凸輪軸零件的數控加工工藝設計及數控編程[CAD高清圖紙和文檔]

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本科畢業(yè)設計(論文) 題目：凸輪軸零件的數控加工工藝設計及數控編程 系 別 機電信息系 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班 級 姓 名 學 號 導 師 2013年5月 凸輪軸零件的數控加工工藝設計及數控編程 摘 要 這次畢業(yè)設計的目的就是要對軸類零件的數控磨削加工有所了解，凸輪軸是軸類零件中比較復雜的一種軸類。在磨削加工方面，凸輪軸也是比較難以加工的軸。本文則是從最開始的凸輪軸零件的工藝分析開始對凸輪軸進行全方位的分析關于材料的選擇，毛坯的確定，熱處理選擇，基本尺寸以及表面粗糙度的確定都參考了大量的相關書籍進行定性定量的選擇，中期的工序設定，以及關于加工步驟中的關于凸輪軸軸頸銑削的夾具設計，還有一些加工用量和加工余量的切削選擇和計算，最后還運用了數控技術和仿真技術對凸輪軸零件最終在電腦上進行數控模擬和仿真加工生成零件。 關鍵詞:凸輪軸；工藝設計；數控加工 III 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 錄 1 緒論 1 1.1Pro/E和Mastercam9.0軟件的特點及主要功能 2 1.2數控技術的相關知識 2 1.3凸輪軸設計背景 5 1.4凸輪軸設計方法 5 1.5凸輪軸設計的作用 5 1.6凸輪軸設計的結果和意義 6 2 凸輪軸零件的工藝分析 7 2.1凸輪軸零件特點 7 2.2工藝設計原則及凸輪軸加工工藝分析 8 2.3小結 9 3 凸輪軸工藝設計 10 3.1工藝設計 10 3.2工藝特點 11 3.3 凸輪軸工藝分析 12 4 夾具的設計 14 4.1夾具的設計 14 4.2 端面車削 20 4.3凸輪軸頸磨削 21 本章小結 22 5 凸輪軸的數控磨削加工編程及仿真 23 5.1數控編程 23 5.2仿真加工 25 6 設計總結與心得 31 致謝 32 參考文獻 33 附錄 36 1 緒論 1 緒論 凸輪軸是汽車發(fā)動機配氣機構中重要的零件，凸輪軸的結構設計與加工質量好壞，直接影響發(fā)動機的性能。 凸輪軸專司控制內燃機進氣門和排氣門開啟和關閉的時間。就其功能而言，凸輪軸多少年來都沒有什么改變。自從氣門控制的內燃機問世以來，直至今天凸輪軸還是以曲軸轉速之半運轉。 但是，凸輪軸設計的發(fā)展從來都沒有停止過:在現(xiàn)代發(fā)動機中，凸輪軸的位置已經從下置式改成了上置式。上置式凸輪軸通過挺桿、圓柱齒輪、鏈條、搖臂或者輥子隨動件驅動頂置式氣門。此外，由于采用多氣門的緣故，每一臺內燃機凸輪軸的數量也增加了。還開發(fā)了各種各樣可變氣門定時的凸輪軸。同時，在材料和制造工藝上也發(fā)生了改變。 近年來，又因環(huán)境保護的需要，正在開發(fā)低油耗、無污染的汽車發(fā)動機。為解決汽車尾氣無污染排放問題，實現(xiàn)發(fā)動機的高轉速、高輸出功率，許多發(fā)動機采用多氣門及配氣相位、氣門升程可變的結構，這就增加了氣門彈簧的載荷。同時，為降低油耗及摩擦損耗，輪與搖臂間采用滾子結構，凸輪與滾子的接觸面形成高壓力區(qū)。 另外，為達到汽車輕型化、低成本的目的，在不影響各個零件性能要求的前提下，應該使零件盡可能簡化加工、降低重量，材料使更趨合理。為實現(xiàn)上述目標，對發(fā)動機部件，尤其是凸輪軸的設計必須重新考慮，要求其結構緊湊、質量小，能承受更高接觸壓力，更好的耐膠著、耐點蝕、耐磨損的能力。在配氣機構中，對凸輪軸各個部位的性能要求是不同的。 對于凸輪，要求耐磨損、耐膠著、耐點蝕;對于軸頸要求滑動性能好；對于軸則要求剛性、彎曲、扭轉性能好。傳統(tǒng)的凸輪軸主要是鑄造或鍛造加工而成，各部位金屬性能相同。 這種由單一金屬組成的凸輪軸很難達到上述要求。因此，質量小、加工成本低、材料利用合理的裝配式凸輪軸受到了業(yè)內人士的高度重視。 目前在汽車工業(yè)發(fā)達國家，裝配式凸輪軸制造新技術已應用于生產中。而且，這一改變進程還沒有到達發(fā)展的盡頭，因為采用電磁氣門驅動系統(tǒng)的無凸輪軸內燃機離成批生產還需要時間。 凸輪軸是一種不斷地加速和減速的旋轉質量。這種加速和減速伴隨著能量的消耗。減輕凸輪軸的質量可以對內燃機節(jié)能發(fā)揮積極影響。所以今天凸輪軸上的創(chuàng)新往往與減輕重量分不開。 40 畢業(yè)設計（論文） 1.1Pro/E和Mastercam9.0軟件的特點及主要功能 Pro/Engineering是美國公司開發(fā)的軟件，該軟件能夠完整的展現(xiàn)某一產品從設計，加工到生產樣本的全部工作流程，讓所有的用戶同時進行某一產品的設計工作流程，讓所有的用戶同時進行統(tǒng)一產品的設計工作。 它是一款全方位的產品開發(fā)軟件，集合了眾多的功能。因此，自1988年問世以來，及引起CAD（計算機輔助軟件）/CAE（計算機輔助教育）/CAM（計算機輔助制造）界的極大震動。 Mastercam9.0是美國CNC Software,Inc公和司開發(fā)的CAD/CAM一體化軟件。