16V265H型柴油機(jī)凸輪軸制造工藝研究

王 亮

（天津電力機(jī)車有限公司制造部，天津 300452）

16V265H型柴油機(jī)凸輪軸制造工藝研究

王 亮

（天津電力機(jī)車有限公司制造部，天津 300452）

凸輪軸是16V265型柴油機(jī)的重要部件，直接影響到燃燒室氣門的開合時(shí)間及順序和控制噴油泵的動(dòng)作，高質(zhì)量的完成凸輪軸加工和組裝任務(wù)是保證柴油機(jī)正常運(yùn)行的前提。論文主要討論比較經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的凸輪軸加工工藝流程，使之在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，達(dá)到既節(jié)省加工時(shí)間又降低勞動(dòng)強(qiáng)度；同時(shí)充分挖掘生產(chǎn)實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)，確保關(guān)鍵工序加工的精度，設(shè)計(jì)了新模式組裝工藝方案：保證了整根凸輪軸具有良好的機(jī)械性能和動(dòng)力性能，為其它凸輪軸加工提供了良好的借鑒。

凸輪軸；加工工藝；組裝工藝；光整技術(shù)

1　加工工藝流程

16V265H型柴油機(jī)凸輪軸技術(shù)要求較高（見圖1），如何保證凸輪軸的技術(shù)要求以及加工精度是制約柴油機(jī)生產(chǎn)的關(guān)鍵。該凸輪軸是由4個(gè)單節(jié)組裝而成，每個(gè)單節(jié)負(fù)責(zé)兩個(gè)氣缸的進(jìn)氣、排氣和供油，因此結(jié)構(gòu)緊湊，強(qiáng)度要求較高，凸輪軸的材料為20CrMnTi?，F(xiàn)以其中一個(gè)單節(jié)的機(jī)加工工藝為例，介紹整個(gè)工藝流程。根據(jù)加工工藝過程卡片，16V265H型柴油機(jī)凸輪軸加工工藝過程涉及30多道工序，現(xiàn)只介紹重要工序。

圖1　單節(jié)凸輪軸

1.1粗車

具體尺寸見圖2。此道工序的重點(diǎn)內(nèi)容就是進(jìn)行粗車，確定加工余量，雖然尺寸要求公差不是特別嚴(yán)格，但為了保證以后凸輪軸的加工，此工序確實(shí)起到了關(guān)鍵作用，尤其是后續(xù)的熱處理工藝過程較關(guān)鍵，因此在配氣槽及供油槽基圓加工余量確定以及各個(gè)槽間距的尺寸確定都進(jìn)行了綜合考慮。

圖2　粗車圖

1.2銑凸輪

具體尺寸見圖3。此道工序的重點(diǎn)內(nèi)容就是粗銑凸輪，因?yàn)楹罄m(xù)有淬火過程，因此在加工余量上留取2mm左右的加工余量，保證淬火層深度以及精磨后凸輪表面有足夠的硬度。此工序是在加工精度較高的M40車銑加工中心上完成的，具體加工數(shù)控程序如下（部分節(jié)選）。

圖3　銑凸輪

1.3精車

具體尺寸見圖4。此道工序是整個(gè)凸輪軸加工過程中承上啟下的工序，主要過程為加工總長(zhǎng)及兩端外圓和兩段軸頸，單節(jié)凸輪軸的總長(zhǎng)是要嚴(yán)格控制的，因?yàn)樵诓裼蜋C(jī)總組裝過程中，單節(jié)總長(zhǎng)公差過大會(huì)導(dǎo)致整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)（或稱動(dòng)力組單元）在總成時(shí)氣門頂桿、導(dǎo)塊、滾輪等部件發(fā)生干涉，因此在精車過程就應(yīng)該嚴(yán)格控制總長(zhǎng)尺寸。而兩端外圓和兩段軸頸尺寸的嚴(yán)格控制是為了保證后續(xù)加工過程有一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確的精基準(zhǔn)，尤其是軸頸尺寸。

圖4　精車圖

1.4精磨兩端法蘭及軸頸

這是整個(gè)凸輪軸加工工藝的重中之重，是整個(gè)工藝過程的核心，直接影響凸輪軸的加工和組裝質(zhì)量，可以歸納為加工兩端法蘭孔和精磨軸頸、端面及凸輪。由于加工兩端法蘭孔和精磨凸輪將會(huì)在關(guān)鍵工序中論述，在這里只對(duì)精磨軸頸、端面兩道工序進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述。

