CN113601119B - 用于大功率柴油机凸轮轴的加工方法 - Google Patents

Abstract

提供一种用于大功率柴油机凸轮轴的加工方法，本发明将原有工艺方法创新为主要由半精加工—渗碳+感应淬火—精加工的方法，将传统大功率柴油机凸轮轴的29道加工工序简化为15道加工工序，解决了传统大功率凸轮轴的加工及检测问题，利用车铣复合加工中心将多种加工要素集成于一台高效机床加工，简化加工工序的同时提高加工精度，避免多次装夹问题带入定位误差；同时对于凸轮型线的加工增加在线检测工序，实现凸轮轴型线加工的在线检测、比对及加工补偿反馈，提高凸轮型面精度及质量一致性；另外，将热处理工序改变为整体渗碳+感应淬火，精简工序并降低机加工余量；通过本发明的应用，降低加工工时，提高零件加工效率及零件质量一致性。

Description

用于大功率柴油机凸轮轴的加工方法

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，具体涉及一种用于大功率柴油机凸轮轴的加工方法，是一种提高凸轮轴加工精度和加工效率的基于车铣复合加工技术的工艺方法。

背景技术

凸轮轴是大功率柴油机的关键零部件(凸轮轴结构如图1所示)，被称为柴油机“八大件”之一。每个凸轮轴两端都带有定位销孔1，用于保证各凸轮轴相互连接时各凸轮片处于正确的相位；每个凸轮轴上有若干组凸轮片2，在凸轮轴转动时通过柴油机滚轮、挺杆等零件来控制柴油机气缸的进排气及喷油时间、顺序；凸轮轴两端有两组法兰孔系3，用于连接各段凸轮轴，保证连接后的凸轮轴组件强度；凸轮轴两端分别有一组凸台/环槽4，精度一般为IT6级，用于在各段凸轮轴连接时控制各凸轮轴的同轴度；凸轮轴轴承颈5是凸轮轴在柴油机上安装时的定位基准，并在凸轮轴运转时对凸轮轴起到支撑作用；部分凸轮轴有中心油孔6和侧油孔7，用于凸轮轴运动时的润滑；凸轮轴在加工时在两端分别加工有中心孔8是凸轮轴加工时的工艺基准。大功率柴油凸轮轴的材料一般为低合金结构钢，热处理工艺为渗碳+淬火。

传统的大功率柴油机凸轮轴加工工艺方法为：锻件毛坯→粗车端面、外圆，打中心孔(数显车床)→半精车外圆，车开档(数显车床)→磨轴承颈外圆(外圆磨床)→钻、铰定位孔(数显镗床)→铣各凸轮片(数控凸轮轴铣床)→粗磨凸轮片(数控凸轮轴磨床)→热处理：渗碳→修研中心孔(去氧化皮)(摇臂钻床)→磨轴承颈外圆(外圆磨床)→钻中心油孔(深孔钻床)→修两端中心孔(数显车床)→接钻铰定位孔(摇臂钻床)→去碳层(数显车床)→钻侧油孔(摇臂钻床)→热处理：淬火→修研中心孔(去氧化皮)(摇臂钻床)→半精磨轴承颈(外圆磨床)→精车两端外形(数显车床)→磨两端面及凸台(外圆磨床)→加工两端法兰孔系(摇臂钻床)→去油孔内氧化皮(钳工台)→精磨轴承颈(外圆磨床)→精磨凸轮片(数控凸轮轴磨床)→磁力探伤(探伤机)→去毛刺、清理零件(钳工台)→打印标记(数控打标机)→终检(检验台)→凸轮片尺寸、形位公差计量(三坐标测量仪)→油封入库。为保证凸轮轴加工基准的一致性，加工过程中需多次找正、修研及二次加工中心孔，其中钻中心油孔后的二次加工中心孔以轴承颈外圆为基准，在找正外圆跳动在0.01mm以内后二次加工中心孔。

