1、1 毕 业设计 题 目： 汽车发动机凸轮轴磨床工作台与专用夹（头架、尾架）设计 姓 名： 专 业： 机电 班 级： 学 号： 校内指导老师： 校外指导老师： 填表日期： 湘潭医卫职业技术学院教务处制 湘潭医卫职业技术学 院 2 毕业设计作品 二级学院 医电 学 院 专 业 机电 班 级 姓 名 学 号 校内指导老师 毕业设计名称 汽车发动机凸轮轴磨床工作台与专用夹（头 架、尾架）设计 校外指导老师 毕业设计时间 前 言 发动 机凸轮轴是影响汽车发动机整体性能的重要零件。凸轮轴主要由凸轮、支承轴颈、轴颈等几部分组成。凸轮轴主轴颈是整个凸轮轴零件的加工和使用的基准，其加工质量和效率直接影响发动机的
2、使用性能和制造成本。本文介绍了国内外凸轮轴磨床的发展现状及其趋势，凸轮轴磨削技术的发展，传统机械仿形法以及切点跟踪磨削法。阐述了切点跟踪磨床设计的总体方案，分析总结汽车发动机凸轮轴加工磨床的总体结构以及 X-C 轴凸轮轴磨削加工过程的原理。着重研究了凸轮轴磨床机床工作台与专用夹具（头架、尾架），确定头架转速及工作台相关参数，提高凸轮轮廓的加工精 度。 关键词 ： 凸轮轴；机床工作台；头架；尾架 3 Abstract The engine is the camshaft affect auto engine performance of the major parts. The camshaft
3、 mainly by the CAM, supporting shaft neck, shaft neck a few parts. The main journal is the camshaft camshaft parts processing and use of the benchmark, the processing quality and efficiency directly influence the engine performance and the manufacturing cost. This paper introduces the current situat
4、ion of the development of the domestic and foreign camshaft grinding machine and its trend, the camshaft grinding technology development, the traditional mechanical nc-copy method and enjoyed tracking grinding method. Expounds the tracking grinder enjoyed the overall scheme of the design, the analys
5、is of the automobile engine camshaft processing grinding machine with the overall structure and X-C shaft grinding machining process of the camshaft principle. This paper studies the camshaft the machine table grinder with special jig (head frame, tail frame), to determine the speed and head frame r
6、elevant parameters, improve the machining precision of the CAM contour. Keywords： camshaft； The machine table； Head frame； Tail frame 4 目 录 目 录 . 4 第一章 绪 论 . 6 1.1 课题背景 . 6 1.2 凸轮轴磨削技术发展概述 . 6 1.2.1 传统凸轮轴磨削加工方法 . 6 1.2.2 切点跟踪法磨削凸轮轴 . 8 1.3 凸轮轴磨床的发展现状及发展趋势 . 9 1.3.1 国外凸轮轴磨床的发展状况 . 9 1.3.2 国内凸轮轴磨床的发展状
7、况 .10 第二章 切点跟踪凸轮轴磨床的总体方案 . 11 2.1 凸轮轴加工难点 . 11 2.2 切点跟踪法磨削凸轮轴的基本原理 .12 2.3 凸轮轴磨床总体布局设计 .13 2.3.1 机床设计的基本要求 .13 2.3.2 凸轮轴初步估计组成部分 .14 2.3.3 总体布局初步设计 .14 2.4 磨床的技术参数 .15 2.4.1 磨床的主要参数 .15 2.4.2 磨床的一般技术参数 .15 第三章 凸轮轴磨床机床工作台设计 .18 3.1 凸轮轴磨床机床工作台的基本要求 .18 3.2 凸轮轴磨床工作台设计 .18 3.2.1 总体方案的确定 .18 3.2.2 工作台尺寸及
