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畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述：
文 獻(xiàn) 綜 述
凸輪軸是汽車發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中重要的零件，凸輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與加工質(zhì)量好壞，直接影響著發(fā)動機(jī)的性能。近年來，因環(huán)境保護(hù)的需要，正在開發(fā)低油耗、低污染的發(fā)動機(jī)。為了解決汽車尾氣無污染排放問題，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的高轉(zhuǎn)速、高輸出功率，許多發(fā)動機(jī)采用多氣門及配氣相位、氣門升程可變的結(jié)構(gòu)，這就增加了氣門彈簧的載荷。同時，為了降低油耗及摩擦損耗，凸輪與搖臂間采用滾子結(jié)構(gòu)，凸輪與滾子的接觸面形成高壓力區(qū)，這對凸輪軸運(yùn)動的平穩(wěn)性、動平衡、耐磨性能及抗扭強(qiáng)度提出了更高的要求。另外，為了達(dá)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(yīng)該使零件盡可能簡化加工、降低重量，材料使用也更趨合理。
凸輪軸的構(gòu)造
凸輪軸的主體是一根與氣缸組長度相同的圓柱形棒體。上面套有若干個凸輪，另一端與驅(qū)動輪相連接。
凸輪的側(cè)面呈雞蛋形。其設(shè)計的目的在于保證氣缸充分的進(jìn)氣和排氣，盡可能在短時間內(nèi)完成氣門的開、閉動作。另外考慮到發(fā)動機(jī)的耐久性和運(yùn)轉(zhuǎn)的平順性，氣門也不能因開閉動作中的減速過程產(chǎn)生過多過大的沖擊，否則就會造成氣門的嚴(yán)重磨損、噪聲增加或者其它嚴(yán)重后果。因此，凸輪和發(fā)動機(jī)的功率、扭矩輸出以及運(yùn)轉(zhuǎn)的平順性有很直接的關(guān)系。
一般來說，直列式發(fā)動機(jī)中，一個凸輪就對應(yīng)一個氣門。V型發(fā)動機(jī)或水平對置式發(fā)動機(jī)則是每兩個氣門共享一個凸輪。而轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)和無閥配氣發(fā)動機(jī)由于其特殊的結(jié)構(gòu)，并不需要凸輪。為了實現(xiàn)輕量化，易于加工且低成本，以及發(fā)動機(jī)的高轉(zhuǎn)速、高輸出功率，發(fā)動機(jī)部件，尤其是凸輪軸的設(shè)計必須重新考慮，要求其結(jié)構(gòu)緊湊、功能高度集中、重量輕，能承受更高的接觸壓力。在目前的凸輪軸應(yīng)用中，已經(jīng)將缸蓋潤滑系統(tǒng)集中于中空式凸輪軸，將實現(xiàn)缸內(nèi)直噴的燃油泵驅(qū)動組件在凸輪軸上實現(xiàn)，將VVT(可變正時氣門)在凸輪軸尾端使用。在配氣機(jī)構(gòu)中，對凸輪軸各個部位的性能要求是不同的。對于凸輪和燃油泵驅(qū)動輪，要求耐磨損、耐膠著、耐點(diǎn)蝕；對于軸頸要求滑動性能好；對于軸則要求剛性、彎曲、扭轉(zhuǎn)性能好[1-2]。
凸輪軸的國內(nèi)外發(fā)展趨勢
金屬、塑料復(fù)合凸輪軸已在美國應(yīng)用。將粉末金屬成型并經(jīng)磨削加工的凸輪片和中空鋼軸放入模具內(nèi),在中空軸周圍注射塑料。凸輪片和軸之間不再有金屬直接接觸,而是由塑料固定形成一體。這種凸輪軸的成本及重量均可減少40%,可降低發(fā)動機(jī)噪聲,加工準(zhǔn)備時間由原來的幾小時縮短至幾分鐘。
