴类零件的数控磨削加工有所了解，凸轮轴是轴类零件中比较复杂的一种轴类。在磨削加工方面，凸轮轴也是比较难以加工的轴。本文则是从最开始的凸轮轴零件的工艺分析开始对凸轮轴进行全方位的分析关于材料的选择，毛坯的确定，热处理选择，基本尺寸以及表面粗糙度的确定都参考了大量的相关书籍进行定性定量的选择，中期的工序设定，以及关于加工步骤中的关于凸轮轴轴颈铣削的夹具设计，还有一些加工用量和加工余量的切削选择和计算，最后还运用了数控技术和仿真技术对凸轮轴零件最终在电脑上进行数控模拟和仿真加工生成零件。关键词:凸轮轴；工艺设计；数控加工CAM shaft parts of nc machining process design and NC programming Abstract This graduation design is aim to CNC grinding of shaft parts understand ,The camshaft is relatively complex shaft parts of a shaft .In the grinding process, the camshaft is also more difficult to machine shaft. This paper begins with the process analysis to parts of the camshaft camshaft all-round analysis about the choice of materials, the determination of blank heat treatment options, the basic size and the determination of surface roughness are qualitative quantitative reference a large number of related books, Medium-term process Settings, as well as processing steps of CAM shaft neck of milling fixture design, and some processing dosage and the selection and calculation of cutting machining allowance,Finally also use numerical control technology and simulation technology to nc camshaft parts eventually on the computer simulation and the simulation processing to generate parts. Keywords：The camshaft；Process design；Numerical control processing 目 录1 绪论11.1Pro/E和Mastercam9.0软件的特点及主要功能21.2数控技术的相关知识21.3凸轮轴设计背景51.4凸轮轴设计方法51.5凸轮轴设计的作用51.6凸轮轴设计的结果和意义62 凸轮轴零件的工艺分析72.1凸轮轴零件特点72.2工艺设计原则及凸轮轴加工工艺分析82.3小结93 凸轮轴工艺设计103.1工艺设计103.2工艺特点113.3 凸轮轴工艺分析124 夹具的设计144.1夹具的设计144.2 端面车削204.3凸轮轴颈磨削21本章小结225 凸轮轴的数控磨削加工编程及仿真235.1数控编程235.2仿真加工256 设计总结与心得31致谢32参考文献33附录361 绪论凸轮轴是汽车发动机配气机构中重要的零件，凸轮轴的结构设计与加工质量好坏，直接影响发动机的性能。