它是集二維繪圖，三維實體，曲面設計，體素拼合，數控編程，刀具路徑模擬及真實感模擬等功能于一身，對系統(tǒng)運行環(huán)境要求較低，使用戶無論是在造型設計，CNC銑床，CNC車床，或CNC線切割等加工操作中，都能獲得最佳效果。 而且Mastercam9.0基于PC平臺，支持中文環(huán)境，價位適中，對于廣大的中小企業(yè)來說是最理想的選擇。 1.2數控技術的相關知識 數控機床是采用數字化的信號進行對工件的自動生產制造的一種高效自動化設備。 它最早出現(xiàn)于二十世紀四十年代初期的美國的一個小公司，在制造飛機框架和直升機葉片時，利用全數字電子計算機對葉片輪廓的加工路徑精確地控制，直到1952年出現(xiàn)了世界第一臺數控機床——直線插補連續(xù)控制的三坐標立式銑床。 數控銑床主要用于加工平面和曲面輪廓的零件，還可以加工復雜型面的零件，如凸輪、樣板、模具、螺旋槽等。同時也可以對零件進行鉆、擴、鉸、锪和鏜孔加工。它有適應性強、靈活性好，加工精度高、加工質量穩(wěn)定可靠，生產自動化程序高，生產效率高等等特點。 在利用數控機床進行生產制造前，我們必須先了解數控系統(tǒng)的功能及規(guī)格，因為不同的數控系統(tǒng)在編寫數控加工程序時，在格式及指令上是不完全相同的，而且不同的機床也有不同的操作面板。我們必須對使用的銑床操作熟練，對CAD編程軟件的熟練使用。 接著我們首先要認真分析零件圖，熟悉零件的加工工藝。選擇合要求、高效率的加工工藝；對其每個不同的加工選擇合理的刀具、夾具及切削用量、切削液。并CAD編程軟件設置好各參數，編好工件程序后，擬定數控銑削加工工序卡片，根據加工工序步驟，將對應步驟的加工程序輸入到數控仿真銑床對零件進行仿真加工，并確定無錯誤便可到銑床車間將工件加工出來。 數控技術的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大，他對國計民生的一些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。 從目前世界上數控技術及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面： 1．高速、高精加工技術及裝備的新趨勢 2．五軸聯(lián)動加工和復合加工機床快速發(fā)展 3．智能化、開放式、網絡化成為當代數控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 數控技術和數控裝備是制造工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎。這個基礎是否牢固直接影響到一個國家的經濟發(fā)展和綜合國力，關系到一個國家的戰(zhàn)略地位。因此，世界上各工業(yè)發(fā)達國家均采取重大措施來發(fā)展自己的數控技術及其產業(yè)。 在我國，數控技術與裝備的發(fā)展亦得到了高度重視，近年來取得了相當大的進步。特別是在通用微機數控領域，以PC平臺為基礎的國產數控系統(tǒng)，已經走在了世界前列。 但是，我國在數控技術研究和產業(yè)發(fā)展方面亦存在不少問題，特別是在技術創(chuàng)新能力、商品化進程、市場占有率等方面情況尤為突出。 在新世紀到來時，如何有效解決這些問題，使我國數控領域沿著可持續(xù)發(fā)展的道路，從整體上全面邁入世界先進行列，使我們在國際競爭中有舉足輕重的地位，將是數控研究開發(fā)部門和生產廠家所面臨的重要任務。 在普通機床上加工零件時，首先應由工藝人員對零件進行工藝分析，制定零件加工的工藝規(guī)程，包括機床、刀具、定位夾緊方法及切削用量等工藝參數。同樣，在數控機床上加工零件時，也必需對零件進行工藝分析，制定工藝規(guī)程，同時要將工藝參數、幾何圖形數據等，按規(guī)定的信息格式記錄在控制介質上，將此控制介質上的信息輸入到數控機床的數控裝置，由數控裝置控制機床完成零件的全部加工。 我們將從零件圖樣到制作數控機床的控制介質并校核的全部過程稱為數控加工的程序編制，簡稱數控編程。數控編程是數控加工的重要步驟。 理想的加工程序不僅應保證加工出符合圖樣要求的合格零件，同時應能使數控機床的功能得到合理的利用與充分的發(fā)揮，以使數控機床能安全可靠及高效地工作。 一般來講，數控編程過程的主要內容包括：分析零件圖樣、工藝處理、數值計算、編寫加工程序單、制作控制介質、程序校驗和首件試加工。 數控機床與加工，數控機床是按照事先編制好的數控程序自動地對工件進行加工的高效自動化設備。數控加工就是將加工數據和工藝參數輸入到機床，機床的控制系統(tǒng)對輸入信息進行運算與控制，并不斷地向直接指揮機床運動的電動機功能部件——機床的伺服機構發(fā)送脈沖信號，伺服機構對脈沖信號進行轉換與放大處理，然后由傳動機構驅動數控機床，從而加工零件。所以數控加工的關鍵是加工數據和工藝參數的獲取，即數控編程。 數控編程，數控程序的編制是指從分析零件圖樣開始到獲得正確的程序載體為止的全過程。 