四缸发动机凸轮轴毕业设计样本.docx
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四缸发动机凸轮轴毕业设计样本
附件八：
武汉纺织大学
毕业设计（论文）
课题名称：
四缸发动机凸轮轴工艺设计
完毕期限：
12月1日至5月30日
院系名称机械工程与自动化学院指引教师徐巧
专业班级机设073指引教师职称讲师
学生姓名向冲
院系毕业设计（论文）工作领导小组组长签字
摘要
凸轮轴作为汽车发动机配气机构中核心部件，其性能直接影响着发动机整体性能。
因而凸轮轴加工工艺有特殊规定，合理加工工艺对于减少加工成本、减少生产环节以及合理布置凸轮轴生产线具备很大现实意义。
本文针对凸轮轴加工特点，结合工厂实际，从前期规划开始，对凸轮轴加工工艺进行了进一步分析、研究。
对凸轮廓形进行计算和推倒，对凸轮轮廓加工进行了探讨并提出合用于发动机凸轮轴加工办法。
凸轮轴对其工作规定、某些精度较高，如轴上油孔加工、法兰盘孔加工等。
凸轮轴工艺过程，咱们尽量做到清晰明了，在保证表达清晰基本上，尽量做到简洁。
凸轮轴是轴类零件中比较复杂一种曲轴，而在磨削加工方面，凸轮轴也是比较难以加工轴，这种轴类零件加工办法普通都是大同小异。
凸轮轴加工普通是先通过车床车削加工，制成半成品；然后通过相应热解决；再就是对凸轮轴各某些磨削加工；最后就是通过有关工序解决和检查合格后就可以入库了。
核心词：
四缸发动机；凸轮轴；加工工艺
ABSTRACT
CamshaftEngineValveasakeycomponentinitsperformancedirectlyaffectstheoverallperformanceoftheengine.Therefore，theprocessingtechnologycamshafthasspecificrequirementsforareasonableprocesstoreduceprocessingcosts，reduceproductionprocessesandtherationalarrangementofthecamshaftproductionlineofgreatpracticalsignificance.Inthispaper，theprocessingcharacteristicsofthecamshaft，withtheactualplant，startingfromthepre-planning，onthecamshaftoftheprocessconductedin-depthanalysisandresearch.Convexcontourshapeofcalculatedandpulleddowntheprocessingofthecamprofilearediscussedandmadeapplicabletotheprocessingmethodoftheenginecamshaft.Camshaftitsworkrequirements，somehighprecision，suchastheaxisoftheholeoftheprocess，theflangeholeprocessing.Camshaftprocess，wehaveclarityasfaraspossible，inensuringthebasisofclear，conciseandasfaraspossible.Camshaftofthemorecomplexisacrankshaft，andinthegrinding，thecamshaftisrelativelyhardtoprocess，thisshaftpartsaregenerallysimilartothoseofprocessingmethods.Camshaftaftertheprocessingisgenerallythefirstturninglathe，madeofsemi-finishedproducts；andthenafterappropriatetreatment；thentherearethevariouspartsofthecamshaftgrinding；thelastisthroughtherelevantprocessesforhandlingandstorageafterinspectionthe.
