立式磨削技術在凸輪軸加工中的應用

王東，張云平，唐雪，李琴

（重慶長安汽車股份有限公司，重慶 110024）

立式磨削技術在凸輪軸加工中的應用

王東，張云平，唐雪，李琴

（重慶長安汽車股份有限公司，重慶 110024）

凸輪軸是汽車發(fā)動機和其它內(nèi)燃機的重要零件，其加工質(zhì)量直接影響汽車產(chǎn)品的質(zhì)量。通過對立式磨削和臥式磨削的對比分析，闡述了立式磨削的原理和技術特點，說明了立式磨削技術在凸輪軸加工中的優(yōu)勢。實踐證明，立式磨削相對于臥式磨削優(yōu)勢明顯，是一項值得廣泛推廣的實用技術。

立式磨削；凸輪軸；臥式磨削

CLC NO.:U466Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)02-92-04

引言

近年來國內(nèi)汽車工業(yè)的發(fā)展迅速，對發(fā)動機及其零部件的性能、技術水平、質(zhì)量和產(chǎn)量等方面均提出了許多新的要求，從技術上看，汽車工業(yè)的發(fā)展對內(nèi)燃機及其零部件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率的要求越來越高[1]。

凸輪軸是內(nèi)燃機進、排氣系統(tǒng)的關鍵零件之一，整個進、排氣系統(tǒng)是由凸輪軸驅(qū)動。由于凸輪軸具有形狀復雜、剛性差、加工精度要求高等特點，一直是汽車內(nèi)燃機零部件制造的難點之一。而磨削是凸輪軸加工的關鍵工序之一，在加工工藝中處于重要地位。磨削的質(zhì)量影響到整根凸輪軸乃至發(fā)動機的性能。

目前國內(nèi)凸輪軸加工均采用單砂輪臥式磨削的方式進行精加工，但臥式磨削加工因磨床結構的限制，始終無法很好的消除砂輪對工件的作用力及重力帶來的變形，極大的制約到凸輪軸各關重精度的提高。如何能避免細長桿類零件磨削時因產(chǎn)品自重和切削力導致的產(chǎn)品變形一直制約著細長桿類零件加工精度的提升，成為細長桿類零件加工中亟待突破技術瓶頸。

1、凸輪軸磨削的工藝特點

1.1 加工工藝性差

汽油機凸輪軸均屬細長軸類零件，因為其結構細長，所以剛性差，在加工過程中易受到切削力、夾緊力及重力等外力作用，產(chǎn)生變形，使零件的加工精度降低。熱擴散性能差，在切削熱的作用下，會產(chǎn)生較大的線膨脹，而磨削加工時軸的兩端為固定支撐，工件會因伸長而彎曲。磨削時容易產(chǎn)生彎曲變形，并產(chǎn)生磨削振動，影響加工零件的尺寸一致性和磨削表面質(zhì)量，加工工藝性較差。

1.2 加工表面容易產(chǎn)生波紋

由于凸輪軸屬細長軸類零件，且凸輪部位與圓柱面不同，其磨削余量大且不均勻，帶來的是磨削加工中凸輪表面的受力變化大。變化的磨削力容易引起磨削振動，加上凸輪軸本身剛性差則會使這種情況愈加嚴重，其后果則是在磨削表面產(chǎn)生直線波紋，甚至達到肉眼就可看出的程度。

1.3 加工精度要求越來越高

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，節(jié)能和環(huán)保日益成為人們關注的焦點。新的凸輪軸設計標準對加工設備提出了更高的要求，凸輪軸的加工精度的高低直接影響到發(fā)動機的的質(zhì)量、壽命、廢氣排放和節(jié)能。因而，對發(fā)動機的關鍵零件凸輪軸的制造精度的要求也越來越高。

1.4 加工節(jié)拍和效率高

汽車發(fā)動機生產(chǎn)中為提高加工效率，減少生產(chǎn)線上機床數(shù)量，在工藝上將多道工藝進行組合。用高速、超高速磨削取代傳統(tǒng)的粗加工（如車、銑等），實現(xiàn)以磨代車、以磨代銑，從而在加工工藝上實現(xiàn)突破，將多道工序合并成一道工序，以提高生產(chǎn)效率[2]。

2、立式磨削

2.1 立式磨削原理分析

傳統(tǒng)的凸輪軸磨削是采用機械靠模仿型磨削法。一般采用臥式磨床，工件夾在兩頂尖之間。由于工件夾具的重量以及夾緊力的影響，凸輪軸撓曲變形較大，加工精度較低。

與臥式磨削不同，立式磨削是將工件豎直固定在機床底座內(nèi)的一個旋轉(zhuǎn)卡盤上，磨削主軸豎直布置，從工件上方開始作上、下運動，從而實現(xiàn)工件的磨削加工。如圖1所示。

立式磨床內(nèi)側(cè)床身上安裝了兩個獨立可行走的十字滑臺，十字滑臺采用雙軸模式，即x軸和z軸，并集成了磨頭。工件在加工區(qū)中心通過尾架和頭架夾緊，尾架安裝在下方并且固定，頭架安裝在上方可上下行走，這種結構為實現(xiàn)左右同步磨削創(chuàng)造了條件。凸輪軸立式磨削示意圖如圖2所示。