在數控機床上加工零件時，首先要分析零件圖樣的要求、確定合理的加工路線及工藝參數、計算刀具中心運動軌跡及其位置數據；然后把全部工藝過程以及其他輔助功能(主軸的正轉與反轉、切削液的開與關、變速、換刀等)按運動順序，用規(guī)定的指令代碼及程序格式編制成數控加工程序，經過調試后記錄在控制介質(或稱程序載體)上，最后輸人到數控機床的數控裝置中，以此控制數控機床完成工件的全部加工過程。 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，故必須依據該控制器的指令格式書寫指令，若其格式有錯誤，則程序將不被執(zhí)行而出現(xiàn)警示訊息。 CAM軟件是將加工零件以圖形形式輸人計算機，由計算機自動進行數值計算、前置處理，在屏幕上形成加工軌跡，及時修改，再通過后置處理形成加工程序輸人數控機床進行加工。自動編程的出現(xiàn)使得一些計算繁瑣、手工編程困難、或手工無法編出的程序都能夠實現(xiàn)。 然而本設計的零件銑床加工主要是用CAD軟件Mastercam9.0進行零件的畫圖和程序的編制。然后通過軟件后處理出機床能識別的NC代碼進行直接加工。 在自動編程過程中，加工工藝決策是加工能否順利完成的基礎，必須依據零件的形狀特點、工件的材料、加工的精度要求、表面粗糙度要求，選擇最佳的加工方法、合理劃分加工階段、選擇適宜的加工刀具、確定最優(yōu)的切削用量、確定合理的毛坯尺寸與形狀、確定合理的走刀路線，最終達到滿足加工要求、減少加工時間、降低加工費用的目的。 數控仿真加工，數控加工仿真軟件包括數控車床、數控銑床、加工中心等虛擬制造系統(tǒng)同步仿真操作功能；還能對加工的工件進行精確測量、智能測量等等的仿真操作。我們可以通過仿真軟件對零件進行模擬加工，從而達到熟練各種數控機床的操作面板，而且通過仿真軟件還能對加工程序的校正和加工工藝的優(yōu)化，最終達到簡化程序，減少加工錯誤，提高加工效率。 1.3凸輪軸設計背景 這次畢業(yè)設計的目的就是要對軸類零件的半成品以后的磨削加工有所了解，也是為了鞏固所學的關于磨削加工的理論知識,培養(yǎng)分析和解決問題的能力,提高自己的數控加工軟件的設計應用能力，讓我們綜合運用我們所學的機械設計基礎、數控編程、機械制圖、CAD技術、機械制造工藝等知識，來完成凸輪軸零件的三維造型設計、凸輪軸零件工藝規(guī)程文件編制、相關數控程序編制和相關夾具的設計。 1.4凸輪軸設計方法 常規(guī)設計方法常規(guī)的設計方法就是傳統(tǒng)的設計方法。 他們是根據力學和數學建立的理論公式和經驗公式，運用圖表和手冊等技術資料，以實踐經驗為基礎，進行設計計算、繪圖和編寫設計說明書，利用普通凸輪磨機床進行加工。 創(chuàng)新設計方法現(xiàn)代設計方法強調是以計算機為工具，以工程軟件為基礎，運用現(xiàn)代設計理念，進行機械產品的設計。 如凸輪軸設計就是運用proe輔助制圖，這樣就可以優(yōu)化設計，就可以提高其生產效率，降低原材料的浪費率。 1.5凸輪軸設計的作用 凸輪軸是在綜合運用機械制圖、機械制造原理、機械制造工藝、機械加工、數控編程等多門課程的總結。通過這一環(huán)境的訓練，使我不但更加深入了解畢業(yè)設計的基本理論、基本知識、而且學會使用這些理論、基本知識去了解解決工程中的問題。凸輪軸是活塞發(fā)動機里的一個部件。凸輪軸的作用是控制氣門的開啟和閉合動作。凸輪軸的主體是一根與汽缸組長度相同的圓柱形棒體。上面套有若干個凸輪，用于驅動氣門。凸輪軸的一端是軸承支撐 點，另一端與驅動輪相連接。凸輪的側面呈雞蛋形。目的就是在盡可能短的時間內完成氣門的開、閉動作，保證汽缸充分的進氣和排氣。 1.6凸輪軸設計的結果和意義 凸輪軸設計的結果這次設計運用計算機輔助制圖軟件，優(yōu)化設計。在提高生產效率、提高產品質量的前提下，尋求最好的工藝方案，以至于減少砂輪的磨損。這些將在工藝和編程上得到體現(xiàn)。 凸輪軸設計的意義凸輪軸是一個精密零件，也是軸類零件中比較復雜的一種曲軸。它的磨削要求也比較嚴格，每一個凸輪的角度都要控制在公差范圍內。但是還有一些復雜的問題沒有得到改善，在工藝規(guī)程設計方面也欠佳，編程方面也不是很完好以及其他地方還存在很大的問題。 2 凸輪軸零件的工藝分析 2 凸輪軸零件的工藝分析 2.1凸輪軸零件特點 凸輪軸生產線承擔每臺發(fā)動機凸輪軸的機加工，每臺發(fā)動機上使用一根凸輪軸。 材料：20Cr，各主軸頸及端面的硬度HB180~240，凸輪HRC48. 2.1.1凸輪軸的三維圖和簡圖 圖2.1凸輪軸三維圖 圖2.2凸輪軸二維圖 2.1.2 發(fā)動機凸輪軸主要加工內容和精度要求 a. 支承軸徑 前軸徑前端φ32.50-0.10，后端φ32.50-0.10，表面粗糙度Rz3.2 畢業(yè)設計（論文） 中間軸徑φ32.50-0.10，表面粗糙度Rz3.2 后軸徑φ32.50-0.10，表面粗糙度Rz3.2 b. 凸輪 圖2.3凸輪形狀示意圖 圖中O點位凸輪旋轉中心。EA是以O點位中心的圓弧。 6個凸輪基圓尺寸為φ33.50-0.10，表面粗糙度Rz3.2。 各凸輪基圓相對與前后軸頸的基準軸線的徑向跳動允差0.03mm 各凸輪基圓相對與前后軸頸的基準軸線的平行度允差0.01mm 各凸輪對稱中心線相對于鍵槽的相對位置偏差（相位角）±20′ 凸輪型線誤差作用段±0.05mm 凸輪型線誤差作用段±0.02mm 一缸凸輪軸對鍵槽位置112°32′±20′ c. 