圖5　磨軸頸

由圖5，可以看出精磨軸頸及端面的基本特點(diǎn)是，精度高，尺寸公差及形位公差要求嚴(yán)格，因此對(duì)之前的加工兩端法蘭孔和修中心孔工序要求比較嚴(yán)格。凸輪軸在磨削軸頸的時(shí)候需要對(duì)磨床及砂輪進(jìn)行嚴(yán)格的控制。如果切削力過大，轉(zhuǎn)速過快，將會(huì)造成磨削裂紋；而切削力過小，轉(zhuǎn)速過慢，又會(huì)造成凸輪軸精度達(dá)不到要求等問題。

2　關(guān)鍵加工工序

2.1法蘭孔的加工

單節(jié)凸輪軸應(yīng)具備互換性，因此法蘭孔的精度要求非常高（見圖6），兩端法蘭各孔相對(duì)中心的位置度小于0.0127mm，兩端法蘭相對(duì)應(yīng)孔位置度小于0.025mm。精度達(dá)不到要求將直接影響到凸輪軸組裝，導(dǎo)致凸輪軸頸跳動(dòng)、相位角誤差增大。同時(shí)在柴油機(jī)運(yùn)行過程中，位置度過大，將會(huì)使連接螺栓疲勞斷裂，造成重大危害。通過上述分析，要保證位置度0.025mm的尺寸是非常困難的，需要采用臥式加工中心進(jìn)行加工，同時(shí)對(duì)刀具、胎具的使用需有嚴(yán)格的技術(shù)要求。因此，設(shè)計(jì)一套具有嚴(yán)謹(jǐn)結(jié)構(gòu)的高精度的固定胎具是保證加工順利進(jìn)行的必要條件。

圖7為法蘭孔加工胎具簡(jiǎn)圖，胎具由一塊基礎(chǔ)板、兩塊V型鐵、一個(gè)固定擋板（兼做鉆模板）和一個(gè)可調(diào)擋板（兼做鉆模板）、以及若干壓板組成。凸輪軸不能采用徑向壓緊方式，因?yàn)閴壕o力過大，會(huì)產(chǎn)生徑向變形，導(dǎo)致壓緊力釋放后，工件精度產(chǎn)生變化。所以只有采用軸向壓緊方式，才能有效解決變形問題。

圖6　法蘭孔加工圖

在加工過程中，由于鉆頭會(huì)隨著加工深度的增加而產(chǎn)生擺動(dòng)，因此利用固定擋板和可調(diào)擋板的位置，使之兼有鉆模板的功能，凸輪軸在鉆法蘭孔過程中，利用鉆模板對(duì)鉆頭具有導(dǎo)向功能，從而保證加工位置精度。

胎具的具體使用過程如下：①將胎具擺放到加工中心工作臺(tái)上，通過百分表找正，使之相關(guān)平面與加工中心刀頭保持垂直，并將胎具基礎(chǔ)板壓緊在加工中心工作臺(tái)上②將凸輪軸擺放到胎具的V型鐵上，凸輪軸大端靠近在固定擋板端面，可調(diào)擋板靠緊凸輪軸另一端③使用百分表對(duì)凸輪軸軸頸找平，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪軸，使其B位供油凸輪（見圖1）在最高點(diǎn)，再進(jìn)行對(duì)刀并回零，兩側(cè)壓板預(yù)緊④兩側(cè)壓板緊固，同時(shí)根據(jù)百分表測(cè)量凸輪軸軸頸跳動(dòng)及B位供油凸輪最高點(diǎn)的變化量進(jìn)行調(diào)整，上壓板適當(dāng)緊固即可⑤輸入程序，機(jī)床加工。通過以上的胎具設(shè)計(jì)以及嚴(yán)格的操作規(guī)程，保證了凸輪軸法蘭孔的加工位置精度，為凸輪軸后續(xù)工序的加工任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。

圖7　胎具簡(jiǎn)圖

2.2凸輪加工

凸輪加工主要分為四個(gè)步驟：①凸輪的粗銑在熱處理之前進(jìn)行，對(duì)工件質(zhì)量的影響不大。②凸輪的精銑主要減小加工余量。③磨支撐軸頸及法蘭端面。④磨凸輪型面。

粗銑凸輪主要是為了保證滲碳深度3mm。精銑凸輪主要是在M40車銑加工中心上完成，這樣保證凸輪的同軸度及法蘭孔的位置度。磨支撐軸頸及法蘭端面以及磨凸輪型面都是依靠高精度的法蘭孔作為基準(zhǔn)進(jìn)行加工（見圖8）。

