本科生毕业设计 2 凸轮轴的分析
2.3凸轮轴的机械分析
在应力作用下凸轮轴与挺杆、气门阀杆形成摩擦副，在工作过程中承受挺杆挤压应力作用，其次受到一定的弯矩和扭矩的作用，同时又要承受周期性变化的挤压应力以及与挺杆相接处产生的摩擦的作用力，也受到周期性的冲击载荷和摩损。凸轮轴在工作过程中与挺柱配合接触面应力大，且摩擦会产生热，而散热条件不好，容易出现撕裂、刮伤、剥落以及早期的磨损等，所以工作条件恶劣。凸轮轴的主要失效形式为疲劳失效（黏着磨损及擦伤）、凸轮磨损、表面压应力反复作用造成块状剥落和麻点等。
2.4凸轮轴的材料要求
(1) 作为凸轮轴材料，要有一定的弯曲疲劳强度和足够的韧性，能承受一定的扭转载荷，确保凸轮轴在工作中受力后无明显的变形。
(2) 凸轮轴工作表面特别是凸轮表面要有较高的粗糙度、中等强度和硬度以及较好的耐磨性，避免凸轮轴在工作过程中产生磨损、刮伤、断裂等严重缺陷。
(3) 凸轮轴材料必须具备较好的耐磨性能以及加工时较好的切削加工性能。 (4) 凸轮轴要具有准确的尺寸，轴颈部分的材料要有中等的抗弯强度和抗扭转载荷及中等的韧性和耐磨性。
2.5凸轮轴的材料选择
凸轮轴作为一个运动件，在恶劣的工作环境中承受着周期性的冲击载荷和严重的摩擦，凸轮轴上的凸轮与挺柱相接处，相对滑动速度很高，为了适应其恶劣工作条件，凸轮轴的通常采用优质钢或者合金钢锻造，也可以采用球墨铸铁或者合金铸铁铸造而成[4]。合金钢如40Cr虽说承受载荷大但无法较大的冲击，由于近年来铸铁强度的提高，合金铸铁和球墨铸铁也运用于凸轮轴上。碳钢作为应用最广泛的材料，经过正火处理后它的硬度达到170～217HBS，以及刚度都能满足。
通过对机加材料的了解和分析，碳钢相对于合金钢价格更便宜，其对于应力集中的敏感性较低，但是可以用热处理或者化学热处理等方法提高其抗疲劳强度，考虑到生产成本，以及结合本次设计产品的特点，因此采用优质碳钢制造凸轮轴最为广泛，其中最常用的是45钢。
2.6凸轮轴的技术要求
本次毕业设计是以柴油机F3000凸轮轴产品图（如图2-3）为例设计工艺，其具体技术条件如下：
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图2-3 柴油机F3000凸轮轴产品图
(1) 支承轴颈
各个轴颈Φ48-0.075，表面粗糙度为Ra0.63μm；
各个轴颈相对于前后支承轴颈的基准轴线径向圆跳动小于0.03mm； 各个轴颈的圆柱度小于0.007mm。 (2) 凸轮
8个凸轮基圆尺寸为R16.4±0.05，表面粗糙度为Ra0.4μm；
各个凸轮基圆相对于前后支承轴颈的基准轴线的径向圆跳动小于0.04mm； 一四缸凸轮对称中心线相对于键槽对称中心线相对位置偏差3°±30′； 二三缸凸轮对称中心线相对于键槽对称中心线相对位置偏差13°±30′； 各缸进排气凸轮对称中心线相对位置偏差106°； 各凸轮斜角7′30″～11′30″。 (3) 键槽
宽8-0.036 ，深4mm，对称度0.03mm；
键槽平面相对于前后端轴颈的基准轴线的平行度允许公差为0.02mm； 键槽侧面表面粗糙度Rz3.2μm，工作面表面粗糙度Rz6.3μm。 (4) 两端螺纹孔 螺纹孔M12，基孔制；
螺纹孔面轴线相对于支撑轴颈面的基准轴线的同轴度允许公差为Φ0.1mm。 (5) 止推面
止推面Φ40±0.1，表面粗糙度Rz6.3μm。 (6) 凸轮轴小头
凸轮轴小头Φ35+0.028，表面粗糙度Ra0.6μm，小头端面表面粗糙度Rz6.3μm；
凸轮轴小头相对于前后支承轴颈的基准轴线的径向圆跳动允许公差0.03mm； 凸轮轴小头圆柱度允许公差0.01mm。 (7) 材料经正火处理，硬度大等于180HBS。
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+0.044
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-0.050
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(8) 凸轮轴轴颈及进、排气凸轮表面淬火处理,硬度为54～63HRC，淬深1.5～6mm，凸轮顶圆处淬硬层深不小于3.5mm，止推面φ42以外园环面应为淬火处理，硬度不低于42HRC。轴颈两端3范围内，允许硬度降低至50HRC。（第一挡轴颈表面距后端5以内的硬度允许适当降低）