鍵槽 寬50-0.14，深400.05，對稱度0.025 2.2工藝設計原則及凸輪軸加工工藝分析 (1)保證工藝具有合理的先進性，再保證節(jié)拍的基礎上，吸收先進技術提高產品的競爭力。 (2)對于關鍵設備和技術，優(yōu)先考慮國內外可靠廠家的先進設備。 (3)保證先進性與經濟性相結合，再保證產品質量的前提下，降低成本 (4)充分考慮各生產緩解的安全性和操作的方便性。 (5)在投資允許的情況下，盡量考慮柔性生產。 由于凸輪軸具有細長且形狀復雜的結構特點，技術要求又高，尤其是凸輪的加工，因此其加工工藝性較差。在凸輪軸的加工過程中，有兩個主要因素影響其加工精度。其一是易變形性，其二是加工難度大。 2.2.1易變形特性 從細長軸的角度來說，突出的問題就是工件本身的剛度低，切削加工時會產生較大的受力變形，其表面殘余應力也會引起變形。尤其是在加工凸輪和齒輪時，這種變形會更為顯著。 凸輪軸在加工過程中的變形，不僅影響到后續(xù)工序加工中的余量分配是否均勻，而且變形過大會導致后序加工無法進行，甚至造成中途報廢。凸輪軸加工后的變形，將直接影響到裝配后凸輪軸的使用性能[2]。 因此，在安排其工藝過程時，必須針對工件易變形這一特點采取必要的措施。不僅要把各主要表面的粗精加工工序分開，以使粗加工時產生的變形在精加工中得到修整，半精加工中產生的變形在精加工中得到修正，還必須在加工過程中增設輔助支承以采取分段加工等措施，這是保證凸輪軸加工精度所必須解決的問題。 2.2.2加工難度大 從形狀復雜的角度來說，突出的問題凸輪、齒輪這些復雜表面的加工。 對于這些表面，不僅有尺寸精度要求，還有形狀、位置精度要求，如采用普通的加工設備和一般表面常規(guī)加工方法，顯然是根本無法保證其加工質量和精度的。 例如對于凸輪的加工，從滿足使用要求的角度來說，既要求其相位角準確又要求凸輪曲線升程滿足氣門開啟和關閉時升降過程的運動規(guī)律，但注意到凸輪曲線上的各點相對其回轉中心的半徑是變化的，當選用一般的靠模機床加工時，由于加工半徑的變化，勢必引起切削速度和切削力的變化，加之工件旋轉時的慣性力和靠模彈簧張力的瞬間變化，將會使加工后的凸輪曲線產生形狀誤差，即曲線的升程誤差，從而直接影響凸輪軸的使用性能。 2.3小結 綜上所述，雖然各種方案都各有優(yōu)點，但其技術的不成熟或者成本問題，都成為在國內實施的困難?？紤]到成本及大批量生產，選擇成熟技術和成熟的設備，使工藝方案符合經濟性與合理性原則。 3 凸輪軸工藝設計 3 凸輪軸工藝設計 3.1工藝設計 3.1.1定位基準的選擇 對于一般的軸類零件來說，其軸線即為它的設計基準。發(fā)動機凸輪軸遵循這一設計基準，由于凸輪軸各表面的加工難以在一次裝夾中完成，因此，減小工件在多次裝夾中的定位誤差，就成為保證凸輪軸加工精度的關鍵。本文采用兩頂尖孔作為軸類零件的定位基準，這不僅避免了工件在多次裝夾中因定位基準的轉換而引起的定位誤差，也可作為后續(xù)工序的定位基準，即符合“基準統(tǒng)一”原則。 這種方法不僅使工件的裝夾方便、可靠。簡化了工藝規(guī)程的制定工作，使各工序所使用的夾具結構相同或相近，從而減少了設計、制造夾具的時間和費用，而且有可能在一次裝夾中加工出更多表面。這對于大量生產來說，不僅便于采用高效專用機床和設備以提高生產效率，而且也使得所加工的各表面之間具有較高的相互位置精度。 3.1.2加工階段的劃分與工序順序的安排 a. 加工階段的劃分 由于凸輪軸的加工精度較高，整個加工不可能在一個工序內全不完成。為了利于逐步地達到加工要求，所以把整個工藝過程劃分為三個階段，以完成各個不同加工階段的目的和任務。 發(fā)動機凸輪軸的加工的三個階段[3]： (1) 粗加工階段包括車各支承軸頸、齒輪外圓軸頸和粗磨凸輪。該階段要求機床剛性好，切削用量選擇盡可能大，以便以提高生產率切除大部分加工余量。 (2) 半精加工是精車各支承軸頸和精磨齒輪外圓軸頸。該階段主要為支承軸頸齒輪的加工做準備。 畢業(yè)設計（論文） (3) 精加工包括精磨各支承軸頸、止推面和凸輪以及斜齒輪加工。該階段加工余量和切削量小，加工精度高。 工藝編排：首先以φ32.5的毛坯面為定位基準，然后以大端外圓的端面作軸向定位，具體每序的定位基準和夾緊位置，見表3-1發(fā)動機凸輪軸生產工藝簡介。 b. 工序順序的安排 加工順序的安排與零件的質量要求有關，工序安排是否合理，對于凸輪軸加工質量、生產率和經濟性都有很大影響。對于各支承軸頸是按粗車——精車——精磨加工的，對于是按凸輪粗磨——精磨加工的，對于斜齒輪是按粗車——精車——精磨——滾齒加工的。各表面的加工順序按從粗到精、且主要表面與次要表面的加工工序相互交叉進行，從整體上說，符合“先粗后精”的加工原則。 3.1.3凸輪形面的加工 在凸輪軸的加工中，最重要同時難度最大的是凸輪形面的加工。該形面的加工方法目前主要有車削和磨削兩種。 凸輪形面的粗加工目前在國內主要是凸輪軸車床車削加工，也有采用銑削加工和磨削加工的。如采用雙靠模凸輪軸磨床，機床有兩套靠模，當砂輪直徑在一定范圍內時，使用第一個靠模來工作。