CN105574273B - 滚花式装配凸轮轴的装配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滚花式装配凸轮轴的装配方法，它包括以下步骤：1)建立CAD三维参数化实体装配模型；2)将CAD模型转化为CAE模型；3)有限元建模提交；4)进行有限元分析，从而得到压力函数变化曲线；5)将压力函数变化曲线转入到压力机的CNC控制装置内；6)通过变压力下压力对凸轮套和芯轴进行滚花式装配，得到装配式凸轮轴成品。采用以上结构后，通过仿真获得压力机下压过程的动态下压载荷，其压力值根据待压装的凸轮套与芯轴的接触情况而变化，精确可靠，克服了压力机恒定下压载荷对实际下压过程的不均匀性带来的影响，因此，避免压偏从而保证工件的合格率。
Description
技术领域
本发明涉及凸轮轴的技术领域，具体讲是一种滚花式装配凸轮轴的装配方法。
背景技术
传统的凸轮轴的制造方法主要是整体锻造或铸造，凸轮与轴是一个整体，因此这种凸轮轴存在下面的缺点：由于凸轮轴后面的机加工的工序繁多，加工余量就大，这样会导致整个凸轮轴重量重，材料浪费多，不便于制造。现在比较常用的有装配式凸轮轴，而其关键技术是凸轮套与轴的连接方法。现在已有的制造方法有钢管内胀法、内部液压法、热套法、粉末冶金法及滚花连接法等。由于凸轮轴在工作时凸轮套和芯轴表面的接触应力很大、相对滑动速度较快，凸轮套外表面在周期的载荷和冲击下，学会出现擦伤、点蚀、快速磨损等失效形式。为了满足凸轮轴不同部位的性能要求，达到汽车轻量化、低成本的目的，往往将芯轴制成空心管，凸轮套采用近净成形工艺制造，然后采用滚花过盈装配压配在一起。它是将芯轴表面装凸轮片的部分沿轴线方向滚挤凸起，凸轮套的内孔上开有凹槽，凸起要与凹槽相配。由于凸轮套与芯轴的连接技术是凸轮轴制造的核心技术，其连接的好坏直接影响整台发动机性能的好坏。目前对于过盈配合的套类零件与轴类零件压装装配时，一般采用压力机进行压装。在压装时，选用最大压力进行压装，最大下压载荷是根据材料的弹性模量、最大过盈量、轴承内圈直径与轴外径、滚花连接长度来计算的。但是在实际的压装过程中，不同的参数对压装力的产生影响，下压载荷随着滚花连接长度逐渐呈非线性的增大。因此，这种恒定压装力的装配方法存在很大的问题和缺陷：恒定的最大压装力会使得压装过程产生不稳定现象，凸轮套与芯轴之间的接触压力不均匀，甚至会压偏从而导致工件报废。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种在下压过程中沿滚花区长度的不同受力点而实现变化的下压载荷，从而使凸轮套与芯轴之间的连接更加可靠的滚花式装配凸轮轴的装配方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的滚花式装配凸轮轴的装配方法，它包括以下步骤：
1)根据待装配的凸轮套和芯轴建立CAD三维参数化实体装配模型；
2)将CAD模型转化为CAE模型；
3)有限元建模提交；
4)根据步骤3)的设置进行有限元分析，从而得到压力函数变化曲线；
5)将压力函数变化曲线转入到压力机的CNC控制装置内；
6)把待装配的凸轮套和芯轴放置到压力机上，通过变压力下压力对凸轮套和芯轴进行滚花式装配，得到装配式凸轮轴成品。
在步骤1)中，它包括以下步骤：
A、设置芯轴的参数，包括芯轴的外径D，芯轴的内径D1，滚花区域的齿间距L，齿间角β和滚花区长度B；
B、设置凸轮套的参数，包括凸轮套的内孔直径d2，将凸轮套的内孔等分若干槽，其中槽底直径d1，相邻两个内孔槽的槽口间距l 1，相邻两个内孔槽的槽底间距l2，相邻两个内孔槽的槽间角α；
C、确定压装时的过盈量参数，δ＝(d-D)/2，其中，d为滚花后在芯轴表面成形的三角形齿齿尖处的外径，D为芯轴原始的外径。