凸轮轴专司控制内燃机进气门和排气门开启和关闭的时间。就其功能而言，凸轮轴多少年来都没有什么改变。自从气门控制的内燃机问世以来，直至今天凸轮轴还是以曲轴转速之半运转。但是，凸轮轴设计的发展从来都没有停止过:在现代发动机中，凸轮轴的位置已经从下置式改成了上置式。上置式凸轮轴通过挺杆、圆柱齿轮、链条、摇臂或者辊子随动件驱动顶置式气门。此外，由于采用多气门的缘故，每一台内燃机凸轮轴的数量也增加了。还开发了各种各样可变气门定时的凸轮轴。同时，在材料和制造工艺上也发生了改变。近年来，又因环境保护的需要，正在开发低油耗、无污染的汽车发动机。为解决汽车尾气无污染排放问题，实现发动机的高转速、高输出功率，许多发动机采用多气门及配气相位、气门升程可变的结构，这就增加了气门弹簧的载荷。同时，为降低油耗及摩擦损耗，轮与摇臂间采用滚子结构，凸轮与滚子的接触面形成高压力区。另外，为达到汽车轻型化、低成本的目的，在不影响各个零件性能要求的前提下，应该使零件尽可能简化加工、降低重量，材料使更趋合理。为实现上述目标，对发动机部件，尤其是凸轮轴的设计必须重新考虑，要求其结构紧凑、质量小，能承受更高接触压力，更好的耐胶着、耐点蚀、耐磨损的能力。在配气机构中，对凸轮轴各个部位的性能要求是不同的。对于凸轮，要求耐磨损、耐胶着、耐点蚀;对于轴颈要求滑动性能好；对于轴则要求刚性、弯曲、扭转性能好。传统的凸轮轴主要是铸造或锻造加工而成，各部位金属性能相同。这种由单一金属组成的凸轮轴很难达到上述要求。因此，质量小、加工成本低、材料利用合理的装配式凸轮轴受到了业内人士的高度重视。目前在汽车工业发达国家，装配式凸轮轴制造新技术已应用于生产中。而且，这一改变进程还没有到达发展的尽头，因为采用电磁气门驱动系统的无凸轮轴内燃机离成批生产还需要时间。凸轮轴是一种不断地加速和减速的旋转质量。这种加速和减速伴随着能量的消耗。减轻凸轮轴的质量可以对内燃机节能发挥积极影响。所以今天凸轮轴上的创新往往与减轻重量分不开。1.1Pro/E和Mastercam9.0软件的特点及主要功能Pro/Engineering是美国公司开发的软件，该软件能够完整的展现某一产品从设计，加工到生产样本的全部工作流程，让所有的用户同时进行某一产品的设计工作流程，让所有的用户同时进行统一产品的设计工作。它是一款全方位的产品开发软件，集合了众多的功能。因此，自1988年问世以来，及引起CAD（计算机辅助软件）/CAE（计算机辅助教育）/CAM（计算机辅助制造）界的极大震动。Mastercam9.0是美国CNC Software,Inc公和司开发的CAD/CAM一体化软件。它是集二维绘图，三维实体，曲面设计，体素拼合，数控编程，刀具路径模拟及真实感模拟等功能于一身，对系统运行环境要求较低，使用户无论是在造型设计，CNC铣床，CNC车床，或CNC线切割等加工操作中，都能获得最佳效果。而且Mastercam9.0基于PC平台，支持中文环境，价位适中，对于广大的中小企业来说是最理想的选择。1.2数控技术的相关知识 数控机床是采用数字化的信号进行对工件的自动生产制造的一种高效自动化设备。它最早出现于二十世纪四十年代初期的美国的一个小公司，在制造飞机框架和直升机叶片时，利用全数字电子计算机对叶片轮廓的加工路径精确地控制，直到1952年出现了世界第一台数控机床直线插补连续控制的三坐标立式铣床。 数控铣床主要用于加工平面和曲面轮廓的零件，还可以加工复杂型面的零件，如凸轮、样板、模具、螺旋槽等。同时也可以对零件进行钻、扩、铰、锪和镗孔加工。它有适应性强、灵活性好，加工精度高、加工质量稳定可靠，生产自动化程序高，生产效率高等等特点。 