圖8　凸輪加工圖

經(jīng)過車銑加工中心粗銑和精銑過的凸輪，其型線精度高，留磨量lmm，可以省去粗磨凸輪工序，直接在數(shù)控凸輪磨床上進(jìn)行精磨，既節(jié)省了加工時(shí)間又保證了凸輪型線升程誤差。

凸輪磨削是凸輪軸加工的最后一道工序。以往采用仿形加工，加工精度低，每個(gè)凸輪的升程超差點(diǎn)數(shù)都超過15個(gè)以上，超差值最大達(dá)到0.1mm以上，造成凸輪型線失真，使整個(gè)柴油機(jī)的配氣定時(shí)功能以及噴油性能偏離設(shè)計(jì)要求。在引進(jìn)SN320型數(shù)控凸輪磨床后，精磨的凸輪質(zhì)量有了明顯的提高，經(jīng)檢測(cè)，每個(gè)凸輪升程超差點(diǎn)少于3個(gè)，而且超差值在 0.02～0.03mm，工藝性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于仿形磨床磨削的凸輪。凸輪型線達(dá)到設(shè)計(jì)要求，保證機(jī)車柴油機(jī)的動(dòng)力學(xué)性能。

通過對(duì)凸輪加工的嚴(yán)格控制，報(bào)告顯示，各凸輪升程誤差基本達(dá)到0.05mm以內(nèi)，超差點(diǎn)由原來的15個(gè)左右（誤差值在0.10～0.15mm）減少至1～2個(gè)，而且誤差值在0.07mm左右，凸輪精度明顯提升。同時(shí)月產(chǎn)量達(dá)到400件，各機(jī)床銜接順暢，新工藝的加工節(jié)拍能滿足生產(chǎn)需求。

3　組裝工藝流程

16V265H型柴油機(jī)整根凸輪軸是由四個(gè)單節(jié)組成的，因此需要比較科學(xué)的凸輪軸總成組裝工藝過程見圖9。

圖9　凸輪軸總成

3.1鉗工整備

清點(diǎn)零件數(shù)量，目測(cè)各零件表面質(zhì)量及合格印記；修整各凸輪倒角，要求C（0.5-1）；清除凸輪軸表面銹蝕；清除各節(jié)凸輪軸邊緣處毛刺；將各節(jié)凸輪軸吹掃干凈，放到料架上。

3.2清洗防銹

清洗過程：將裝有凸輪軸的料架吊入粗洗槽中清洗約15min，將料架吊離水面，用刷子在各節(jié)凸輪軸軸向油孔中刷洗；將粗洗后的凸輪軸同料架吊入清洗槽中清洗約15min，再將料架吊離水面，用刷子在各節(jié)凸輪軸軸向油孔中刷洗，確保刷洗干凈；將清洗干凈的凸輪軸脫水約5min后，連同料架吊入油槽涂油防銹，待控干后，由檢察員目測(cè)凸輪軸清潔度。

3.3組裝凸輪軸

組裝前工作臺(tái)V型塊工作面必須擦拭干凈并涂少量潤(rùn)滑油；凸輪軸的組裝必須在常溫下進(jìn)行，組裝前將待組裝的各節(jié)凸輪軸按順序放在組裝工作臺(tái)的V型塊上，其支撐在各軸頸處；在單節(jié)凸輪軸一、二、三凸輪端裝上定位銷，將對(duì)應(yīng)凸輪軸單節(jié)按銷孔對(duì)應(yīng)位置對(duì)準(zhǔn)后，手動(dòng)擰上螺栓，再用力矩扳手進(jìn)行把緊。

3.4檢查各缸凸輪夾角及軸頸跳動(dòng)

將裝配好的凸輪軸用起吊具吊至檢驗(yàn)平臺(tái)，支撐在軸頸1、3、6、8處，見圖9；將八面體通過連接螺栓與凸輪軸單節(jié)四內(nèi)螺紋連接預(yù)緊，在測(cè)量AC組凸輪時(shí)，利用百分表調(diào)整八面體的上頂面與凸輪軸單節(jié)四供油凸輪A的凸輪凹邊兩高點(diǎn)連線平行，利用力矩扳手轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪軸，使凸輪軸單節(jié)四供油凸輪C凹邊兩高點(diǎn)連線與檢驗(yàn)平臺(tái)平行，用百分表測(cè)量八面體的δ值，換算出角度誤差α值，依次測(cè)出其余凸輪軸單節(jié)AC組供油凸輪的δ值，通過換算得出所有AC組供油凸輪的相位角度偏差值并填入檢查記錄表中見圖10。