凸轮轴加工完成后，对除凸轮片尺寸、形位公差外的其他所有尺寸进行全要素检测，凸轮片尺寸、形位公差采用三坐标计量仪按比例计量，以上全部合格后认定零件合格。但由于工序过长，零件尺寸及行为公差超差的状况时有发生，若超差部位为一般尺寸，可通过二次加工完成，且合格率在90％以上；若超差部位为凸轮片形位公差，由于二次装夹带来的误差导致返修合格率非常低，通常在30％以下。

传统的大功率凸轮轴加工工艺方法由于工序过长、加工工序复杂，因此存在诸多缺陷：

1.由于加工工序过长，单件加工工时过大，导致凸轮轴生产产能不能完全释放，常采用机群式加工方法提高产量；

2.由于加工工序复杂，零件频繁的周转于各机床之间，零件多次装夹带入了定位误差，最终导致零件尺寸、形位公差超差几率过高；

3.基准孔加工、孔系加工等工序大量使用工装，未能充分利用机床性能，导致工装设计精度极高，制造成本过大；

4.凸轮型线的尺寸公差、形位公差采用离线检测的方式，一旦三坐标计量存在问题后二次装夹带入了定位误差，造成凸轮轴相位角误差较大，同时，由于采用离线检测的方式，缺乏对凸轮型面磨削加工过程的实时检测，不能实现在机补偿，导致零件一致性差，不能满足凸轮轴越来越高的设计要求；

5.热处理淬火采用整体淬火的方式，机加工工艺必须在两次热处理工序之间增加去碳层工序，导致加工工序增加，同时由于整体淬火变形量大导致机加工余量增加，增加了单道工序余量，使得机加工工序加工工时居高不下。

基于上述原因，急需研究一种新的工艺方法，简化工序、提高加工效率，提高质量一致性、保证产品合格率保持在90％以上，以解决现有工艺的缺陷。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种用于大功率柴油机凸轮轴的加工方法，本发明很好的解决了传统大功率凸轮轴的加工及检测问题，利用车铣复合加工中心将多种加工要素集成于一台高效机床加工，简化加工工序的同时提高加工精度，避免多次装夹问题带入定位误差；同时对于凸轮型线的加工增加在线检测工序，实现凸轮轴型线加工的在线检测、比对及加工补偿反馈，提高凸轮型面精度及质量一致性；另外，将热处理工序整体渗碳+淬火改变为整体渗碳+感应淬火，精简工序并降低机加工余量；通过本发明的应用，降低加工工时，提高零件加工效率及零件质量一致性。

本发明采用的技术方案：用于大功率柴油机凸轮轴的加工方法，包括以下步骤：

步骤1)：锻件毛坯下料；

步骤2)：将毛坯在数控车床上粗车端面、外圆，打中心孔；

步骤3)：在外圆磨床上磨轴承颈的外圆；

步骤4)：再在车铣复合加工中心上钻、镗中心油孔的引导孔、孔口倒角，钻侧油孔的引导孔，钻、铰定位销孔，精铣凸轮片，从而成型凸轮轴轮廓外形；

步骤5)：再在深孔钻床上对凸轮轴钻中心油孔；

步骤6)：接着通过渗碳+感应淬火的方式对凸轮轴进行热处理；

步骤7)：在摇臂钻床上对凸轮轴研中心孔，去氧化皮；

步骤8)：然后在外圆磨床上对凸轮轴精磨轴承颈及端面；

步骤9)：在车铣复合加工中心上对凸轮轴精车外圆、端面、凸台/环槽，凸轮片倒角，接钻侧油孔，接钻、铰定位销孔，加工两端的法兰孔系；

步骤10)；再在数控凸轮轴磨床上对凸轮轴精磨凸轮片；

步骤11)：最后通过探伤机对凸轮轴进行磁力探伤；

步骤12)：在钳工台对凸轮轴去毛刺、清理零件；

步骤13)：在数控打标机上对凸轮轴打印标记；

步骤14)：在检验台上对凸轮轴进行终检；

步骤15)：将终检合格的凸轮轴油封入库。

上述步骤10)中，在数控凸轮轴磨床上设有在线检测装置，在线检测装置用于对精磨凸轮片时的凸轮轴型线磨削结果进行在机检测，并根据实际型线与理论型线的比对结果对凸轮轴加工程序进行微调。