在利用数控机床进行生产制造前，我们必须先了解数控系统的功能及规格，因为不同的数控系统在编写数控加工程序时，在格式及指令上是不完全相同的，而且不同的机床也有不同的操作面板。我们必须对使用的铣床操作熟练，对CAD编程软件的熟练使用。 接着我们首先要认真分析零件图，熟悉零件的加工工艺。选择合要求、高效率的加工工艺；对其每个不同的加工选择合理的刀具、夹具及切削用量、切削液。并CAD编程软件设置好各参数，编好工件程序后，拟定数控铣削加工工序卡片，根据加工工序步骤，将对应步骤的加工程序输入到数控仿真铣床对零件进行仿真加工，并确定无错误便可到铣床车间将工件加工出来。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：1高速、高精加工技术及装备的新趋势2五轴联动加工和复合加工机床快速发展3智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。 在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。特别是在通用微机数控领域，以PC平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列。但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力、商品化进程、市场占有率等方面情况尤为突出。在新世纪到来时，如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门和生产厂家所面临的重要任务。在普通机床上加工零件时，首先应由工艺人员对零件进行工艺分析，制定零件加工的工艺规程，包括机床、刀具、定位夹紧方法及切削用量等工艺参数。同样，在数控机床上加工零件时，也必需对零件进行工艺分析，制定工艺规程，同时要将工艺参数、几何图形数据等，按规定的信息格式记录在控制介质上，将此控制介质上的信息输入到数控机床的数控装置，由数控装置控制机床完成零件的全部加工。我们将从零件图样到制作数控机床的控制介质并校核的全部过程称为数控加工的程序编制，简称数控编程。数控编程是数控加工的重要步骤。理想的加工程序不仅应保证加工出符合图样要求的合格零件，同时应能使数控机床的功能得到合理的利用与充分的发挥，以使数控机床能安全可靠及高效地工作。 一般来讲，数控编程过程的主要内容包括：分析零件图样、工艺处理、数值计算、编写加工程序单、制作控制介质、程序校验和首件试加工。 数控机床与加工，数控机床是按照事先编制好的数控程序自动地对工件进行加工的高效自动化设备。数控加工就是将加工数据和工艺参数输入到机床，机床的控制系统对输入信息进行运算与控制，并不断地向直接指挥机床运动的电动机功能部件机床的伺服机构发送脉冲信号，伺服机构对脉冲信号进行转换与放大处理，然后由传动机构驱动数控机床，从而加工零件。所以数控加工的关键是加工数据和工艺参数的获取，即数控编程。数控编程，数控程序的编制是指从分析零件图样开始到获得正确的程序载体为止的全过程。在数控机床上加工零件时，首先要分析零件图样的要求、确定合理的加工路线及工艺参数、计算刀具中心运动轨迹及其位置数据；然后把全部工艺过程以及其他辅助功能(主轴的正转与反转、切削液的开与关、变速、换刀等)按运动顺序，用规定的指令代码及程序格式编制成数控加工程序，经过调试后记录在控制介质(或称程序载体)上，最后输人到数控机床的数控装置中，以此控制数控机床完成工件的全部加工过程。CNC程序中的每一指定皆有一定的固定格式，使用不同的控制器其格式亦不同，故必须依据该控制器的指令格式书写指令，若其格式有错误，则程序将不被执行而出现警示讯息。