當砂輪磨損到一定程度時，靠模自動轉換，使用第二個靠模來工作[4]。該磨床通過對砂輪直徑的控制來提高凸輪外形的精度，不僅提高了凸輪形面的加工精度，也使砂輪的利用更經濟、合理。 發(fā)動機凸輪軸毛坯采用精鑄的方法制造，毛坯精度較高，切削量小，故采用磨削的加工工藝，簡化了凸輪形面的加工。 凸輪形面的加工采用磨削的方法，在凸輪磨床上完成粗磨及精磨的加工。工件安裝在兩頂尖之間并以鍵槽做軸向定位，在支承軸頸處安裝輔助支承保證凸輪形面的加工精度。 發(fā)動機凸輪軸形面的加工所采用的凸輪軸磨床是立方氮化硼磨床，該磨床能迅速地變換磨削的凸輪形狀，超過一般仿珩磨的生產率。機床具有較大的剛度，能承受大的工作負荷。由于立方氮化硼（CBN）砂輪的使用壽命高，因此，砂輪的直徑變化所造成的凸輪形狀誤差顯著減小，也大大提高了凸輪形面的磨削精度。 3.2工藝特點 發(fā)動機凸輪軸工藝特點： a. 毛坯硬度高 （冷激區(qū)HRC45 非冷激區(qū)HB229~302） b. 生產節(jié)拍 1.75分鐘 c. 輪軸數控車床用于支撐軸頸的粗加工 凸輪部分在鑄造時冷激，不需加工后淬火 d. 凸輪采用粗、精磨加工，以磨代車，凸輪輪廓直接磨削 e. 凸輪精加工采用全數控無靠磨磨削 f. 加工中主要定位基準中心孔采用打孔后修磨，保證加工質量 3.3 凸輪軸工藝分析 3.3.1生產綱領 生產類型 生產綱領的大小對生產組織和零件加工工藝過程起著重要的作用，它決定了各工序所需專業(yè)化和自動化的程度，以及所應選用的工藝方法和工藝裝備。 零件生產綱領可按下式計算： N=Qn(1+a%+b%) 由此公式可以算的凸輪軸的年生產量為5000件，根據生產綱領和生產類型的關系可以確定其生產類型是大批量生產。 表1生產綱領與生產類型的關系 生產類型 零件的年生產綱領（件） 重型零件 中型零件 輕型零件 單件生產 小批生產 中批生產 大批生產 大量生產 ＜5 5～100 100～300 300～1000 ＞1000 ＜10 10～200 200～500 500～5000 ＞5000 ＜100 100～500 500～5000 500～50000 ＞50000 3.3.2材料選擇 凸輪軸材料的選擇：由于軸的載荷通常是變載荷，或變應力，故材料應具有較好的強度和韌性；對軸的表面與支承有相對滑動的軸，還須要求較好的耐磨性。 材料：常用材料與熱處理：凸輪軸常用材料是20Cr，20Cr的熱處理及主要機構性能（參考）如表2 表2 20Cr主要機構性能 材料牌號 熱處理 毛坯直徑mm 硬 度HBS 抗拉強度極限σb (Mpa) 彎曲疲勞極限σ-1(Mpa) 扭轉疲勞極限τ-1/Mpa 屈服極限σs/Mpa 20Cr 滲碳淬火 回火 15 30 ≤60 表面HRC50~60 850 650 650 550 400 400 375 280 280 215 160 160 3.3.3 熱處理分析： 軸類零件的熱處理是保證軸類零件性能的重要工藝過程，它對軸類零件的如下性能有著直接的影響[6]： a. 軸類零件的制造精度：組織轉變不均勻、不徹底及熱處理后形成的殘余應力過大軸在熱處理后的加工、裝配和使用過程中的變形，從而降低軸的精度，甚至報廢。 b. 軸類零件的強度：熱處理工藝制定不當、熱處理操作不規(guī)范或熱處理設備狀態(tài)不完好，造成被處理軸的強度（硬度）達不到設計要求。 c. 軸的工作壽命：熱處理造成的組織結構不合理、晶粒度超標等，導致主要性能如軸的韌性、抗磨損性能等下降，影響軸的工作壽命。 d. 軸的制造成本：作為軸制造過程的中間環(huán)節(jié)或最終工序，熱處理造成的開裂、變形超差及性能超差，大多數情況下會使軸報廢，即使通過修補可以使用，也會增加工時，從而增加了軸的成本。 凸輪軸材料是20Cr，對強度和韌性要求比較高，而表面易磨損需滲碳。滲碳的目的就是增加軸的耐磨性能、表面硬度、抗拉強度及疲勞極限。滲碳以后首先要進行淬火，用來提高其硬度和強度極限。但淬火時會引起內應力使之變脆，所以淬火以后必須要回火，回火的目的就是用來消除淬火后的脆性和內應力，提高其塑性和沖擊韌度。 但是對于凸輪軸來說，半成品熱處理以前還有一道重要的工序，就是要對第一和第二個凸輪之間的外圓；第五和第六個凸輪之間的外圓用兩頂的裝加方式進行粗磨。這樣做是因為軸類零件熱處理以后會產生變形，既保證其同軸度。以便在熱處理以后以這兩個外圓為基準進行校核。 4 夾具的設計 4 夾具的設計 4.1夾具的設計 磨床夾具按其通用化的程度和結構特點，可以分為通用夾具、專用夾具、組合夾具和成組可調夾具等等。凸輪軸加工時采用的是傳動夾頭，屬于組合夾具類型。 組合夾具是在夾具零部件標準化的基礎上發(fā)展起來的一種新型工藝裝備。它是由一套預先制造好的標準元件組裝而成的。這些元件有各種不同的形狀、不同規(guī)格的尺寸，它們相互配合部分的尺寸精度高、硬度高、耐磨性好，且具有完全的互換性。根據加工工藝的要求，可通過選擇和使用標準元件和組合元件，很快裝配出機械加工、檢驗、裝配等所需的夾具來。使用完畢，可方便地拆卸、清洗、存放、留待以后再使用。 組合夾具的特點： 1、靈活多變； 2、保證加工質量、提高生產效率； 3、節(jié)省人力和物力； 4、減少夾具存放面積。 