裝配式凸輪軸目前以較快的速度發(fā)展,主要應(yīng)用于高性能發(fā)動機(jī)上。目前,世界上許多汽車工業(yè)發(fā)達(dá)的汽車制造廠正在越來越多使用裝配式凸輪軸制造新技術(shù),但因技術(shù)掌握的程度、方法不同,使用裝配式凸輪軸的種類也不同。日本日野自動車工業(yè)株式會社在20世紀(jì)90年代初開發(fā)了熱套和焊接組合的生產(chǎn)方式,凸輪采用碳鋼,用冷精鍛方法制造,軸頸采用高頻淬火鋼管制成,軸則采用冷拔碳鋼管。日本豐田汽車公司也有相似的生產(chǎn)方式。日本精工株式會社用擴(kuò)管法生產(chǎn)凸輪軸,產(chǎn)品的剛度較鑄造產(chǎn)品提高1.7倍,累計生產(chǎn)已達(dá)300萬根。日本柱塞環(huán)株式會社從20世紀(jì)80年代中期開始生產(chǎn)燒結(jié)連接式凸輪軸,1992年開始生產(chǎn)專門用于低能耗發(fā)動機(jī)的凸輪軸,凸輪采用燒結(jié)合金,具有非常好的耐磨損及耐點(diǎn)蝕性能。目前已生產(chǎn)了750萬根。從20世紀(jì)90年代中期該公司開始研制刮削連接式凸輪軸。美國MTS2SA公司、TORINGTON公司、FEDERAL2MDOGUL公司、通用汽車公司、福特汽車公司都已將裝配式凸輪軸應(yīng)用于生產(chǎn)之中。德國的大眾汽車公司、奔馳汽車公司、THYSSENK2RUPP公司,英國的T&NTechnology公司、GKNBoundBrook公司也都先后開發(fā)研制了裝配式凸輪軸的生產(chǎn)工藝及設(shè)備。目前在我國僅上海大眾汽車公司有1條生產(chǎn)裝配式凸輪軸的生產(chǎn)線,其他企業(yè)還處于空白階段。個別單位曾經(jīng)研制了燒結(jié)連接式凸輪軸,但都沒有實用化。吉林大學(xué)對裝配式凸輪軸已經(jīng)研制開發(fā)了多年,重點(diǎn)針對滾花連接方式進(jìn)行了研究,對連接機(jī)理進(jìn)行了探討,應(yīng)用計算機(jī)模擬方法對連接部位工作狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變做了模擬研究,并對裝配力做了不同情況的試驗分析。在連接試驗的基礎(chǔ)上開發(fā)了自動化裝配機(jī)。裝配式凸輪軸已發(fā)展二十多年,除了上述的方法外,正大力開發(fā)應(yīng)用復(fù)合材料,例如陶瓷材料等制造凸輪軸。隨著裝配式凸輪軸生產(chǎn)技術(shù)的提高,性能更好、成本更低、技術(shù)多樣化的裝配式凸輪軸將會涌現(xiàn)出來[3]。
1981年7月,日本豐田汽車公司宣布,世界第1個粉末冶金技術(shù)制成粉末燒結(jié)結(jié)中空整體凸輪軸,已大量用于IS型直列式死缸發(fā)動機(jī),粉末燒結(jié)整體中空凸輪軸是由8個凸輪片、5個軸頸、1個齒輪、2個燃料泵凸輪、1個前軸頸、1根鋼管18個零件組合燒結(jié)而成。粉末燒結(jié)整體中空凸輪軸的制造工藝是:將與燒結(jié)和模鍛的粉末凸輪片、齒輪、軸頸嵌入或壓入鋼管軸上,然后對粉末凸輪進(jìn)行正式燒結(jié)(1100e、30min,分解氨)。同時以純銅為釬料,將軸頸、齒輪釬焊在鋼管軸上。燒結(jié)時,粉末合金中的Fe-P-C組分生成液相,使凸輪片生產(chǎn)收縮和擴(kuò)張粘結(jié)于鋼管軸表面。矯直,檢驗后,經(jīng)精加工,即制成燒結(jié)中空整體凸輪軸。燒結(jié)中空整體凸輪軸與鑄鐵凸輪軸相比的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)效果:1)質(zhì)量減輕了26%。2)實際發(fā)動機(jī)的電動回轉(zhuǎn)試驗表明,燒結(jié)合金凸輪軸的磨損僅為原用冷鑄鐵的1/7。3)燒結(jié)合金凸輪軸的外形接近最終形狀,磨削加工量小,因此,凸輪軸磨床可減少20%,不需要鉆油路。4)鋼管軸內(nèi)孔可用作發(fā)動機(jī)油的主通路。發(fā)動機(jī)油通過凸輪內(nèi)孔,由汽缸組供給凸輪、軸頸、燃料泵凸輪及驅(qū)動齒輪的分配器,并通過軸頸將油供給余隙調(diào)節(jié)器。因此,不再需要輸油管,潤滑系統(tǒng)可大大簡化。凸輪軸的機(jī)械加工量可大大減[4]。