Keywords：
Four-cylinderengine；Camshaft；Processing
1．绪论
1．1课题意义和背景
在当代社会，汽车是人们生活出行最普通而快捷交通工具，而发动机是汽车心脏，其性能对汽车整车性能有决定性影响。
凸轮轴是活塞发动机里一种必不可少部件，凸轮轴（camshaft）定义：
装有一种或各种凸轮轴。
凸轮轴是活塞发动机里一种部件。
它作用是控制气门启动和闭合动作。
虽然在四冲程发动机里凸轮轴转速是曲轴一半（在二冲程发动机中凸轮轴转速与曲轴相似），但是普通它转速依然很高，并且需要承受很大扭矩，因而设计中对凸轮轴在强度和支撑方面规定很高，其材质普通是特种铸铁，偶尔也有采用锻件。
由于气门运动规律关系到一台发动机动力和运转特性，因而凸轮轴设计在发动机设计过程中占据着十分重要地位。
1．2凸轮轴工艺设计发呈现状
当前，国内多数轿车主机厂凸轮轴生产线和专业生产凸轮轴厂家均引进了CBN磨削技术，但仍有诸多载重汽车、柴油机和摩托车发动机凸轮依然采用老式刚玉砂轮、靠模仿形磨削工艺。
粗磨工序使用是国产中低速磨床（35m/s如下），精磨工序某些厂家使用进口磨床，但使用速度均在60m/s如下，修整工具以单点金刚石笔居多，进口磨床和少数国产磨床采用金刚石滚轮修整。
当前，大某些发动机制造公司都采用整体式凸轮轴，其材料有采用中碳低合金锻钢（经高频淬火），有采用球墨铸铁。
整体式凸轮轴加工工艺涉及粗加工、半精加工和精加工。
生产中采用自动线多工位机床，设备投资较大，生产线占地面积多，生产成本较高。
而装配式凸轮轴只需半精加工和精加工，凸轮、齿轮、轴套可采用不同材料，因而产品质量可减轻30％~50％；可柔性化生产，设备投资小，生产线占地面积少，生产成本较低。
1．3本文研究内容
本文重要环绕凸轮轴工艺分析设计，从前期选材、凸轮和凸轮轴理论计算、工艺设计这几种方面，阐述了凸轮轴加工一套设计思路和办法，对发动机制造业中零部件加工具备重要参照作用。
2．发动机配气机构原理简介
2．1配气机构构成和工作过程
配气机构由气门组和气门传动组构成。
气门组用来封闭气缸进、排气道口；气门传动组使气门打开和控制启动与关闭时刻及启动与关闭规律。
如图所示为一种典型配气机构构造。
气门组重要涉及气门、气门导管、气门弹簧、气门弹簧座等。
气门传动组重要由凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂轴、摇臂及气门间隙调节螺钉等构成。
图2-1链传动配气机构
1—挺柱；2—推杆；3—摇臂轴总成；4—凸轮轴；5—曲轴；6—链条
配气机构工作过程：
凸轮轴4转动时,当凸轮圆柱面（基圆）某些与挺柱1接触时,挺柱1不升高,挺柱1以上传动件不动作,气门是关闭。
当凸轮凸起某些与挺柱1接触时,便开始将挺柱1顶起,于是气门被打开。
当凸轮最大凸起处与挺柱1接触时,气门达到最大开度。
随后,凸轮与挺柱1接触表面凸起开始逐渐变小,气门在气门弹簧作用下开始上升关闭,并反向推动摇臂等传动杆件,使挺柱1下压保持与凸轮接触。
当凸轮凸起某些离开挺柱1时,气门完全关闭。
2．2活塞在气缸内四个冲程
活塞顶部在曲轴旋转中心最远位置叫上死点、近来位置叫下死点、从上死点到下死点距离叫活塞冲程。
活塞式航空发动机大多是四冲程发动机，即一种气缸完毕一种工作循环，活塞在气缸内要通过四个冲程，依次是进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。
如图所示：
图2-2
发动机开始工作时，一方面进入“进气冲程”，气缸头上进气门打开，排气门关闭，活塞从上死点向下滑动到下死点为止，气缸内容积逐渐增大，气压减少——低于外面大气压。
于是新鲜汽油和空气混合气体，通过打开进气门被吸入气缸内。
混合气体中汽油和空气比例，普通是1比15即燃烧一公斤汽油需要15公斤空气。
进气冲程完毕后，开始了第二冲程，即“压缩冲程”。
这时曲轴靠惯性作用继续旋转，把活塞由下死点向上推动。
这时进气门也同排气门同样严密关闭。
气缸内容积逐渐减少，混合气体受到活塞强烈压缩。
当活塞运动到上死点时，混合气体被压缩在上死点和气缸头之间小空间内。
这个小空间叫作“燃烧室”。
这时混合气体压强加到十个大气压。
温度也增长到摄氏4OO度左右。
压缩是为了更好地运用汽油燃烧时产生热量，使限制在燃烧室这个小小空间里混合气体压强大大提高，以便增长它燃烧后做功能力。
当活塞处在下死点时，气缸内容积最大，在上死点时容积最小（后者也是燃烧室容积）。
