摩托車發動機凸輪軸外圓磨床夾具的改進

摘 要：本文主要分析了摩托車發動機的凸輪軸磨削工藝，找出原夾具在設計上對不同機型生產存在著局限性， 且原夾具加工難度大、精度要求高。本文提出改進夾具的夾緊定位方式，統合了加工不同機型的夾具，實現了提高機型切換效率和降低制造成本的目的。

關鍵詞：凸輪軸；機型切換；定位夾緊；棘子驅動；漲芯驅動；磨削力。

社會發展日益要求環保，五羊一本田摩托（廣州）有限公司始終致力于增加產品科技含量，促進摩托車行業品質的提高，使事業與世界環境共同發展。通過技術攻關和創新、開發環保產品，生產的摩托車在2005年滿足了歐洲2號排放標準，2006年又推出國內第一款集歐Ⅲ排放標準、電噴、水冷于一身的新產品，在2009年該車型成為國內第一款取得國家全項許可（公告、環保以及3c）的國III車型。2010年更是采用領先的電噴技術、發動機上的核心二號技術及OTR技術，并采用觸媒對應排放污染物控制，以符合國家新出臺的國III排放環保法規要求，于7月份共推出十款達到國III排放標準的新產品。直至2013年，五羊—本田每年都會推出十款以上的新產品到國內以及海外市場，新產品的誕生，發動機中的凸輪軸組件也因應發生設變。

我司有兩條凸輪軸生產線，通過更換工裝、夾具實現全機型凸輪軸總成的加工。新產品的導人，必須配置相適宜的工裝夾具，而現代的生產是講求效率和成本的，本文敘述的是通過改進凸輪軸的外圓磨床夾具，以最少的投入實現新產品的生產和快速的加工機型切換。

1.凸輪軸磨床工序工藝分析

如圖1所示，是我司生產的兩種機型凸輪軸。兩種機型凸輪軸均有三級軸徑需要精磨軸徑。目前，我司采用一臺外圓磨床一次同時加工凸輪軸全部軸徑。該工藝特點，一次定位完成所有軸徑的精加工，加工精度高，投資少，僅需要一臺設備。

我們知道，實現機械加工的工裝夾具關鍵因素是定位與夾緊。對于軸類零件，一般以中心孔定位，相對比較簡單，且容易實現。至于夾緊，則根據零件、工藝的特點，采取適當的夾緊方式實現加工。凸輪軸也是軸類零件，也以中心孔定位的。夾緊機構則根據加工零件的結構不同，分有兩種類型。一類是以KZL為代表的，利用工件端面的鍵槽，夾具采用棘子與鍵槽配合，頂尖夾緊，驅動工件旋轉實現磨削（以下簡稱：棘子驅動頂尖夾緊）。另一類是以KVJ為代表，利用工件端面的油孔，采用漲芯夾具夾緊油孔內壁驅動工件旋轉，然后頂尖夾緊，實現磨削（以下簡稱：漲芯驅動頂尖夾緊）。兩類夾緊方式如圖2所示。

2.原夾具的分析以及問題的提出

“棘子驅動頂尖夾緊”與“漲芯驅動頂尖夾緊”，兩種驅動夾緊方式完全不同。如圖2所示，棘子驅動夾具簡單，驅動元件與夾緊部件分離，即頂尖與棘子分離，制作成本低，安裝調整也方便、快捷。而漲芯驅動夾具復雜，驅動元件與夾緊部件合為一體，結構復雜，制作精度要求高，目前均從日本進口，每套漲芯夾具約3萬元，使用成本相當昂貴。漲芯夾具安裝調整也較復雜，特別是，兩種夾具切換時，耗時長達60分鐘以上。

而目前我司兩條凸輪軸生產線的節拍35秒/件，要求機型切換時間30分鐘。凸輪軸磨多級外圓工序的機型切換時間長達60分鐘以上，是整條生產線耗時最長的，其中，切換砂輪25分鐘，切換工裝夾具35分鐘，嚴重影響生產線的效率。

目前，摩托車市場競爭越加激烈，生產機型越來越多，導致生產機型切換更加頻繁。雖然我司歷經多年的FOG（生產能力提升活動）推進，本工序機型切換時間長的問題依然沒解決，已成為抑制整條生產線生產能力的瓶頸。

3.新夾具的構思

我們知道，磨削外圓時，作用于工件和砂輪上的磨削力可以分解為相互垂直的三個分力，即沿砂輪切向的切向磨削力Ft，沿砂輪徑向的法向磨削力Fn，以及沿砂輪軸向的軸向磨削力Fa。在外圓磨削過程中，工裝夾具的驅動夾緊力主要克服切向磨削力，驅使工件旋轉實現磨削。當切向磨削力大于驅動夾緊力時，工件會出現打滑甚至脫離夾具的情況。