日本精工株式會社采用內(nèi)高壓軸管擴(kuò)徑連接,生產(chǎn)的凸輪軸累計已達(dá)300萬根,產(chǎn)品的剛度較鑄造凸輪軸提高1.7倍。日本豐田汽車公司也有相似的生產(chǎn)方式。上海通用汽車公司采用耐磨燒結(jié)鐵基合金材料凸輪與空心軸體通過機(jī)械擴(kuò)徑來實現(xiàn)聯(lián)接,用于轎車中空裝配式凸輪軸生產(chǎn)。德國蒂森克虜伯普里斯坦公司采用軸向滾花連接方式,以1200萬根中空裝配式凸輪軸的年產(chǎn)量成為全球市場的領(lǐng)導(dǎo)者。在國內(nèi),吉林大學(xué)對滾花連接技術(shù)進(jìn)行了深入研究,并開發(fā)了中空裝配式凸輪軸新型滾花連接技術(shù)與三軸CNC裝配機(jī)(專利技術(shù))。在汽車領(lǐng)域,中空裝配式凸輪軸新技術(shù)已在高性能的發(fā)動機(jī)上得到應(yīng)用。美國福特汽車公司的GT)90汽油機(jī)(V型12缸)頂置式凸輪軸,通用汽車的LN2汽油機(jī)(直列4缸)頂置式凸輪軸和3100SFI汽油機(jī)(V型6缸)頂置凸輪軸,日本日野公司的J08C系列柴油機(jī)(直列4缸和6缸)頂置式凸輪軸,上海通用汽車公司的別克發(fā)動機(jī)頂置式凸輪軸,均采用中空裝配式凸輪軸[5]。
國內(nèi)外生產(chǎn)凸輪軸的材質(zhì)很多,有45鋼、球墨鑄鐵、合金鑄鐵。目前,常使用的鑄造方法是殼型鑄造,其中包括鐵型覆砂[6-7]和殼型填鐵丸兩種鑄造工藝,其他還有如消失模鑄造等。殼型鑄造是20世紀(jì)40年代由德國約翰尼斯克朗寧(Johanes2Corning)發(fā)明的,亦稱為克朗寧法[8-10],殼型鑄造生產(chǎn)的鑄件具有表面粗糙度低,尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn),能夠滿足冷鐵多,形狀復(fù)雜的零件的鑄造,適用于凸輪軸、曲軸等軸類零件的生產(chǎn),在世界上屬先進(jìn)工藝,具有很廣闊的應(yīng)用前景。
清華大學(xué)李雙壽等人研究了球鐵凸輪軸的激光表面處理[11],發(fā)現(xiàn)經(jīng)過該技術(shù)處理之后,球鐵凸輪軸的表層由外而內(nèi)分別是熔凝層、淬硬層和基體,并且其硬度均大于58HRC,搭接處的硬度也沒有降低。AstashkevichBM等人研究了激光表面處理在所有的鑄鐵、中碳鋼以及工具鋼中的應(yīng)用,指出材料的淬透性和硬度等都受到激光處理的一些可變參數(shù)的限制,比如能量大小、光束直徑、光束形狀、掃描速度以及聚焦條件等的限制[12-13]。
在國外,ChernyshevAN等人[14]，通過試驗研究發(fā)現(xiàn)灰鑄鐵和具有球狀石墨的高強(qiáng)鑄鐵不適合于使用重熔工藝來進(jìn)行表面強(qiáng)化,其原因有3點(diǎn):1)產(chǎn)量大幅度降低;2)熔池內(nèi)的碳沒有完全分解,耐磨性降低;3)鎢電極消耗太大。他們指出用蠕墨鑄鐵來代替灰鑄鐵和具有球狀石墨的高強(qiáng)鑄鐵效果更好,還指出參數(shù)的變化會影響激冷層中片狀滲碳體的分布。2005年英國哥倫比亞大學(xué)AMitchell教授又將以前只是應(yīng)用于精煉的電渣冶煉重熔法和真空電弧重熔法成功應(yīng)用于工業(yè)純鐵生產(chǎn)的凝固控制階段[15].