CAM软件是将加工零件以图形形式输人计算机，由计算机自动进行数值计算、前置处理，在屏幕上形成加工轨迹，及时修改，再通过后置处理形成加工程序输人数控机床进行加工。自动编程的出现使得一些计算繁琐、手工编程困难、或手工无法编出的程序都能够实现。然而本设计的零件铣床加工主要是用CAD软件Mastercam9.0进行零件的画图和程序的编制。然后通过软件后处理出机床能识别的NC代码进行直接加工。在自动编程过程中，加工工艺决策是加工能否顺利完成的基础，必须依据零件的形状特点、工件的材料、加工的精度要求、表面粗糙度要求，选择最佳的加工方法、合理划分加工阶段、选择适宜的加工刀具、确定最优的切削用量、确定合理的毛坯尺寸与形状、确定合理的走刀路线，最终达到满足加工要求、减少加工时间、降低加工费用的目的。数控仿真加工，数控加工仿真软件包括数控车床、数控铣床、加工中心等虚拟制造系统同步仿真操作功能；还能对加工的工件进行精确测量、智能测量等等的仿真操作。我们可以通过仿真软件对零件进行模拟加工，从而达到熟练各种数控机床的操作面板，而且通过仿真软件还能对加工程序的校正和加工工艺的优化，最终达到简化程序，减少加工错误，提高加工效率。1.3凸轮轴设计背景 这次毕业设计的目的就是要对轴类零件的半成品以后的磨削加工有所了解，也是为了巩固所学的关于磨削加工的理论知识,培养分析和解决问题的能力,提高自己的数控加工软件的设计应用能力，让我们综合运用我们所学的机械设计基础、数控编程、机械制图、CAD技术、机械制造工艺等知识，来完成凸轮轴零件的三维造型设计、凸轮轴零件工艺规程文件编制、相关数控程序编制和相关夹具的设计。1.4凸轮轴设计方法常规设计方法常规的设计方法就是传统的设计方法。他们是根据力学和数学建立的理论公式和经验公式，运用图表和手册等技术资料，以实践经验为基础，进行设计计算、绘图和编写设计说明书，利用普通凸轮磨机床进行加工。创新设计方法现代设计方法强调是以计算机为工具，以工程软件为基础，运用现代设计理念，进行机械产品的设计。如凸轮轴设计就是运用proe辅助制图，这样就可以优化设计，就可以提高其生产效率，降低原材料的浪费率。1.5凸轮轴设计的作用凸轮轴是在综合运用机械制图、机械制造原理、机械制造工艺、机械加工、数控编程等多门课程的总结。通过这一环境的训练，使我不但更加深入了解毕业设计的基本理论、基本知识、而且学会使用这些理论、基本知识去了解解决工程中的问题。凸轮轴是活塞发动机里的一个部件。凸轮轴的作用是控制气门的开启和闭合动作。凸轮轴的主体是一根与汽缸组长度相同的圆柱形棒体。上面套有若干个凸轮，用于驱动气门。凸轮轴的一端是轴承支撑 点，另一端与驱动轮相连接。凸轮的侧面呈鸡蛋形。目的就是在尽可能短的时间内完成气门的开、闭动作，保证汽缸充分的进气和排气。1.6凸轮轴设计的结果和意义凸轮轴设计的结果这次设计运用计算机辅助制图软件，优化设计。在提高生产效率、提高产品质量的前提下，寻求最好的工艺方案，以至于减少砂轮的磨损。这些将在工艺和编程上得到体现。凸轮轴设计的意义凸轮轴是一个精密零件，也是轴类零件中比较复杂的一种曲轴。它的磨削要求也比较严格，每一个凸轮的角度都要控制在公差范围内。但是还有一些复杂的问题没有得到改善，在工艺规程设计方面也欠佳，编程方面也不是很完好以及其他地方还存在很大的问题。2 凸轮轴零件的工艺分析2.1凸轮轴零件特点凸轮轴生产线承担每台发动机凸轮轴的机加工，每台发动机上使用一根凸轮轴。材料：20Cr，各主轴颈及端面的硬度HB180240，凸轮HRC48.2.1.1凸轮轴的三维图和简图图2.1凸轮轴三维图图2.2凸轮轴二维图2.1.2 发动机凸轮轴主要加工内容和精度要求a. 支承轴径前轴径前端32.50-0.10，后端32.50-0.10，表面粗糙度Rz3.2中间轴径32.50-0.10，表面粗糙度Rz3.2后轴径32.50-0.10，表面粗糙度Rz3.2b. 