混合气体被压缩限度，可以用这两个容积比值来衡量。
这个比值叫“压缩比”。
活塞航空发动机压缩比大概是5到8，压缩比越大，气体被压缩得越厉害，发动机产生功率也就越大。
压缩冲程之后是“工作冲程”，也是第三个冲程。
在压缩冲程快结束，活塞接近上死点时，气缸头上火花塞通过高压电产生了电火花，将混合气体点燃，燃烧时间很短，大概0.015秒；但是速度不久，大概达到每秒30米。
气体剧烈膨胀，压强急剧增高，可达6O到75个大气压，燃烧气体温度到摄氏到250O度。
燃烧时，局部温度也许达到三、四千度，燃气加到活塞上冲击力可达15吨。
活塞在燃气强大压力作用下，向下死点迅速运动，推动连杆也门下跑，连杆便带动曲轴转起来了。
这个冲程是使发动机可以工作而获得动力唯一冲程。
别的三个冲程都是为这个冲程作准备。
第四个冲程是“排气冲程”。
工作冲程结束后，由于惯性，曲轴继续旋转，使活塞由下死点向上死点运动。
这时进气门仍旧关闭，而排气门大开，燃烧后废气便通过排气门向外排出。
当活塞到达上死点时，绝大某些废气已被排出。
然后排气门关闭，进气门打开，活塞又从上死点下行，开始了新一次循环。
从进气冲程吸入新鲜混合气体起，到排气冲程排出废气止，汽油热能通过燃烧转化为推动活塞运动机械能，带动螺旋桨旋转而作功，这一总过程叫做一种“循环”。
这是一种周而复始运动。
由于其中包括着热能到机械能转化，因此又叫“热循环”。
3．凸轮轴设计
3．1凸轮轴功用
凸轮轴是机车发动机上一种重要零件，它对各气缸进、排气门启动和关闭起控制作用，同步，还用来驱动分电器，汽油泵等辅助装置。
3．2凸轮轴构造特点和技术规定
各种发动机凸轮轴构造基本差不多，重要差别是凸轮轴数量、形状和位置不同，其中以四缸、六缸、八缸发动机凸轮轴用最多。
就凸轮轴构造特点而言，其形状复杂，长径比大，工件刚性较差。
3．3各种凸轮轴技术规定
1）支承轴颈尺寸精度及各支承轴颈间同轴度。
2）止推面对于支承轴线垂直度。
3）凸轮轴基面尺寸精度和相对于支承轴颈轴线同轴度。
4）凸轮位置精度。
5）凸轮形状精度。
3．4生产类型拟定
依照设计任务书所给定原始资料来拟定生产类型。
设计任务书给出资料显示并按车间工作状况及工件重量可知，按产量可分单位生产、小批量生产、中批量生产及大批量生产。
由《金属机械加工工艺人员手册》表15-5查零件重48KG<100KG，且年产量为3000件，属于中批量生产。
依照该生产特性可以初步拟定零件机械加工工艺过程，由于中批量生产，普通采用高效机床和专用机床；对刀具普通采用通用刀具，也可以依照工厂实际状况采用专用刀具；量具采用专用量具；夹具使用专用夹具及辅助夹具来提高生产率，同步节约了人力、物力，达到经济可行目。
3．5凸轮轴凸轮形状设计
1）进气凸轮升程（回程）设计
将进气凸轮升程（回程）定为10.21156mm,基圆直径取为46.5mm。
依照教材《机械原理》第七版中第九章凸轮机构及其设计第二节推杆运动规律，可拟定本课题中推杆为正弦加速度运动，由于是为了避免推杆在运动中发生冲击，不但如此，发动机中轴运动速度较高，均有柔性冲击，而正弦加速度运动，由于没有加速度突变现象，不存在柔性冲击，具备较好运动性能，因而可在高速下应用。
依照《机械原理》第三节《凸轮轮廓曲线设计》凸轮轮廓曲线设计办法是解析法，凸轮廓线设计办法基本原理是反转法，在由于是正弦加速度运动，升程（回程）值为10.21156mm可作出推杆运动轨迹图3-1。
凸轮推杆升程（回程）详细数据如下表3-1。
图3-1
公式（3-1）
公式（3-2）
公式（3-3）
（
为推程运动角，
为回程运动角）；
公式（3-4）
令
，
得
公式（3-5）
式中位移
应当分段计算
a．推程阶段
公式（3-6）
；
b.回程阶段
公式（3-7）
取计算间隔为5度，将以上各相应值带入公式计算凸轮轮廓上各点坐标值。
详细数据见下表：
表3-1
角度Ъ（单位：
度）
位移x（单位：
毫米）
位移y（单位：
毫米）
0
0
23．25
5
2．026
23．162
10
4．037
22．897
15
6．018
22．458
20
7．952
21．848
25
9．826
21．072
30
11．625
20．135
35
13．336
19．045
40
14．945
17．811
45
16．44
16．44
50
17．811
14．945
60
20．135
11．625
70
21．848
7．952
80
22．897
4．037