參考文獻(xiàn)：
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畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告
２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：
排氣凸輪軸零件設(shè)計的任務(wù)是讓我們綜合運(yùn)用我們所學(xué)的機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)、數(shù)控編程、CAD技術(shù)、機(jī)械制圖、機(jī)械制造原理、機(jī)械加工、機(jī)械制造工藝等知識，來完成凸輪軸零件的三維造型設(shè)計、凸輪軸零件工藝規(guī)程文件編制、相關(guān)數(shù)控程序編制和相關(guān)夾具的設(shè)計。通過這一環(huán)境的訓(xùn)練，使我不但更加深入了解畢業(yè)設(shè)計的基本理論、基本知識、而且學(xué)會使用這些理論、基本知識去了解解決工程中的問題。
這次畢業(yè)設(shè)計的目的就是要對機(jī)械零件的加工設(shè)計制造過程有所了解，也是為了鞏固所學(xué)的關(guān)于機(jī)械設(shè)計加工的理論知識,培養(yǎng)分析和解決問題的能力,提高自己的設(shè)計能力和創(chuàng)新設(shè)計能力。
凸輪軸
凸輪軸的零件分析
在選擇各表面、孔及槽的加工方法時，要考慮加工表面的精度和表面粗糙度要求，根據(jù)各加工表面的技術(shù)要求，選擇加工方法及分幾次加工；要根據(jù)生產(chǎn)類型選擇設(shè)備，在大批量生產(chǎn)中可采用高效率的設(shè)備。在單件小批量生產(chǎn)中則常用通用設(shè)備和一般的加工方法。如、柴油機(jī)連桿小頭孔的加工，在小批量生產(chǎn)時，采用鉆、擴(kuò)、鉸加工方法；而在大批量生產(chǎn)時采用拉削加工；要考慮被加工材料的性質(zhì)，例如：淬火鋼必須采用磨削或電加工；而有色金屬由于磨削時容易堵塞砂輪，一般都采用精細(xì)車削，高速精銑等；要考慮工廠或車間的實際情況，同時也應(yīng)考慮不斷改進(jìn)現(xiàn)有加工方法和設(shè)備，推廣新技術(shù)，提高工藝水平；此外，還要考慮一些其它因素，如加工表面物理機(jī)械性能的特殊要求，工件形狀和重量等。
凸輪軸的技術(shù)要求
1） 支承軸頸的尺寸精度及各支承軸頸間的同軸度。?
2）止推面對于支承軸線的垂直度。?
3）凸輪軸基面的尺寸精度和相對于支承軸頸的軸線的同軸度。?
4）凸輪的位置精度。?
5）凸輪的形狀精度。
凸輪軸的重要加工工藝
1.中心孔的加工
加工中心孔的刀具一般都采用標(biāo)準(zhǔn)中心鉆(特殊中心孔區(qū)別對待),工藝安排上分2次進(jìn)行:熱處理之前和熱處理之后。此道工序的關(guān)鍵是控制好60b的定位錐面的公差(?15c~?20c),且需用專用工具(模擬后續(xù)機(jī)床的定位頂針)進(jìn)行全數(shù)檢查,以控制凸輪軸的軸向開檔精度(要求?0.2~?0.5mm),防止凸輪銑時出現(xiàn)未銑出的毛邊。?
2.熱處理
感應(yīng)淬火時應(yīng)根據(jù)不同的工件材質(zhì)。在滿足硬度要求的前提下找出淬火的邊界條件,控制輸出的最大最小電壓、電流范圍,同時控制淬入液的濃度、流量和溫度,并定期對淬火液的冷卻速率進(jìn)行分析,以此作為更換淬火液的依據(jù)。
3.凸輪磨削
隨著磨削余量的減少和磨削速度的提高(由傳統(tǒng)的35~60m/s發(fā)展到125~200m/s)使用高速磨削將是必然的趨勢。對樹脂結(jié)合劑的剛玉、碳化硅、立方氮化硼磨料的砂輪,其使用速度可達(dá)125m/s;陶瓷結(jié)合劑砂輪磨削速率可達(dá)200m/s。對于選用CBN的砂輪進(jìn)行磨削,要求注意選配合適的砂輪寬度、濃度、硬度和切削液。正確選擇切削液種類和冷卻工藝參數(shù),對砂輪在磨削過程中的機(jī)械磨損、化學(xué)侵蝕和熱損傷的程度將產(chǎn)生非常大的影響。尤其是在凸輪軸上同時具有凹面凸輪(也被稱作負(fù)曲率半徑(NROC)凸輪)的情況下,設(shè)備供應(yīng)商一般都建議采用雙磨頭全數(shù)控磨床。關(guān)于凸輪的磨削工藝設(shè)計,一般用戶依托設(shè)備供應(yīng)商解決。供應(yīng)商根據(jù)用戶提供凸輪的0b~360b的離散點(diǎn),通過選用恰當(dāng)?shù)臄?shù)控系統(tǒng),主要解決:1)將離散點(diǎn)變成連續(xù)的封閉曲線。2)將生成曲線轉(zhuǎn)為磨削曲線。