凸轮 图2.3凸轮形状示意图图中O点位凸轮旋转中心。EA是以O点位中心的圆弧。6个凸轮基圆尺寸为33.50-0.10，表面粗糙度Rz3.2。各凸轮基圆相对与前后轴颈的基准轴线的径向跳动允差0.03mm各凸轮基圆相对与前后轴颈的基准轴线的平行度允差0.01mm各凸轮对称中心线相对于键槽的相对位置偏差（相位角）±20凸轮型线误差作用段±0.05mm凸轮型线误差作用段±0.02mm一缸凸轮轴对键槽位置112°32±20c. 键槽宽50-0.14，深400.05，对称度0.0252.2工艺设计原则及凸轮轴加工工艺分析(1)保证工艺具有合理的先进性，再保证节拍的基础上，吸收先进技术提高产品的竞争力。(2)对于关键设备和技术，优先考虑国内外可靠厂家的先进设备。(3)保证先进性与经济性相结合，再保证产品质量的前提下，降低成本(4)充分考虑各生产缓解的安全性和操作的方便性。(5)在投资允许的情况下，尽量考虑柔性生产。由于凸轮轴具有细长且形状复杂的结构特点，技术要求又高，尤其是凸轮的加工，因此其加工工艺性较差。在凸轮轴的加工过程中，有两个主要因素影响其加工精度。其一是易变形性，其二是加工难度大。2.2.1易变形特性从细长轴的角度来说，突出的问题就是工件本身的刚度低，切削加工时会产生较大的受力变形，其表面残余应力也会引起变形。尤其是在加工凸轮和齿轮时，这种变形会更为显著。凸轮轴在加工过程中的变形，不仅影响到后续工序加工中的余量分配是否均匀，而且变形过大会导致后序加工无法进行，甚至造成中途报废。凸轮轴加工后的变形，将直接影响到装配后凸轮轴的使用性能2。因此，在安排其工艺过程时，必须针对工件易变形这一特点采取必要的措施。不仅要把各主要表面的粗精加工工序分开，以使粗加工时产生的变形在精加工中得到修整，半精加工中产生的变形在精加工中得到修正，还必须在加工过程中增设辅助支承以采取分段加工等措施，这是保证凸轮轴加工精度所必须解决的问题。2.2.2加工难度大 从形状复杂的角度来说，突出的问题凸轮、齿轮这些复杂表面的加工。对于这些表面，不仅有尺寸精度要求，还有形状、位置精度要求，如采用普通的加工设备和一般表面常规加工方法，显然是根本无法保证其加工质量和精度的。例如对于凸轮的加工，从满足使用要求的角度来说，既要求其相位角准确又要求凸轮曲线升程满足气门开启和关闭时升降过程的运动规律，但注意到凸轮曲线上的各点相对其回转中心的半径是变化的，当选用一般的靠模机床加工时，由于加工半径的变化，势必引起切削速度和切削力的变化，加之工件旋转时的惯性力和靠模弹簧张力的瞬间变化，将会使加工后的凸轮曲线产生形状误差，即曲线的升程误差，从而直接影响凸轮轴的使用性能。2.3小结综上所述，虽然各种方案都各有优点，但其技术的不成熟或者成本问题，都成为在国内实施的困难。考虑到成本及大批量生产，选择成熟技术和成熟的设备，使工艺方案符合经济性与合理性原则。3 凸轮轴工艺设计3.1工艺设计3.1.1定位基准的选择对于一般的轴类零件来说，其轴线即为它的设计基准。发动机凸轮轴遵循这一设计基准，由于凸轮轴各表面的加工难以在一次装夹中完成，因此，减小工件在多次装夹中的定位误差，就成为保证凸轮轴加工精度的关键。本文采用两顶尖孔作为轴类零件的定位基准，这不仅避免了工件在多次装夹中因定位基准的转换而引起的定位误差，也可作为后续工序的定位基准，即符合“基准统一”原则。这种方法不仅使工件的装夹方便、可靠。简化了工艺规程的制定工作，使各工序所使用的夹具结构相同或相近，从而减少了设计、制造夹具的时间和费用，而且有可能在一次装夹中加工出更多表面。这对于大量生产来说，不仅便于采用高效专用机床和设备以提高生产效率，而且也使得所加工的各表面之间具有较高的相互位置精度。