8、其相关参数 .18 3.2.3 滚动导轨的参数确定 .19 3.4 工作台步进电机的选用 .19 第四章 凸轮轴磨床夹具系统设计 . - 21 - 4.1 机床夹具的分类、基本组成和功用 . - 21 - 4.1.1 机床夹具的分类及其基本组成 . - 21 - 4.1.2 机床夹具的功用 . - 21 - 4.2 凸轮轴夹具设计的特点 . - 22 - 4.3 磨床头架设计的基本要求 . - 22 - 4.4 磨床头 架主轴系统的设计 . - 23 - 4.5 头架转速的确定 . - 24 - 4.6 中心高的确定 . - 25 - 4.7 顶尖 . - 25 - 4.8 磨床头架其 他相关
9、尺寸的确定 . - 25 - 4.9 磨床头架传动系统的设计 . - 26 - 5 4.10 定位基准的选择 . - 26 - 4.11 尾架相关尺寸的确定 . - 27 - 第五章 总结与展望 . - 28 - 参考文献 . - 29 - 感 谢 . 错误 !未定义书签。 6 第一章 绪 论 1.1 1.1 课题背景 所有汽车工业是世界上许多发达国家的支柱性产业。随着我过综合国力的逐渐增强，我国汽车工业尤其是轿车 工业得到了极大的发展，产品品种增长迅速、质量稳步提升、国产化程度显著提高。凸轮轴作为汽车发动机的关键零件之一，是影响发动机整体性能的重要零件。凸轮轴主轴颈、轴端的精密磨削加工一般都
10、由普通外圆磨床分多工序加工，加工效率低，加工精度不高。凸轮轴又是一种非圆磨削工件，其加工余量大，且材料难磨，对磨削精度和生产效率要求都很高，工作难度比较大，不能满足现在汽车工业快速发展的需要。 1.2 1.2 凸轮轴磨削技术发展概述 1.3 1.2.1 传统凸轮轴磨削加工方法 磨削是用有磨粒的工具对工件进行加工的方法。作为一种重要的精加工方法 ，在机械制造业中占有极其重要的地位。普通的磨削方法也同时存在效率低、使用价格昂贵等不足之处，这极大的阻碍了磨削的发展，限制了磨削的应用范围。但是磨削同其他的加工方法相比，具有加工精度高、获得的表面质量好等优点。传统的凸轮轴磨削加工方法采用的是机械仿形法，
11、其加工原理如图 1.2.1 所示。凸轮（工件）和靠模固定装配在一起，绕头架主轴中心 O 同步回转，在靠模的驱动下，摇架以及装在摇架上的工件和靠模均绕摆动中心 1O 作往 复摆动，砂轮作切入运动，回转和摆动两个运动合成，生成了凸轮的型面 1 。 7 图 1.2.1 仿形凸轮轴磨床的工作原理 1-靠模； 2-工件； 3-砂轮； 4-摇架； 5-导轮 凸轮轴由于表面轮廓型线复杂，对磨削精度和生产效率要求都很高。传统的凸轮轴磨削加工方法基本上都是采用砂轮加上靠模仿形的磨削工艺完成加工制作的，然而传统的加工凸轮轴方法还存在如下一些问题： 1 当采用靠模加工方法，由于靠模制造精度的影响，以及动态补偿措施的
12、落后，使 得凸轮型线的精度很难达到高精度要求。 2 采用普通砂轮进行磨削加工，因为在磨削的过程中砂轮的径向磨损使得砂轮半径随着加工过程在不断减小，而且会随着加工时间减小的越来越多，这就使得理论计算的磨削点和实际磨削点的位置造成偏差，从而就很难保证凸轮轴零件的型线加工精度； 3 靠模制造困难，想要制造高精度凸轮轴就必须要有高精度的靠模样板，故需要更高精度的数控坐标磨床才能加工出来。而当零件变更时，就必须重新制造靠模样板，这样就使得产品改型周期长，这样以来就难以保证 多品种、小批量零件加工的高效率和高柔性要求； 4 经过长期加工后，靠模容易磨损，加工的时候，靠模的尺寸发生变化，这样便会影响零件的加
13、工质量，并且难以实现高速加工。 5 综合经济效益不高，普通砂轮的耐用度和使用寿命低，需要频繁修正或更换，使得修正工具加快损耗，辅助时间和劳动强度大大增加，既影响生产效率又增加生产成本。此外，砂轮用量大，其质量波动也形象了磨削工艺的稳定性。 8 随着数控技术的发展，磨削点恒线速运动的磨削原理在仿形凸轮轴磨床上得到了应用，数控仿形 凸轮轴磨床仍然是凸轮轴磨削加工的主要设备。 仿形凸轮轴磨床价格低廉，应用广泛，但是磨削精度受到靠模精度的限制，凸轮轮廓磨削精度很难提高，只能应用在精度要求不高的场合。更不方便的是，在加工不同类型的凸轮轴时，必须根据每个凸轮轴的数据制作专用的靠模，大大增加了辅助时间和劳动