由于凸輪磨削時磨削點(diǎn)與生成點(diǎn)不在一個點(diǎn),必須進(jìn)行數(shù)學(xué)模換,而且這種變換還與凸輪的測量方式有關(guān)。3)建立C軸調(diào)速曲線。在凸輪磨削中,為保證凸輪加速度恒定,必須根據(jù)C軸角度來調(diào)整C軸轉(zhuǎn)速的調(diào)速曲線。其中在凸輪磨削NC程序生成之前,關(guān)鍵是首先要編制凸輪生成曲線(通過對數(shù)據(jù)的平滑處理,將離散點(diǎn)形成封閉曲線)和速度曲線的計算程序,即將給定的凸輪生成表轉(zhuǎn)換為磨削用的磨削曲線(C坐標(biāo)值、x軸坐標(biāo)值)。其次,需要選擇合適的磨削參數(shù),主要有:1)工件參數(shù):凸輪位置參數(shù)、凸輪角度參數(shù)、凸輪基圓半徑參數(shù)、凸輪測量方法;2)砂輪參數(shù):砂輪直徑、砂輪寬度;3)修整砂輪參數(shù):砂輪修磨時進(jìn)給位置、速度、修磨量、修磨次數(shù)等;4)磨削參數(shù):砂輪進(jìn)給位置、速度、粗磨量、半精磨量、精磨量C軸轉(zhuǎn)速、凸輪補(bǔ)償量等,這些參數(shù)中有些是固定的,有些是根據(jù)磨削效果進(jìn)進(jìn)行調(diào)整的。在理解凸輪磨削工藝設(shè)計原理的基礎(chǔ),熟練運(yùn)用磨削NC程序,對于解決加工中出現(xiàn)的實際問題和砂輪的國產(chǎn)化方面將十分有益。
整體式凸輪軸工藝流程??
毛坯→毛坯檢查→銑斷面，鉆中心孔，車軸頸→粗磨軸頸→鉆油孔道，擴(kuò)鉸球座孔，擴(kuò)螺紋底孔，攻絲，倒角，鉆軸頸油孔→粗磨凸輪→清洗→凸輪表面淬火→校直→精磨油頸→精磨凸輪→磁粉探傷→精車止推面→磷化→拋光油頸止推面→清洗→檢測軸頸和跳動→壓裝鋼球及定位銷。
夾具的設(shè)計
1. 穩(wěn)定保證工件的加工技術(shù)要求。夾具設(shè)計首先應(yīng)保證工件的位置要求，其次要保證工件的尺寸要求精度、粗糙度及其他技術(shù)指標(biāo)的要求。
2. 提高機(jī)械加工的生產(chǎn)率，降低工件的成本。轉(zhuǎn)用夾具設(shè)計時，既要提高勞動的生產(chǎn)率，又要降低成本。夾具的復(fù)雜程度和工件的經(jīng)濟(jì)效益，必須與生產(chǎn)規(guī)模相適宜，才能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，應(yīng)根據(jù)工件的生產(chǎn)批量的大小，選擇夾具的結(jié)構(gòu)，防止的盲目的采用高效率陷阱的結(jié)構(gòu)和傳動裝置，造成夾具的結(jié)構(gòu)復(fù)雜而加大制造成本。同時，竟可能采用標(biāo)準(zhǔn)零部件，已經(jīng)第夾具的制造成本。
3. 專用夾具應(yīng)有良好的結(jié)構(gòu)公益性，以便兩件的制造和夾具的裝配。
4. 操作安全，方便。
工作進(jìn)度計劃：
2 月 29日—3月21日 查閱相關(guān)資料、撰寫開題報告。
3 月22 日 —5月3日 把自己所查閱的資料進(jìn)一步進(jìn)行整理分析，學(xué)習(xí)需要掌握
的軟硬件知識。
5 月4 日 —5 月24日 完成本課題的主要設(shè)計，繪制圖紙。
5 月25 日 —6月2 日 翻譯外文資料，撰寫說明書。
6 月3 日 —6 月5日 遞交畢業(yè)設(shè)計，準(zhǔn)備答辯。
畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告
指導(dǎo)教師意見：
光宇吉同學(xué)本次所做設(shè)計的題目是“排氣凸輪軸的工藝規(guī)程及工裝設(shè)計”，該同學(xué)在查閱了相關(guān)的和畢業(yè)設(shè)計工作有關(guān)的資料、書籍后，撰寫完成了開題報告。
開題報告語言通順，格式規(guī)范?！拔墨I(xiàn)綜述”部分對研究此課題的意義，國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了較為詳細(xì)的敘述，并對相關(guān)技術(shù)和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了查新，有一定的深度。“本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）”部分中，提出問題明確，方法基本可行，應(yīng)盡快理清思路，找準(zhǔn)研究手段和途徑，圓滿完成本次畢業(yè)設(shè)計工作
2016年3月21日
所在系審查意見：
同意開題
系主任：
2016年 3月 22日