3.1.2加工阶段的划分与工序顺序的安排a. 加工阶段的划分由于凸轮轴的加工精度较高，整个加工不可能在一个工序内全不完成。为了利于逐步地达到加工要求，所以把整个工艺过程划分为三个阶段，以完成各个不同加工阶段的目的和任务。发动机凸轮轴的加工的三个阶段3：(1) 粗加工阶段包括车各支承轴颈、齿轮外圆轴颈和粗磨凸轮。该阶段要求机床刚性好，切削用量选择尽可能大，以便以提高生产率切除大部分加工余量。(2) 半精加工是精车各支承轴颈和精磨齿轮外圆轴颈。该阶段主要为支承轴颈齿轮的加工做准备。(3) 精加工包括精磨各支承轴颈、止推面和凸轮以及斜齿轮加工。该阶段加工余量和切削量小，加工精度高。工艺编排：首先以32.5的毛坯面为定位基准，然后以大端外圆的端面作轴向定位，具体每序的定位基准和夹紧位置，见表3-1发动机凸轮轴生产工艺简介。b. 工序顺序的安排加工顺序的安排与零件的质量要求有关，工序安排是否合理，对于凸轮轴加工质量、生产率和经济性都有很大影响。对于各支承轴颈是按粗车精车精磨加工的，对于是按凸轮粗磨精磨加工的，对于斜齿轮是按粗车精车精磨滚齿加工的。各表面的加工顺序按从粗到精、且主要表面与次要表面的加工工序相互交叉进行，从整体上说，符合“先粗后精”的加工原则。3.1.3凸轮形面的加工在凸轮轴的加工中，最重要同时难度最大的是凸轮形面的加工。该形面的加工方法目前主要有车削和磨削两种。凸轮形面的粗加工目前在国内主要是凸轮轴车床车削加工，也有采用铣削加工和磨削加工的。如采用双靠模凸轮轴磨床，机床有两套靠模，当砂轮直径在一定范围内时，使用第一个靠模来工作。当砂轮磨损到一定程度时，靠模自动转换，使用第二个靠模来工作4。该磨床通过对砂轮直径的控制来提高凸轮外形的精度，不仅提高了凸轮形面的加工精度，也使砂轮的利用更经济、合理。发动机凸轮轴毛坯采用精铸的方法制造，毛坯精度较高，切削量小，故采用磨削的加工工艺，简化了凸轮形面的加工。凸轮形面的加工采用磨削的方法，在凸轮磨床上完成粗磨及精磨的加工。工件安装在两顶尖之间并以键槽做轴向定位，在支承轴颈处安装辅助支承保证凸轮形面的加工精度。发动机凸轮轴形面的加工所采用的凸轮轴磨床是立方氮化硼磨床，该磨床能迅速地变换磨削的凸轮形状，超过一般仿珩磨的生产率。机床具有较大的刚度，能承受大的工作负荷。由于立方氮化硼（CBN）砂轮的使用寿命高，因此，砂轮的直径变化所造成的凸轮形状误差显著减小，也大大提高了凸轮形面的磨削精度。3.2工艺特点发动机凸轮轴工艺特点： a. 毛坯硬度高 （冷激区HRC45 非冷激区HB229302） b. 生产节拍 1.75分钟 c. 轮轴数控车床用于支撑轴颈的粗加工 凸轮部分在铸造时冷激，不需加工后淬火 d. 凸轮采用粗、精磨加工，以磨代车，凸轮轮廓直接磨削 e. 凸轮精加工采用全数控无靠磨磨削 f. 加工中主要定位基准中心孔采用打孔后修磨，保证加工质量3.3 凸轮轴工艺分析3.3.1生产纲领 生产类型生产纲领的大小对生产组织和零件加工工艺过程起着重要的作用，它决定了各工序所需专业化和自动化的程度，以及所应选用的工艺方法和工艺装备。零件生产纲领可按下式计算： N=Qn(1+a%+b%)由此公式可以算的凸轮轴的年生产量为5000件，根据生产纲领和生产类型的关系可以确定其生产类型是大批量生产。表1生产纲领与生产类型的关系生产类型零件的年生产纲领（件）重型零件中型零件轻型零件单件生产小批生产中批生产大批生产大量生产5510010030030010001000101020020050050050005000100100500500500050050000500003.3.2材料选择凸轮轴材料的选择：由于轴的载荷通常是变载荷，或变应力，故材料应具有较好的强度和韧性；对轴的表面与支承有相对滑动的轴，还须要求较好的耐磨性。