組合夾具的元件按其用途不同可以分為八大類，即：基礎元件、支承元件、定位元件、導向元件、壓緊元件、緊固元件、輔助元件及合件。其中，緊固元件包括各種螺栓、螺釘、螺母和墊圈等，這些緊固元件均為常用的標準件。 本次夾具設計主要是應用于對凸輪軸的凸輪軸頸進行加工。由于凸輪軸在工作中需要很高的轉速承受很大的轉矩，因此對凸輪軸軸頸的強度和可靠支撐方面的要求很高。而軸頸的同軸度需要也很高。由于進行大批量生產同一種凸輪軸所以設計一套專用的夾具。 凸輪軸的材料為20Cr且由于凸輪軸頸的位置應該運用銑磨加工比較好。 該零件在數控磨銑加工前，工件是一個經過加工半圓槽的凸輪軸材料，凸輪軸上的半圓槽可以進行定位裝夾，無需進行另做工藝孔進行定位。 凸輪軸的組成幾何元素之間關系清楚，條件充分，編程時，所需基點坐標很容易求得。凸輪軸頸的的外輪廓面只要與加工刀具只有有垂直度的要求，只要提高裝夾精度，使凸輪軸頸與銑刀軸線垂直， 加工凸輪軸頸的同軸度即可保 畢業(yè)設計（論文） 證。 在設計夾具體的時候傳動板上的錐度孔要達到一定的高度才能在裝夾時保證凸輪軸磨銑的同軸度，因此傳動板的高度，中心孔的位置要自己設計，最后的夾具體，如圖4.1所示。 圖4.1 夾具圖 傳動夾頭由非標準件手柄、定位銷、定位板、彈簧、螺母、壓蓋、定位螺釘、傳動板和標準件圓柱銷、螺釘組合而成。 圖4.2 傳動板 傳動板是整個夾具的夾具體，也是夾具的關鍵部位如圖4.2所示，它上面有一個錐度孔，用來裝夾凸輪軸的錐形端面。錐度孔和錐度面有自鎖，在磨削時對凸輪軸進行夾緊，限制其自由度。

圖4.3 定位板 定位板是通過定位螺桿固定在傳動板上，它的作用是用來放置定位銷(如圖4.3)所示。

圖4.4 手柄 手柄是用來裝定位銷的，以便于定位銷在使用時方便。(如圖4.4)所示
圖4.5 定位銷 定位銷是在加工時對凸輪軸進行定位，裝夾時定位銷應放在凸輪軸裝夾端的鍵槽內，限制凸輪軸的轉動和移動的自由度。(如圖4.5)所示。 (如圖4.6，4.7)所示為夾具圖的裝配三維圖和夾具圖的分解三維圖。 圖4.6 夾具三維裝配圖 圖4.7 夾具三維分解圖 西安工業(yè)大學大學北方信息工程學院 機械加工工藝過程卡片 產品型號 零件圖號 產品名稱 凸輪軸 零件名稱 凸輪軸 共 頁 第 頁 材料牌號 45鋼 毛坯種類 鑄件 毛坯外形尺寸 每毛坯可制件數 1 每臺件數 備注 工序號 工序名稱 工序內容 工段 設備 工藝裝備 工時 準終 單件 1 銑端面打中心孔 銑端面打中心孔 鉆銑組合機 2 校直 壓床 3 粗車軸頸外圓 車支承軸頸外圓等 凸輪軸軸頸車床 4 鉆孔 鉆 φ7 孔 鉆床 5 校直 校直 壓床 6 磨軸頸外圓 磨軸頸外圓 外圓磨床 7 車側面 車凸輪側面和連接軸頸等 凸輪軸車床 8 校直 校直 壓床 9 磨螺紋外圓 磨螺紋軸頸外圓等 外圓端面磨床 10 磨軸頸 磨五個支承軸頸外圓 外圓磨床 11 銑鍵槽 銑鍵槽 鍵槽銑床 12 粗磨凸輪 磨凸輪 凸輪磨床 13 銑螺紋 銑螺紋 螺紋銑床 14 去毛刺 去螺紋兩端毛刺 去毛刺機 15 清洗 清洗 清洗機 16 檢查 中間檢查 17 淬火 支承軸頸、螺紋表面淬火 18 淬火 凸輪、偏心輪淬火 19 修中心孔 修中心孔 立式鉆床 20 校直 校直 壓床 21 半精磨凸輪 磨凸輪 凸輪磨床 22 校直 校直 壓床 23 精磨端面止推面 精磨端面和止推面 端面外圓磨床 24 精磨軸頸 精磨支承軸頸外圓 外圓磨床 25 精磨凸輪 精磨凸輪 凸輪磨床 26 修正 修整螺紋和去毛刺 27 拋光 拋光 拋光機 28 校直 校直 壓床 29 清洗 清洗 清洗機 30 終檢 終檢 表4.1 加工工藝卡片 4.2 端面車削 a. 背吃刀量ap 應選擇盡量大的背吃刀量，盡量在一次走刀中，把本工序加工應切除的加工余量切除掉。在粗加工時，當加工余量過大或工藝系 統(tǒng)剛性較差時，也可分兩次走刀。 在這一道工序中采用一次進刀： 選取ap的進刀量為0.33 b. 進給量f 定義：工件或刀具每轉一周時，刀具與工件在進給運動方向上的相對位移量。 查表選取f為0.16 c. 切削速度v 式中 cv, xv, yv, 為系數，m為指數,ap為背吃刀量，f為進給量，修正系數kv取值為1。 查有關手冊，查得cv=189.8, xv=0.15, yv=0.20, m=0.20 計算得出v=2.37m/s d. 加工工時 根據凸輪軸的零件圖得出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 由于有兩個端面需要車削，所以車削端面所用工時為Tj總=14.34*2=28.68s 4.3凸輪軸頸磨削 a. 背吃刀量ap 應選擇盡量大的背吃刀量，盡量在一次走刀中，把本工序加工應切除的加工余量切除掉。在粗加工時，當加工余量過大或工藝系統(tǒng)剛性較差時，也可分兩次走刀。 在這一道工序中采用一次進刀： 所以ap的進刀量選取為0.99 b. 進給量f 定義：工件或刀具每轉一周時，刀具與工件在進給運動方向上的相對位移量。 進給量的選擇與背吃刀量也有關，在已選定背吃刀量為0.99的前提下，查有關手冊，選擇進給量為：0.8mm/r c. 切削速度uc uc＝πD n粗/1000 式中 D——刀具直徑 n———加工時的速度 查有關手冊，取加工時的主軸轉速為400r/mm。 