圖10　八面體使用示意圖

使用百分表，對(duì)八面體的上頂面與凸輪軸單節(jié)四供油凸輪B的凸輪凹邊兩高點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，使二者連線平行，依次測(cè)出所有供油凸輪BD的δ值，然后換算出其相位角度偏差值并填入檢查記錄表中。轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪軸，利用百分表測(cè)量軸頸2、4、5、7的跳動(dòng)，并填入檢查記錄表中。用外徑千分尺測(cè)出軸頸外徑，要求同一個(gè)軸頸分三個(gè)位置測(cè)量，同一個(gè)位置分四個(gè)方向測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果計(jì)算出平均值填入檢查記錄表的軸頸實(shí)測(cè)欄中；同時(shí)將測(cè)量出的每個(gè)位置數(shù)據(jù)的最大值減去最小值，并取平均值，將其結(jié)果填入檢查記錄表軸頸圓柱度允差表中。

3.5檢查及清理

檢查凸輪軸裝配外觀，注意銳邊毛刺、碰傷、劃痕等缺陷。將八面體卸下，再裝上單節(jié)四凸輪端兩定位銷；轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪軸，在各凸輪表面及軸頸涂上防銹油；用起吊具將整備好的凸輪軸吊入集裝箱內(nèi)，注意輕起輕落。

新工藝開始使用以來，產(chǎn)品合格率能達(dá)到100%，經(jīng)多批次凸輪軸裝車試驗(yàn)，柴油機(jī)配氣定時(shí)情況良好，噴油質(zhì)量良好，此次凸輪軸制造工藝經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證可行有效。

4　本凸輪軸可提升工藝技術(shù)分析

凸輪軸作為柴油機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件，其表面質(zhì)量也影響到柴油機(jī)出廠磨合試驗(yàn)的整體技術(shù)要求，時(shí)間越短，質(zhì)量越好，經(jīng)濟(jì)效益越大。因此可采用自由滾磨光整加工技術(shù)將凸輪軸整體沉沒于磨具之中，游離狀態(tài)的磨具在材料箱的帶動(dòng)下做自由運(yùn)動(dòng)，凸輪軸被強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)或隨磨具自由運(yùn)動(dòng)，凸輪軸和磨具在復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)作用下，磨具始終以一定的壓力，對(duì)凸輪軸各表面進(jìn)行碰撞、滾壓、擠壓、刻劃和微量磨削，從而細(xì)化表面粗糙度、去除加工毛刺、鈍化尖角棱邊，改善表面缺陷，優(yōu)化表面物理力學(xué)性能，達(dá)到提高零部件表面質(zhì)量，綜合性能和使用性能的目的見圖11。

圖11　凸輪軸350小時(shí)考核后拆機(jī)圖片

5　結(jié)論

本文闡述16V265H型柴油機(jī)凸輪軸制造過程，借鑒了傳統(tǒng)工藝的經(jīng)驗(yàn)性，并在此基礎(chǔ)上推陳出新，根據(jù)其工藝特性，制定了合理科學(xué)有效的凸輪軸加工和組裝工藝流程；針對(duì)法蘭孔加工和凸輪加工等關(guān)鍵工序，制定了有效的加工方案，簡(jiǎn)化了凸輪軸加工工序過程同時(shí)提升了產(chǎn)品質(zhì)量；優(yōu)化了凸輪軸總組裝工藝，既保證了組裝質(zhì)量，又滿足了大批量節(jié)拍生產(chǎn)的實(shí)際需要，為加工其它凸輪軸提供了良好的借鑒。

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（編輯 趙蓉）

Study for Cam Shaft Manufacturing Process of 16V265 Diesel Engine

WANG Liang
（Department of Manufacturing，Tianjin Electric Locomotive Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China）

Camshaft is an important component16V265 diesel engine，a direct impact on the time and sequence of opening and closing operation of the combustion chamber and the valve controlling fuel injection pump，high-quality finish camshaft machining and assembly tasks is to ensure the normal operation of the diesel engine premise.Thesis focuses more economical and practical camshaft machining process，so that in the premise of ensuring product quality，to achieve both save processing time and reduce labor intensity；and fully tap the production practice experience，the key to ensuring the accuracy of machining processes，design a new model of the assembly process plan：to ensure that the entire root camshaft has good mechanical properties and dynamic performance，provides a good reference for other camshaft machining.

camshaft；processing；assembly process；finishing technology

TH162；TG65

A

1001-2265（2015）02-0156-05 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.02.045

2014-11-24；

2014-12-18

王亮（1981—），男，山東榮成人，天津電力機(jī)車有限公司工程師，（E-mail）mark-1981@163.com。