材料：常用材料与热处理：凸轮轴常用材料是20Cr，20Cr的热处理及主要机构性能（参考）如表2表2 20Cr主要机构性能材料牌号热处理毛坯直径mm硬 度HBS抗拉强度极限b (Mpa)弯曲疲劳极限-1(Mpa)扭转疲劳极限-1/Mpa屈服极限s/Mpa20Cr渗碳淬火回火153060表面HRC50608506506505504004003752802802151601603.3.3 热处理分析：轴类零件的热处理是保证轴类零件性能的重要工艺过程，它对轴类零件的如下性能有着直接的影响6：a. 轴类零件的制造精度：组织转变不均匀、不彻底及热处理后形成的残余应力过大轴在热处理后的加工、装配和使用过程中的变形，从而降低轴的精度，甚至报废。 b. 轴类零件的强度：热处理工艺制定不当、热处理操作不规范或热处理设备状态不完好，造成被处理轴的强度（硬度）达不到设计要求。c. 轴的工作寿命：热处理造成的组织结构不合理、晶粒度超标等，导致主要性能如轴的韧性、抗磨损性能等下降，影响轴的工作寿命。d. 轴的制造成本：作为轴制造过程的中间环节或最终工序，热处理造成的开裂、变形超差及性能超差，大多数情况下会使轴报废，即使通过修补可以使用，也会增加工时，从而增加了轴的成本。凸轮轴材料是20Cr，对强度和韧性要求比较高，而表面易磨损需渗碳。渗碳的目的就是增加轴的耐磨性能、表面硬度、抗拉强度及疲劳极限。渗碳以后首先要进行淬火，用来提高其硬度和强度极限。但淬火时会引起内应力使之变脆，所以淬火以后必须要回火，回火的目的就是用来消除淬火后的脆性和内应力，提高其塑性和冲击韧度。但是对于凸轮轴来说，半成品热处理以前还有一道重要的工序，就是要对第一和第二个凸轮之间的外圆；第五和第六个凸轮之间的外圆用两顶的装加方式进行粗磨。这样做是因为轴类零件热处理以后会产生变形，既保证其同轴度。以便在热处理以后以这两个外圆为基准进行校核。4 夹具的设计4.1夹具的设计磨床夹具按其通用化的程度和结构特点，可以分为通用夹具、专用夹具、组合夹具和成组可调夹具等等。凸轮轴加工时采用的是传动夹头，属于组合夹具类型。组合夹具是在夹具零部件标准化的基础上发展起来的一种新型工艺装备。它是由一套预先制造好的标准元件组装而成的。这些元件有各种不同的形状、不同规格的尺寸，它们相互配合部分的尺寸精度高、硬度高、耐磨性好，且具有完全的互换性。根据加工工艺的要求，可通过选择和使用标准元件和组合元件，很快装配出机械加工、检验、装配等所需的夹具来。使用完毕，可方便地拆卸、清洗、存放、留待以后再使用。组合夹具的特点：1、灵活多变；2、保证加工质量、提高生产效率；3、节省人力和物力；4、减少夹具存放面积。 组合夹具的元件按其用途不同可以分为八大类，即：基础元件、支承元件、定位元件、导向元件、压紧元件、紧固元件、辅助元件及合件。其中，紧固元件包括各种螺栓、螺钉、螺母和垫圈等，这些紧固元件均为常用的标准件。本次夹具设计主要是应用于对凸轮轴的凸轮轴颈进行加工。由于凸轮轴在工作中需要很高的转速承受很大的转矩，因此对凸轮轴轴颈的强度和可靠支撑方面的要求很高。而轴颈的同轴度需要也很高。由于进行大批量生产同一种凸轮轴所以设计一套专用的夹具。凸轮轴的材料为20Cr且由于凸轮轴颈的位置应该运用铣磨加工比较好。该零件在数控磨铣加工前，工件是一个经过加工半圆槽的凸轮轴材料，凸轮轴上的半圆槽可以进行定位装夹，无需进行另做工艺孔进行定位。凸轮轴的组成几何元素之间关系清楚，条件充分，编程时，所需基点坐标很容易求得。凸轮轴颈的的外轮廓面只要与加工刀具只有有垂直度的要求，只要提高装夹精度，使凸轮轴颈与铣刀轴线垂直， 加工凸轮轴颈的同轴度即可保证。在设计夹具体的时候传动板上的锥度孔要达到一定的高度才能在装夹时保证凸轮轴磨铣的同轴度，因此传动板的高度，中心孔的位置要自己设计，最后的夹具体，如图4.1所示。 