所以， uc＝πD n粗/1000 ＝π×1.98×400×/1000　 ＝2.48mm/r d. 加工工時Tj 根據凸輪軸的零件圖得出l=17mm 查表4.3的l1=10mm，取l2=2mm Tj=(l+l1+l2)/（f*nw） =(17+10+2）/2.48 =11.69s 由于凸輪軸頸被凸輪分成五部分所以加工工時Tj總=11.69*5=58.46s 本章小結 本章對凸輪軸的特點、作用、結構工藝性進行了具體詳細的分析，讓人對凸輪軸有了進一步的了解，并結合生產實際要求確定了生產綱領、生產類型及工藝路線，并進行了夾具設計。 本章設計中夾具設計是一大重點，也是一大難點。普通軸的加工一般不需要設計夾具，直接用卡盤夾緊，或用兩頂尖固定即可，但凸輪軸的加工不可如此，它需要設計專門的夾具。這也體現(xiàn)了凸輪軸加工的難度及重要性。 5 凸輪軸的數控磨削加工編程及仿真 5 凸輪軸的數控磨削加工編程及仿真 5.1數控編程 數控磨的編程是通過角度的一個升程表來自動完成的，所以升程表里的每一個角度都要準確無誤，要不就會升程一個不同角度的升程。 表4 凸輪升程表 α H（mm） α H（mm） α H（mm） α H（mm） α H（mm） 25.15 0 30 0.1006 35 0.4189 40 0.9675 45 1.7687 25.5 0.0005 30.5 0.1225 35.5 0.4631 40.5 1.0358 45.5 1.8639 26 0.0031 31 0.1466 36 0.5097 41 1.1066 46 1.9621 26.5 0.0078 31.5 0.1728 36.5 0.5585 41.5 1.18 46.5 2.0631 27 0.0146 32 0.2013 37 0.6097 42 1.2561 47 2.1672 27.5 0.0236 32.5 0.2320 37.5 0.6633 42.5 1.3347 47.5 2.2743 28 0.0347 33 0.2649 38 0.7193 43 1.4160 48 2.3844 28.5 0.0479 33.5 0.3 38.5 0.7776 43.5 1.5 48.5 2.4977 29 0.0633 34 0.3374 39 0.8385 44 1.5868 49 2.6142 29.5 0.0809 34.5 0.3770 39.5 0.9017 44.5 1.6764 49.5 2.7340 編制數控加工程序是是使用數控機床的一項重要技術工作，理想的數控程序不僅應該保證加工出符合零件圖樣要求的合格零件，還應該使數控機床的功能得到合理的應用與充分的發(fā)揮，使數控機床能安全、可靠、高效的工作。 下面是凸輪軸的一段加工程序 一、程序頭是程序的起始階段，他是執(zhí)行程序的一個輔助工作，主要包含：刀具的起始點、主軸的正反轉、主軸的速度、冷卻液的開關。 N0000(MAIN PROGRAM) G54 G90 G00 X-150 Y0.U0.V0.Z0 二、程序主體是程序的主要部分，他主要包含：進刀點、切入點。 1、進刀 M28 G04 F1.0 R2=0.00 R29=R131 2、切入 這一步是砂輪逐步磨削，逐漸成型。 G90 G00 SUPA X=R900 G00 SUPA Z=R901 R95=270.00 R96=52.00 AF90 G90 G00 X=R103 M22 G04 F=1.0 AA40: IF $A_IN[10]==1 GOTOF AA34 G91 GOO Z-0.01 IF $AA_IW[Z1]<=47.0 GOTOF AA32 GOTOB AA40 AA34: IF $A_IN[10]==0 GOTOF AA33 畢業(yè)設計（論文） G91 G00 Z-0.01 GOTOB AA34 AA33: G04F1.0 G91 G01 Z0.15 F20.0 IF $_IN[10]==GOTOF AA32 AA35: IF $A_IN[10]==1 GOTOF AA36 G91 G01 Z-0.001 F20.0 GOTOB AA35 AA36: M23 G91 G00 Z=R300 G90 G00 X=R299 M22 G04 F=1.0 AA51 IF $A_IN[10]==1GOTOF AA50 G91 G00 Z-0.01 IF $AA_IW[Z1]<=70 GOTOB AA32 GOTOB AA51 AA50: IF $A_IN[10]==0 GOTOF AA52 G91 G00 Z-0.01 GOTOB AA50 AA52: G04 F=1.0 G91 G01 Z0.15 F20.0 IF $A_IN[10]==O GOTOF AA32 AA53: IF $A_IN[10]==GOTOG AA54 G91 G00 Z-0.01 F20.0 GOTOB AA53 AA54 M23 G90 G00 X270.0 G04 F1.0 G91 G00 Z=R162 AF10 R130=R130+1 IF R130<>R29 GOTOF AA46 AF11 G04 F1.0 AA32 M23 G04 F1.0 AA46 G90 G00 SUPA X=R900 G90 G00 SUPA Z=R901 R95=270.00 R96=52.00 AF90 G04 F1.0 三、程序結尾是是程序的結束部分，主要包含主軸的停止、程序的結束并返回到程序的起始位置、刀架退到安全地方。 