14、强度，安装调试也比较麻烦。 1.3.1 1.2.2 切点跟踪法磨削凸轮轴 它的工作原理就是通过控制工件的旋转运动（ C 轴）和砂轮横向进给运动（ X 轴），使砂轮外圆与工件的被加工表面轮廓始终相切，并且使切削厚度始终相同，从而实现偏心圆和非圆表面的加工。切点跟 踪法主要用于汽车发动机凸轮轴零件的加工高精度、高效率和高柔性是磨削加工永恒的研究主题，引导着切点跟踪磨削法的研究方向和发展趋势 切削点跟踪磨削是随着磨削技术和数控技术（特别是伺服驱动和控制技术）的发展而出现的一种新型工序集中式磨削加工方法，切点跟踪磨削也叫随动磨削。 如图 1.2.2 所示是凸轮轴磨削的装置简图，工件 1 轴向夹持在头架
15、 2与尾架 3之间，或是夹紧在头架卡盘中。为了防止细长工件在磨削过程中由于磨削力的作用而产生弯曲变形，工件可被支撑在中心架 4 上， C 轴的旋转运动通过夹具 5传递到工件上。 Z轴为工作台相对砂轮 6的纵向运动。 9 图 1.2.2 凸轮轴磨削的装置简图 切点跟踪磨削方法克服了现有凸轮轴类零件磨削方式的缺点，在一台磨床上，一次装夹就能完成凸轮轴的磨削，可以消除因为两次装夹而产生的定位误差，更容易保证加工精度，极大的减少了辅助时间。对不同的型号的凸轮轴，又不必设计专用的偏心夹具，只要重新设定相应的几何参数即可。由切点跟踪磨削法的数学模型生成相应的数控加工代码，便可实现磨削的柔性加工，切点跟踪磨
16、削法具有高精度、高柔性和高效率的特点。 1.4 1.3 凸轮轴磨床的发展现状及发展趋势 1.4.1 1.3.1 国外凸轮轴磨床的 发展状况 随着科学技术的迅猛发展，机床朝着工序集中化、自动化突进。凸轮轴磨床也不例外。在各种金属切削机床中，磨床的 NC 和 CNC 进展较慢，80 年代初欧美及日本先后开发 CNC 控制的无靠模凸轮轴磨床， 90 年代初开始逐渐商品化。国外较典型的机型有：德国 Schaudlt 公司 CF5 型 CNC磨床， Fourtuna、 Werke 公司 FN3CNC 磨床，英国 Bueler Newall 公司Camtrinic 型 CNC磨床，日本 3LCNC磨床等等
17、。 现在以英国 Landeis 公司产的价值 50 多万美元的数控凸轮轴磨床为例说明。此磨床的纵向 Z 轴、横向 X轴、工件回转 C 轴的运动都有数控系统控制，凸轮的形状是由 X 轴控制的砂轮头架的行程和由 C 轴控制的工件10 回转角度，两者插补后，在砂轮和工件的接触处产生所需的凸轮形状，并通过 Z 轴将各个凸轮一次移到砂轮所在位置进行磨削加工。该机床有很高的静态和动态稳定性，在 X 轴线（砂轮头架滑板）上采用无爬行的预紧滚柱导轮；在 Z轴线（纵向工作台）上采用表面涂塑料的导轨，同时采用精密滚柱丝杠及高分辨率的位移测量系统。上述装置使 X 轴和 Z 轴导轨获得很高的位置精度和重复精度、高刚性
18、、低摩擦系数以及很好的减震性能。在各轴的传动中采用精 度高、刚度高、寿命长、有很高的动力性能而又不需要维修的三相直流伺服电机驱动。采用一个频率发生器能在砂轮直径改变时使圆周线速度保持不变。同时机床还具有多处理机数控系统，硬件是组合式的多处理机轨迹控制装置，包括微型计算机和可编程序控制器 PC或群控系统 DNC连接装置。用户软件是为所磨削的凸轮编制计算程序的操作软件。工件程序输入是通过微机磁盘读入，它包含所有生产工件的集合参数，通过微型计算机完成对加工循环的监控、指令的编排以及砂轮半径每减小 5毫米时工件程序的自动修正。通过群控系统 DNC接口机床的控制可与一台中央计算 机相连接，能传送数据程序
19、、加工参数、工具数据及反馈机床和工具状态。计算机数控系统承担全部信息和数据整理、加工和传递。此凸轮轴磨床集精密、柔性、高效于一身，使凸轮轴磨削精加工提高到一个新的水准 4 。 1.4.2 1.3.2 国内凸轮轴磨床的发展状况 相比之下，国内数控凸轮轴磨床起步较晚，欠缺投入，因而发展较国外来说慢了很多，但也取得了一些成就。比如湖南大学高校磨削技术工程研究中心经过几十年艰苦研究，研制出了一代代先进的凸轮轴磨床。 80年代初，湖南大学研制了 MXBS8312A 型微机控制高速凸轮轴磨床，该磨床采用传统的样板、导轮磨制成型面，并通过电器加数显装置实现机床自动控制。通过手动输入的方式对机床横向进给机构及砂轮修整进给实行开环数字程序控制，用定程磨削的方式来保证零件的加工精度，机床具有单循环、双循环两周磨削方式。 其后湖南大学又在 MXBS8312A 型微机控制高速凸轮轴磨床的基础上研发了 MKS8312 数控高速凸轮轴磨床。该磨床的最大特点是工件头架能“四点恒线速”变速旋转。由于当时硬件水平限制，还无法实现各点恒线速度。这两种磨床较液压、机械半自动磨床具有操作简便、调整维修 方便、加工精度较好、生产效率及自动化程度较高等优点，但仍属于靠模式凸轮轴磨床，因而无法克服靠模式凸轮轴磨床的原理性缺陷。