我們知道切向磨削力為：

（ap：磨削深度，fav：磨削進給速度，vw：磨削速度，即工件旋轉速度。）

而法向磨削力Fn永大于切向磨削力Ft，磨削鑄鐵時，磨削力比Fn/Ft≈2.7～3.2。

根據切向磨削力公式可知，在外圓磨削過程中，粗磨時的切向磨削力最大。

我們的磨削工藝是：粗磨時切削用量分別為ap=0.05mm、fav=2.5mm/min、vw=14.3m/min，所以Ft=5.6N 。經過計算，外圓磨削中切向磨削力較小。

因此，我們有個大膽的假設：能否通過頭架頂尖上“磨削法向磨削力”和“尾座頂尖推力”，使頭架頂尖與工件產生的摩擦力克服切向磨削力，驅動工件旋轉的，實現磨削。統合兩種夾具為兩頂尖驅動夾緊（其中一頂尖為活動頂尖），實現機型切換時間中的工裝夾具切換時間為零。

4.新夾具的驗證

如圖3，法向磨削力Fn可以分解為：Fb1與Fc1。

Fb1= Fn·cos30° =15.1×cos30°=13.1 N，

而Fa1為Fn產生向尾座的推力，所以Fa1=Fc1·cos30°= Fn·sin30°·cos30°=6.5N。

尾座頂尖有效推力Fa0可以分解為Fb2與Fc2。

Fb2= Fa0·sin30°。

頭架頂尖與工件產生的摩擦力：Fμ=（Fb1+Fb2）·μ。

要實現假設，必須Fμ>Ft。已知μ=0.2（鋼與鑄鐵摩擦系數）。

∴（13.1+ Fa0·sin30°）×0.2>5.6

∴ 頂尖有效推力Fa0>29.8 N

尾座頂尖總推力Fa= Fa0+ Fa1=29.8+6.5=36.3 N。

也就是，只要尾座頂尖總推力大于36.3 N，構思將可能實現。理論上，頭架頂尖與工件的摩擦力Fμ可以克服切向磨削力。同樣道理，尾座頂尖與工件同樣產生與Fμ方向相反的摩擦力Fμ'。若尾座頂尖采用回轉頂尖，那么此Fμ'很小，可以暫時忽略。所以，Fμ可以克服切向磨削力，帶動工件旋轉，實現磨削加工。

根據工藝夾具設計要求，精加工過程中，一般夾具安全系數為1.5～2.0，即尾座頂尖總推力應大于72.6N，磨削夾緊力才是充足的、安全的。

我司使用進口日本豐田工機GL5PⅡ-32型外圓磨床磨削凸輪軸各級軸徑，其尾座頂尖工作推力由彈簧控制，且其彈簧力可調。豐田工機GL5PⅡ-32型外圓磨床尾座頂尖彈簧力：MIN 245N，MAX 1076N。因此，設備的尾座頂尖推力永大于假設所需安全值。所以，假設是可以實現的。

新工藝驗證：

根據以上分析論證，將設備尾座固定頂尖變更為回轉頂尖，尾座頂尖推力設定為設備最小值245N。對以下兩組磨削參數進行試驗。

實際驗證結果也證明：我們的假設是可行的。

5.新夾具投入使用的效果

新驅動夾具全面實施后，檢測產品加工精度CP值均與原工藝一致，均達1.33以上。項目實施后，跟蹤回轉頂尖使用壽命均長達14個月以上，滿足我們預定壽命1年（或加工35萬件）以上。

新驅動夾具：取消了專用的夾緊驅動裝置，兩類不同結構的凸輪軸統一由兩頂尖定位兼驅動夾緊，各機種工裝簡單、統一，機型切換方便快捷，由于統合了兩種夾具，機型切換時間中的工裝夾具切換時間變為零，總的時間由原來60分鐘以上縮短至30分鐘以內，大大的提升了生產線的生產效率。

6.結束語

現在社會發展日新月異，產品更新換代越來越快。企業的生產制造模式越來越多是以小批量多品種，以適應市場的需求。多品種小批量的生產模式，換型效率越來越受到關注。利用項目成果，可以進一步簡化傳統外圓磨削工藝的工裝，統一由兩頂尖定位兼驅動夾緊，大大縮短了新產品的生產準備周期，提高產品的生產切換效率。

作者簡介：

江仕釗（1980- ），男，漢族，廣東廣州人，大學本科、工程碩士，助理工程師。