(9) 凸轮轴精加工后的各支承轴颈和凸轮表面应光洁，不许有碰伤、凹痕、毛刺、班点、裂缝等缺陷，倒锐边。
(10) 凸轮轴加工结束后，应按JB/T6729《内燃机曲轴、凸轮轴磁粉探伤》的规定进行探伤，探伤后退磁。
(11) 以凸轮轴线为基准，所有凸轮基圆每10°的跳动应不大于0.008，在整个基圆上跳动应不大于0.04。
(12) 任何相邻升程值之差与升程表对应值之差的偏差应小于或等于0.0064，任何8个相邻升程值之差与升程表对应值之差的偏差应小于或等于0.02，最大升程的偏差为+0.025%-0.056%。
(13) 凸轮两侧用油石去毛刺，光整处理。 (14) 淬火后允许校直。 (15) 表面涂防锈油。
(16) 其余按JB/T6728《内燃机凸轮轴技术条件》执行。
2.7凸轮轴工艺设计原则
（1）在工艺的合理性的前提下，保证工艺具有先进性，在保证产品生产节奏的前提，运用先进技术，提升产品的竞争力。
（2）在关键技术和设备上，应优先考虑国内外先进厂家的先进设备。 （3）在保证产品质量的前提下，应考虑将工艺的先进性和经济性相结合，降低生产成本。
（4）设计工艺时还应充分考虑各个加工环节的安全和操作者的方便性。 （5）加工方法应该与企业当前的技术工人水平和加工设备适应。 （6）选定的加工方法应该与工件材料的加工性能相适应。 （7）在生产进度允许的情况下，尽可能考虑柔性生产。
2.8凸轮轴加工工艺特点
2.8.1凸轮轴容易变形
凸轮轴作为细长轴，最突出的问题就是刚度差，如图2-4所示为精车凸轮轴外圆切削加工时工件两端顶针顶着中心孔，然后用鸡心夹夹在小头，当切削工件中间部分时容易出现较大的受力变形，还有表面的残余应力会引起变形，尤其在加工凸轮时，其变形最为明显。凸轮轴在加工过程中的变形，很容易引起后续加工工序加工余量分配均匀性，如果变形过大会直接造成后续加工工序
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无法进行，甚至会使零件直接中途报废。因此，凸轮轴的加工变形会直接影响凸轮轴的使用性能以及柴油机发动机的性能。在设计凸轮轴工艺时，应针对其易变性特性采取相应的辅助措施和合理安排加工工序。
图2-4 精车凸轮轴外圆工序
采取措施：
(1) 可以用中间托架来增强刚度，减少工件的变形和振动[5]。 (2) 采用小切削量，且加工尽量靠近夹紧面[5]。 (3) 合理安排工位顺序以减少加工变形[5]。
(4) 通过后续加工对前面工序产生的变形进行修正，工件在粗加工产生的变形在半精加工时修正。
2.8.2加工难度大
(1) 由于凸轮轴的形状复杂，凸轮轴的凸轮、小头、止推面等都是不容易加工的，对于这些复杂面，不但有尺寸精度要求，而且还有形状精度和位置精度要求。因此常规的机加设备以及加工技术，明显不能保证凸轮轴的加工精度和要求的。
凸轮的加工，要满足其性能要求，不仅要求凸轮曲线升程满足进排气门 的开启和关闭的规律曲线，还需要满足凸轮的相位角要求，如图2-5，第三进气相位角为13°。但凸轮的轮廓曲线上的各点相对其回转中心的半径是一直变
化的。如果选用一般的机床加工，由于加工半径的随时改变必定 会引起机床的切削力和切削速度的变化，这势必会使凸轮轮廓曲线出现误差，从而导致凸轮的性能受到影响。
图2-5 凸轮型线相位角
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(2) 随着凸轮磨削技术的飞速发展，例如数控技术和CBN砂轮的应用的提高，凸轮磨削的几何尺寸的控制比较准确，但凸轮表面质量的控制仍然是凸轮磨削工艺质量控制的难点，如表面振纹、凸轮表面粗糙度、表面裂纹、凸轮边缘毛刺等[6]。
① 砂轮转速和修正时金刚轮转速的笔直影响着凸轮表面粗糙度，在工件材料、冷却条件和修正进给速度不变的情况下，金刚轮与砂轮转速比与磨削表面粗糙度的关系见图2-6。凸轮表面粗糙度值和砂轮每次修正后的耐用度Rz呈反比关系[6]，且凸轮表面粗糙度值太高，很容易使凸轮表面产生挤压裂纹和烧伤。
图2-6 转速比与表面粗糙度值关系 ② 凸轮磨削表面裂纹与磨床砂轮直径，当砂轮直径大时，不容易产生磨削裂纹。砂轮直径的大小影响到磨削时对工件的挤压力，砂轮直径越大，挤压力越小，这就是粗糙砂轮不容易产生表面磨削裂纹的原因。
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