图4.1 夹具图传动夹头由非标准件手柄、定位销、定位板、弹簧、螺母、压盖、定位螺钉、传动板和标准件圆柱销、螺钉组合而成。 图4.2 传动板传动板是整个夹具的夹具体，也是夹具的关键部位如图4.2所示，它上面有一个锥度孔，用来装夹凸轮轴的锥形端面。锥度孔和锥度面有自锁，在磨削时对凸轮轴进行夹紧，限制其自由度。图4.3 定位板定位板是通过定位螺杆固定在传动板上，它的作用是用来放置定位销(如图4.3)所示。 图4.4 手柄手柄是用来装定位销的，以便于定位销在使用时方便。(如图4.4)所示图4.5 定位销定位销是在加工时对凸轮轴进行定位，装夹时定位销应放在凸轮轴装夹端的键槽内，限制凸轮轴的转动和移动的自由度。(如图4.5)所示。(如图4.6，4.7)所示为夹具图的装配三维图和夹具图的分解三维图。 图4.6 夹具三维装配图 图4.7 夹具三维分解图西安工业大学大学北方信息工程学院机械加工工艺过程卡片产品型号零件图号产品名称凸轮轴零件名称凸轮轴共 页第 页材料牌号45钢毛坯种类铸件毛坯外形尺寸每毛坯可制件数1每台件数备注工序号工序名称工序内容工段设备工艺装备工时准终单件1铣端面打中心孔铣端面打中心孔钻铣组合机2校直 压床3粗车轴颈外圆车支承轴颈外圆等 凸轮轴轴颈车床4钻孔钻 7 孔 钻床5校直校直 压床6磨轴颈外圆磨轴颈外圆 外圆磨床7车侧面车凸轮侧面和连接轴颈等 凸轮轴车床8校直校直 压床9磨螺纹外圆磨螺纹轴颈外圆等 外圆端面磨床10磨轴颈磨五个支承轴颈外圆 外圆磨床11铣键槽铣键槽 键槽铣床12粗磨凸轮磨凸轮 凸轮磨床13铣螺纹铣螺纹 螺纹铣床14去毛刺去螺纹两端毛刺 去毛刺机15清洗清洗清洗机16检查中间检查17淬火支承轴颈、螺纹表面淬火18淬火凸轮、偏心轮淬火19修中心孔修中心孔 立式钻床20校直校直 压床21半精磨凸轮磨凸轮 凸轮磨床22校直校直 压床23精磨端面止推面精磨端面和止推面 端面外圆磨床24精磨轴颈精磨支承轴颈外圆 外圆磨床25精磨凸轮精磨凸轮 凸轮磨床26修正修整螺纹和去毛刺27抛光抛光 抛光机28校直校直 压床29清洗清洗 清洗机30终检终检表4.1 加工工艺卡片4.2 端面车削a. 背吃刀量ap应选择尽量大的背吃刀量，尽量在一次走刀中，把本工序加工应切除的加工余量切除掉。在粗加工时，当加工余量过大或工艺系 统刚性较差时，也可分两次走刀。在这一道工序中采用一次进刀：选取ap的进刀量为0.33b. 进给量f定义：工件或刀具每转一周时，刀具与工件在进给运动方向上的相对位移量。查表选取f为0.16c. 切削速度v 式中 cv, xv, yv, 为系数，m为指数,ap为背吃刀量，f为进给量，修正系数kv取值为1。查有关手册，查得cv=189.8, xv=0.15, yv=0.20, m=0.20计算得出v=2.37m/sd. 加工工时根据凸轮轴的零件图得出l=27mm 查表4.6的l1=5mm，取l2=2mm Tj=(l+l1+l2)/（f*nw） =(27+5+2）/2.37 =14.34s由于有两个端面需要车削，所以车削端面所用工时为Tj总=14.34*2=28.68s4.3凸轮轴颈磨削a. 背吃刀量ap应选择尽量大的背吃刀量，尽量在一次走刀中，把本工序加工应切除的加工余量切除掉。在粗加工时，当加工余量过大或工艺系统刚性较差时，也可分两次走刀。在这一道工序中采用一次进刀：所以ap的进刀量选取为0.99b. 进给量f定义：工件或刀具每转一周时，刀具与工件在进给运动方向上的相对位移量。进给量的选择与背吃刀量也有关，在已选定背吃刀量为0.99的前提下，查有关手册，选择进给量为：0.8mm/rc. 切削速度uc ucD n粗/1000式中 D刀具直径