在步骤2)中，将建立好的CAD三维参数化实体装配模型保存为IGS格式，利用ABAQUS有限元分析软件导入此IGS格式的CAD三维参数化实体装配模型，形成CAE模型，此时导入后凸轮套和芯轴处于下压装配前状态。
在步骤3)，凸轮套和芯轴均为对称，在减少计算量的前提下，选取CAE模型的1/36部件进行模拟分析。
对步骤3)的有限元分析包括以下几点：
A、材料属性的定义；凸轮套的选取材料为GCr15的高碳铬轴承钢，芯轴的选取材料为E355钢，根据两者的本构关系选用塑性随动硬化模型，其中的本构关系即应力张量与应变张量的关系；
B、划分网格；在网格划分时，凸轮套与芯轴的接触区域网格密度大于非接触区域网格密度，两个区域之间的网格密度自动过渡；
C、凸轮套与芯轴的接触定义；根据滚轮齿形和凸轮内表面发生挤压塑性变形的特点，凸轮套与芯轴之间采用无穿透接触定义，接触摩擦类型采用库仑摩擦模型；
D、载荷边界定义；在压装时，芯轴处于全约束固定不动的状态，凸轮套则以恒定的速度下移，根据分析结果获得的1/36模型的接触力和下压载荷，通过拟合，将压装过程中不同位置点的应力值转化为相应的压力函数变化曲线。
采用以上结构后，本发明与现有技术相比，具有以下的优点：
1)由于根据目前的CAD参数建模和有限元分析技术，通过仿真获得压力机下压过程的动态下压载荷，其压力值根据待压装的凸轮套与芯轴的接触情况而变化，精确可靠，克服了压力机恒定下压载荷对实际下压过程的不均匀性带来的影响，因此，避免压偏从而保证工件的合格率；
2)由于在压装过程中，凸轮套除要克服摩擦阻力外，还要克服挤压过程中芯轴滚花部位和凸轮套内圈沟槽因相互切削产生的阻力，而且下压部位的不同导致压力滚花连接长度不同，从而使得装配过程下压力非恒定值，因此，采取非线性有限元计算方法获得下压过程变化的装配力。
附图说明
图1是本发明滚花式装配凸轮轴的装配方法的流程图。
图2是本发明中凸轮轴的纵向剖面结构示意图。
图3是本发明中凸轮轴的横向剖面结构示意图。
图4是本发明中芯轴的几何参数结构示意图。
图5是本发明中凸轮套的几何参数结构示意图。
其中，1、芯轴；2、凸轮套；F、装配下压力。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。
由图1～图5所示的本发明滚花式装配凸轮轴的装配方法的示意图可知，它包括以下步骤：
1)根据待装配的凸轮套和芯轴建立CAD三维参数化实体装配模型；它包括以下步骤：
A、设置芯轴的参数，包括芯轴的外径D，芯轴的内径D1，滚花区域的齿间距L，齿间角β和滚花区长度B；
B、设置凸轮套的参数，包括凸轮套的内孔直径d2，将凸轮套的内孔等分若干槽，其中槽底直径d1，相邻两个内孔槽的槽口间距l 1，相邻两个内孔槽的槽底间距l2，相邻两个内孔槽的槽间角α；
C、确定压装时的过盈量参数，δ＝(d-D)/2，其中，d为滚花后在芯轴表面成形的三角形齿齿尖处的外径，D为芯轴原始的外径；
2)将CAD模型转化为CAE模型；将建立好的CAD三维参数化实体装配模型保存为IGS格式，利用ABAQUS有限元分析软件导入此IGS格式的CAD三维参数化实体装配模型，形成CAE模型，此时导入后凸轮套和芯轴处于下压装配前状态；
3)有限元建模提交；凸轮套和芯轴均为对称，在减少计算量的前提下，选取CAE模型的1/36部件进行模拟分析；
4)根据步骤3)的设置进行有限元分析，从而得到压力函数变化曲线；有限元分析包括以下几点：
A、材料属性的定义；凸轮套的选取材料为GCr15的高碳铬轴承钢，芯轴的选取材料为E355钢，根据两者的本构关系选用塑性随动硬化模型，其中的本构关系即应力张量与应变张量的关系；
B、划分网格；在网格划分时，凸轮套与芯轴的接触区域网格密度大于非接触区域网格密度，两个区域之间的网格密度自动过渡；