90
23．25
0
100
22．985
-4.053
110
22.475
-8.18
120
21.863
-12.623
130
20.861
-17.505
140
18.949
-22.582
150
15.733
-27.25
160
11.218
-30.815
170
5.795
-32.865
180
0
-33.46156
185
-2.915
-33.323
190
-5.795
-32.865
195
-8.584
-32.038
200
-11.218
-30.815
205
-13.619
-29.207
210
-15.733
-27.25
215
-17.514
-25.013
220
-18.949
-22.582
225
-20.051
-20.051
230
-20.861
-17.505
240
-21.863
-12.623
250
-22.475
-8.18
260
-22．985
-4.053
270
-23．25
0
280
-22.897
4.037
290
-21.848
7.952
300
-20.135
11.625
310
-17.811
14.945
320
-14.945
17.811
330
-11.625
20.135
340
-7.952
21.848
350
-4.037
22.897
360
0
23.25
凸轮轮廓曲线如图所示：
图3-2
2）排气凸轮升程（回程）设计
依照进气凸轮选定办法，基圆同样定位46.5，升程（回程）10.20992mm。
其她与进气凸轮类似取定。
其推杆运动轨迹：
图3-3
数据计算公式同进气凸轮推杆公式计算相似，计算成果如下表所示：
表3-2
角度Ъ（单位：
度）
位移x（单位：
毫米）
位移y（单位：
毫米）
0
0
23．25
5
2．026
23．162
10
4．037
22．897
15
6．018
22．458
20
7．952
21．848
25
9．826
21．072
30
11．625
20．135
35
13．336
19．045
40
14．945
17．811
45
16．44
16．44
50
17．811
14．945
60
20．135
11．625
70
21．848
7．952
80
22．897
4．037
90
23．25
0
100
22．985
-4.053
110
22.475
-8.18
120
21.863
-12.623
130
20.861
-17.505
140
18.949
-22.582
150
15.733
-27.25
160
11.218
-30.815
170
5.795
-32.865
180
0
-33.45992
190
-5.795
-32.865
200
-11.218
-30.815
210
-15.733
-27.25
220
-18.949
-22.582
230
-20.861
-17.505
240
-21.863
-12.623
250
-22.475
-8.18
260
-22．985
-4.053
270
-23．25
0
280
-22.897
4.037
290
-21.848
7.952
300
-20.135
11.625
310
-17.811
14.945
320
-14.945
17.811
330
-11.625
20.135
340
-7.952
21.848
350
-4.037
22.897
360
0
23.25
凸轮轮廓曲线如图所示：
图3-4
3）凸轮宽度
依照凸轮轴长度，这8个凸轮宽度取定为16.8mm。
4）进气凸轮径向位置（进气凸轮桃尖之间夹角）
依照曲轴连杆颈位置，每相邻进气凸轮之间夹角角度为90o。
5）排气凸轮径向位置（排气凸轮桃尖之间夹角）
排气凸轮桃尖之间夹角拟定与进气凸轮桃尖之间夹角拟定办法相似，夹角为90o。
6）相邻进气凸轮与排气凸轮之间夹角拟定
相邻进气凸轮与排气凸轮（桃尖）之间夹角为72.5o（在工厂实验室实验得出，这重要由于要使汽缸中排气与进气过程有序进行，不能使曲轴上连杆颈在同一种位置受两方向力，通过多次实验得出夹角为72.5o）。
3．6凸轮轴材料选定
在制定工艺规程时，对的选取毛坯具备重要意义。
它不但影响毛坯制造工艺设备及制造费用，还影响零件机加工工艺，设备和刀具消耗及工时订额。
对的选用毛坯需要毛坯制造和机加工工艺人员紧密配合，兼顾冷热加工两个方面规定。
由于发动机工作时，凸轮轴承受气门启动周期性冲击载荷。