M05; M01; T0606; M30; 5.2仿真加工 由于本人對于Mastercam軟件還正在學習中對于一些復雜的應用正在學習，而且凸輪軸的零件仿真加工屬于較復雜的的零件加工，所以關于凸輪軸上的凸輪的仿真加工還不熟悉。 5.2.1 讀取文檔 仿真加工是從Pro/E 系統(tǒng)中輸出凸輪軸零件的IGES 格式文件；在Mastercam9.0 系統(tǒng)中將凸輪軸零件的IGES 格式文件轉換成MC9 格式文件。在菜單欄中選擇回主功能表/檔案/檔案轉換/IGES/讀取。 5.2.2 坐標處理 進行坐標處理選取側面進行旋轉使刀具面與凸輪軸的軸頸垂直。然后建立第二個圖層，繪圖建立邊界盒（如圖5.1），畫直線選取斜對稱的兩點端點。然后在轉換中進行平移，選擇斜直線的中點與坐標原點進行重合。使凸輪軸的中點與坐標中點進行重合（如圖5.2）。 圖5.1 邊界盒 圖5.2 轉移原點 5.2.3 曲面曲線處理 建立第三個圖層，取消第二圖層。繪畫中選取曲面曲線然后選取要加工的面，點選執(zhí)行。 5.2.4 加工坯料 在菜單欄選擇刀具路徑，工作設置，系統(tǒng)彈出工作設置對話框，選取使用邊界盒。然后點選確定。 5.2.5 凸輪軸的圓槽粗加工 選取刀具路徑，曲面加工，粗加工，挖槽粗加工，選取要加工的面（如圖5.3，5.4） 圖5.3 加工選取面 圖5.4 刀具選取圖 點擊執(zhí)行，彈出曲面粗加工挖槽刀具參數對話框，鼠標放在空白處，單擊從刀庫中選取刀具，然后點擊曲面加工參數選取加工面的預留量，安全高度和參考高度。最后在挖槽粗加工參數中輸入Z軸的最大進給量以及刀間距，選取要使用的刀具的走刀路線圖。 串聯(lián)選取路線，點擊執(zhí)行等待加工生成走刀路徑。（如圖5.5） 圖5.5 編輯框 最后生成刀具路徑（如圖5.6） 圖5.6 實體驗證 5.2.6 加工凸輪軸鍵槽 同理參照5.2.4加工凸輪軸的鍵槽，生成（如圖5.7） 圖5.7 左端鍵槽圖 5.2.7 后置處理（生成NC 程序） 在菜單欄選擇刀具路徑，操作管理在彈出的對話框中單擊后處理按鈕，系統(tǒng)彈出后處理程式對話框，選擇打開儲存NC 檔、編輯，單擊確定按鈕，系統(tǒng)彈出輸入程序名對話框，輸入程序名， 單擊保存按鈕，修改并保存。 最后生成（如圖5.8）的程序編程 圖5.8 程序生成圖 6 設計總結與心得 6 設計總結與心得 在這次畢業(yè)設計中，我深刻理解到了數控技術對于我國的工業(yè)發(fā)展的重要性，在這個畢業(yè)設計的過程中我們暴露出了很多的問題和不足，對于實踐能力的應用還有所欠缺的，經過十五周的凸輪軸零件的二維和三維畫圖、編程與加工設計，讓我明白設計的過程并不是簡單的書上知識的照搬照套,一個零件的加工設計與加工的材料、刀具等等緊密聯(lián)接。想要成功地完成凸輪軸零件的編程與加工，使加工的零件各部分尺寸精度和表面質量均達到零件圖樣的技術要求。必須使整個設計工藝方案選擇合理，程序編制正確，計算好各個加工參數，在加工過程中嚴格按照操作規(guī)程，用防真軟件驗證程序沒有錯誤，并保證實際加工過程中不會出現(xiàn)撞刀或運動干涉的現(xiàn)象。 通過對凸輪軸的數控加工設計，我對數控加工的整個過程有了更全面的理解。首先經過設計中選擇刀具，我對數控機床工具系統(tǒng)的特點和數控機床刀具材料和使用范圍有了較深的了解。 在設計加工工藝方案過程中，我也進一步了解了工件定位的基本原理、定位方式與定位元件及數控機床用夾具的種類與特點，對教材中有關定位基準的選擇原則與數控加工夾具的選擇方法有了更深的理解。 再是，這次的設計我能利用自動編程軟件Mastercam9.0對零件進行造型、加工軌跡生成、后置處理等應用，使我對Mastercam軟件的應擁有了更深的理解，但是我又是初學對于一些比較復雜的加工方法和仿真形成還是不太熟悉，導致我對與凸輪軸的凸輪部分加工仍有一些疑惑，不會加工。這也是我本次畢業(yè)設計中的一個大的不足和漏洞。但是我仍然不會放棄，我會在接下來的時間里對Mastercam軟件的繼續(xù)學習，進行更加深入的研究。爭取在以后的時間里對我的零件進行更深一步的完善。 通過本畢業(yè)設計的實踐，我真正的把理論的知識與實際零件的設計生產相結合。使教材中所學到的許多內容在實踐中得到了印證，讓自己從中吸收了不少的經驗和知識。看到自己經過多次調試、修改并最終完成了對凸輪軸零件的一些比較局部的表面的加工。 致謝 致 謝 經過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設計已經接近尾聲，由于經驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有任導師的督促指導，以及一起在任老師小組下畢業(yè)設計的同學們的互相幫助和支持，想要完成這個設計是難以想象的。 在此，我要感謝我的導師，本設計及論文是在任老師的親切關懷和悉心指導下完成的。她嚴肅的教學態(tài)度，嚴謹的治學精神，精