C、凸轮套与芯轴的接触定义；根据滚轮齿形和凸轮内表面发生挤压塑性变形的特点，凸轮套与芯轴之间采用无穿透接触定义，接触摩擦类型采用库仑摩擦模型；
D、载荷边界定义；在压装时，芯轴处于全约束固定不动的状态，凸轮套则以恒定的速度下移，根据分析结果获得的1/36模型的接触力和下压载荷，通过拟合，将压装过程中不同位置点的应力值转化为相应的压力函数变化曲线。
5)将压力函数变化曲线转入到压力机的CNC控制装置内；
6)把待装配的凸轮套和芯轴放置到压力机上，通过变压力下压力对凸轮套和芯轴进行滚花式装配，得到装配式凸轮轴成品。
在上述描述中，CAD，即计算机辅助设计Computer Aided Design的缩写，指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。CAE，即工程设计中的计算机辅助工程Computer Aided Engineering的缩写，指用于计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等。CNC，是计算机数字控制机床Computer NumericalControl的缩写，是一种由程序控制的自动化机床，该CNC控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，通过计算机将其译码，从而使机床执行规定好了的动作。
Claims (3)
1.一种滚花式装配凸轮轴的装配方法，其特征在于：它包括以下步骤：
1)根据待装配的凸轮套和芯轴建立CAD三维参数化实体装配模型；
2)将CAD模型转化为CAE模型；
3)有限元建模提交；
4)根据步骤3)的设置进行有限元分析，从而得到压力函数变化曲线；
5)将压力函数变化曲线转入到压力机的CNC控制装置内；
6)把待装配的凸轮套和芯轴放置到压力机上，通过变压力下压力对凸轮套和芯轴进行滚花式装配，得到装配式凸轮轴成品；
在步骤3)，凸轮套和芯轴均为对称，在减少计算量的前提下，选取CAE模型的1/36部件进行模拟分析；
对步骤3)的有限元分析包括以下几点：
A、材料属性的定义；凸轮套的选取材料为GCr15的高碳铬轴承钢，芯轴的选取材料为E355钢，根据两者的本构关系选用塑性随动硬化模型，其中的本构关系即应力张量与应变张量的关系；
B、划分网格；在网格划分时，凸轮套与芯轴的接触区域网格密度大于非接触区域网格密度，两个区域之间的网格密度自动过渡；
C、凸轮套与芯轴的接触定义；根据滚轮齿形和凸轮内表面发生挤压塑性变形的特点，凸轮套与芯轴之间采用无穿透接触定义，接触摩擦类型采用库仑摩擦模型；
D、载荷边界定义；在压装时，芯轴处于全约束固定不动的状态，凸轮套则以恒定的速度下移，根据分析结果获得的1/36模型的接触力和下压载荷，通过拟合，将压装过程中不同位置点的应力值转化为相应的压力函数变化曲线。
2.根据权利要求1所述的滚花式装配凸轮轴的装配方法，其特征在于：在步骤1)中，它包括以下步骤：
A、设置芯轴的参数，包括芯轴的外径D，芯轴的内径D1，滚花区域的齿间距L，齿间角β和滚花区长度B；
B、设置凸轮套的参数，包括凸轮套的内孔直径d2，将凸轮套的内孔等分若干槽，其中槽底直径d1，相邻两个内孔槽的槽口间距l1，相邻两个内孔槽的槽底间距l2，相邻两个内孔槽的槽间角α；
C、确定压装时的过盈量参数，δ＝(d-D)/2，其中，d为滚花后在芯轴表面成形的三角形齿齿尖处的外径，D为芯轴原始的外径。
3.根据权利要求1所述的滚花式装配凸轮轴的装配方法，其特征在于：在步骤2)中，将建立好的CAD三维参数化实体装配模型保存为IGS格式，利用ABAQUS有限元分析软件导入此IGS格式的CAD三维参数化实体装配模型，形成CAE模型，此时导入后凸轮套和芯轴处于下压装配前状态。
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