2.2 立式磨削優(yōu)勢分析

(1)工件垂直放置，克服自重導致的變形

在臥式磨削中，工件水平安裝，凸輪軸會因自重而產(chǎn)生彎曲變形，如圖3所示。

夾具所施加的夾緊力一方面要抵抗磨削力，另一方面還必須抵抗工件自重，導致施加在工件上的

夾緊力較大。在立式磨床上，工件豎直安裝，重力作為夾緊力的一部分，施加到下頂尖上，夾緊力只需抵抗磨削力。因此立式磨削相對臥式磨削夾緊力較小，產(chǎn)品在夾緊后的變形量小，在磨削完成工件自由回彈后，產(chǎn)品依然能保證精度。

(2)雙軸磨削，克服法向力

立式磨床采用雙軸模式，法向力可以互相抵消。普通磨削時加在工件上的主要力是法向力，多數(shù)情況下法向力是切向力的3至4倍。當兩個砂輪對置時，法向力可以互相抵消，如圖2所示。通過兩個砂輪的逆向旋轉(zhuǎn)，由法向力造成的扭矩也互相抵消，當工件只是通過頭架側(cè)的摩擦力帶動時，這種抵消效應的優(yōu)勢會更加明顯[3]。

(3)便于裝卸，提高效率

立式磨削相對于臥式磨削裝卸工作更為簡便，能夠提高裝卸作業(yè)的效率，縮短作業(yè)時間[4]。

臥式磨床裝卸工件時，操作者需雙手同時作業(yè)，同時由于工件重力的影響，找芯作業(yè)比較繁瑣；在立式磨床上，操作者只需簡單地將工件向下安裝到卡盤中即可，同時也保證了作業(yè)的安全性，如圖3所示。

3、磨削工藝對比分析

長安EA系列發(fā)動機生產(chǎn)線采用了立式磨削技術，有效地減少了產(chǎn)品的加工變形，提高了產(chǎn)品的加工質(zhì)量和效率。采用立式磨削技術加工的凸輪軸軸頸跳動、平行度、圓度等各項工藝參數(shù)良好，均優(yōu)于臥式磨削。

3.1 效率對比分析

EA系列凸輪軸立式磨削與臥式磨削節(jié)拍對比如表1所示。

表1 EA系列凸輪軸立磨與臥磨節(jié)拍對比表

由表1可以看出，采用立式磨削工序時間明顯縮短，部分工序時間縮短近一半。

3.2 整線布置分析

從節(jié)拍對比表1可知，磨削軸頸，1臺立式磨床可代替2臺臥式磨床。磨削凸輪， 2臺立式磨床可代替3臺臥式磨床。對于EA系列15萬產(chǎn)能的凸輪軸機加線可用4臺倒立磨床，替代8臺臥式磨床，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本，如圖5所示。

3.3 磨削精度分析

EA14排氣凸輪軸磨削100件2A凸輪桃高統(tǒng)計如圖6所示。

EA14排氣凸輪軸磨削100件4A凸輪平行度統(tǒng)

計如圖7所示。

EA14排氣凸輪軸磨削100件D軸頸跳動統(tǒng)計如圖8所示。

由以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，立式磨削技術在磨削精度方面優(yōu)于臥式磨削。

4、結論

立式磨床采用工件豎直安裝的裝夾方式，攻克細長軸類磨削中重力對精度影響的工藝難題攻克了細長桿類零件加工中因工件自重和切削力導致產(chǎn)品變形這一難題。通過雙軸磨削克服磨削法向力減少加工中因磨削力導致的產(chǎn)品變形，提高了磨削效率。立式磨削技術，可以實現(xiàn)凸輪軸的高效高精度加工，減輕工人工作強度，節(jié)約生產(chǎn)成本，將在凸輪軸的加工中得到更為廣泛的應用。

[1] 李勇. 影響數(shù)控凸輪軸磨削加工精度若干因素的研究[D]武漢:華中科技大學，2004.

[2] 盛曉敏,宓海青,陳濤等. 汽車凸輪軸的高速精密磨削加工關鍵技術[J]汽車制造技術，2007,(4）:122-125.

[3] 俞紅祥,張昱,潘旭華. 基于雙砂輪水平對置的曲軸隨動磨削方法研究[J]中國機械工程，2013,6（24）:816-825.

[4] 王曉霞，郭建華，李健.數(shù)控立式磨床的開發(fā)設計[J]機械工程師，2000（5）:17-18.

Application of Vertical Grinding in The Camshaft Machining

Wang Dong, Zhang Yunping, Tang Xue, Li Qin

(Chongqing Changan Automobile Co., Ltd)

Camshaft is an important part of automobile engines and other internal-combustion engine, its processing quality directly affect the quality of automobile products. This paper expounded the principle and technical characteristics of the vertical grinding and showed its advantages in the camshaft machining by the contrastive analysis of the horizontal and vertical grinding .Practice proved that the vertical grinding have the obvious advantages relative to the horizontal grinding and is worth to be popularized widely.

vertical grinding; camshaft; horizontal grinding

U466

A

1671-7988(2014)02-92-04

王東，就職于重慶長安汽車股份有限公司。