因此，规定凸轮轴和支承轴颈表面应耐磨，凸轮轴自身应具备足够韧性和刚性。
为此，凸轮轴重要工作表面需经热解决。
由于凸轮轴在加工时需要较强加工性和经济性,并且对它硬度也有较大规定,因而选定凸轮轴材料为20Cr。
3．7凸轮轴数据选定
1）支承轴颈
两个支承轴颈外圆尺寸φ80mm表面粗糙度Ra≤0.4μm.。
2）凸轮
1，2，4，5位凸轮基圆尺寸R50±0.2，3，6位凸轮基圆尺寸R45±0.02，表面粗糙度Ra≤0.8μm。
3）法兰盘孔
左右法兰盘孔尺寸为φ6.3mm。
4）轴上油壁孔
轴上油壁孔尺寸为φ8mm。
3．8凸轮轴直径和长度选定
本课题所要设计发动机为四汽缸,长度及直径数据初步取定为：
凸轮轴长度取723mm，直径取为80mm。
3．9凸轮轴构造设计
安装带轮处直径为50.8mm，带轮轮毂取25mm，因而此处宽度略短于轮毂宽度，取24.67mm，轴肩直径为55.88mm，宽度为4.83mm。
如下图：
图3-5
详细数据见凸轮轴零件图。
4．凸轮轴工艺性分析
4．1定位基准选取
定位基准有粗基准和精基准之分。
工件加工第一道工序或最初几道工序中，只能用毛坯上未经加工表面作为定位基准，这种定位基准称为粗精准。
在后来工序中则使用通过加工表面作为定位基准，这种基准称为精基准。
粗基准选取：
1）合理分派加工余量原则；
2）保证零件加工表面相对于不加工表面具备一定位置精度原则；
3）便于装夹原则；
4）粗基准普通不得重复使用原则。
精基准选取：
1）“基准重叠”原则；
2）“基准统一”原则；
3）“互为基准”原则；
4）“自为基准”原则。
对于普通轴类零件来说，其轴线即为它设计基准。
发动机凸轮轴遵循这一设计基准，由于凸轮轴各表面加工难以在一次装夹中完毕，因而，减小工件在多次装夹中定位误差，就成为保证凸轮轴加工精度核心。
本文采用两顶尖孔作为轴类零件定位基准，这不但避免了工件在多次装夹中因定位基准转换而引起定位误差，也可作为后续工序定位基准，即符合“基准统一”原则。
这种办法不但使工件装夹以便、可靠。
简化了工艺规程制定工作，使各工序所使用夹具构造相似或相近，从而减少了设计、制造夹具时间和费用，并且有也许在一次装夹中加工出更多表面。
这对于大量生产来说，不但便于采用高效专用机床和设备以提高生产效率，并且也使得所加工各表面之间具备较高互相位置精度。
4．2表面加工办法选取
1）加工办法选取环节是一方面拟定被加工零件重要表面最后加工办法，然后依次向前选定各预备工序加工办法。
2）在被加工零件各表面加工办法分别初步选定后，还应综合考虑为保证各加工表面位置精度规定而采用工艺办法。
3）一种零件普通是由许多表面所构成，但各个表面几何性质不外乎是外圆、孔、平面及各种成形表面等，因而，熟悉和掌握这些典型表面各种加工方案对制定零件加工工艺过程是十分必要。
4．3加工阶段划分和工序顺序安排
由于凸轮轴加工精度较高，整个加工不也许在一种工序内全不完毕。
为了利于逐渐地达到加工规定，因此把整个工艺过程划分为三个阶段，以完毕各个不同加工阶段目和任务。
发动机凸轮轴加工三个阶段：
1）粗加工阶段涉及车各支承轴颈和粗磨凸轮。
该阶段规定机床刚性好，切削用量选取尽量大，以便以提高生产率切除大某些加工余量。
2）半精加工是精车各支承轴颈。
3）精加工涉及精磨各支承轴颈、止推面和凸轮加工。
该阶段加工余量和切削量小，加工精度高。
加工顺序安排与零件质量规定关于，工序安排与否合理，对于凸轮轴加工质量、生产率和经济性均有很大影响。
对于各支承轴颈是按粗车——精车——精磨加工，对于凸轮是按粗磨——精磨加工，各表面加工顺序按从粗到精、且重要表面与次要表面加工工序互相交叉进行，从整体上说，符合“先粗后精”加工原则。
4．4热解决工序安排
1）预备热解决：
退火与正火，普通安排在粗加工之前；调质，由于调质能得到组织细致均匀回火索氏体，因此有时也用作预备热解决，但普通在粗加工后来进行。
2）最后热解决：
由于调质零件不但有一定强度和硬度，尚有良好冲击韧性，综合机械性能较好，因而，调质解决还常作为最后热解决，普通安排在精加工之迈进行；淬火，可分为整体淬火和表面淬火两种，常安排在精加工之迈进行；渗碳淬火，对于低碳钢或低碳合金钢零件，当规定表面硬度高而内部韧性好时，可采用表面渗碳淬火；氮化解决，采用氮化工艺可以获得比渗碳淬火更高表面硬度和耐磨性、更高疲
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