本发明与现有技术相比的优点：

1.本发明是一种新的基于车铣复合加工技术的凸轮轴加工工艺方法，对现有机加工艺、热处理工艺进行创新研究，将原有“粗加工—渗碳—去碳层—淬火—精加工”的工艺方法创新为“半精加工—渗碳+感应淬火—精加工”的方法，将传统大功率柴油机凸轮轴的29道加工工序简化为15道加工工序，大幅度压缩了加工工序、降低了单件加工工时；同时降低了热处理变形，加工效率高，加工精度高，安全性好；

2.本发明的工艺方法基于车铣复合加工技术，将车、镗、铣、钻集中到一道工序，由一台设备一次加工完成，加工基准转换少，加工精度高，减少因零件频繁上下各种机床而带入的定位误差；

3.通过车铣复合加工技术的应用，充分利用机床的多轴加工及定位精度，减少工装的使用，提高零件加工精度的同时降低因大量高精度工装的设计；

4.在数控凸轮轴磨床上增加在线检测装置，取消凸轮型线计量工序，同时在凸轮轴磨削时多次对凸轮轴型线磨削结果进行在机检测，并根据实际型线与理论型线的比对结果对凸轮轴加工程序进行微调，实现了凸轮轴型面加工在机检测和机床自动反馈，将现有的凸轮轴型面行为公差由1/100mm级提升到了0.5/100mm级，提高产品合格率的同时大幅度提高产品加工精度；

5.本发明将传统的低碳钢热处理方法的渗碳+整体淬火调整为渗碳+感应淬火，在感应淬火之后进行去碳层精加工工序，即取消了去碳层诸多工序，提高了加工效率，降低机加工余量，又将凸轮轴的热处理部位进行了精确定位，在满足设计要求的情况下提高了热处理加工效率；

6、本发明的工艺方法由于大幅度压缩加工工序，为精确控制生产节拍提供了基础数据，由于主要加工工序主要集中在高精度数控设备上，工时的控制由数控程序决定，因此大功率柴油机凸轮轴的生产节拍可控制分钟级。

附图说明

图1为本发明中凸轮轴的结构示意图；

图2为本发明中图1的F向结构示意图；

图3为本发明中图1的K向结构示意图；

图4为本发明中图1的A-A向结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

请参阅图1-4，详述本发明的实施例。

用于大功率柴油机凸轮轴的加工方法，包括以下步骤：

步骤1)：锻件毛坯下料；

步骤2)：将毛坯在数控车床上粗车端面、外圆，打中心孔8；

步骤3)：在外圆磨床上磨轴承颈5的外圆；

步骤4)：再在车铣复合加工中心上钻、镗中心油孔6的引导孔、孔口倒角，钻侧油孔7的引导孔，钻、铰定位销孔1，精铣凸轮片2，从而成型凸轮轴轮廓外形；

步骤5)：再在深孔钻床上对凸轮轴钻中心油孔6；

步骤6)：接着通过渗碳+感应淬火的方式对凸轮轴进行热处理；

步骤7)：在摇臂钻床上对凸轮轴研中心孔8，去氧化皮；

步骤8)：然后在外圆磨床上对凸轮轴精磨轴承颈5及端面；

步骤9)：在车铣复合加工中心上对凸轮轴精车外圆、端面、凸台/环槽4，凸轮片倒角，接钻侧油孔，接钻、铰定位孔，加工两端的法兰孔系3；

步骤10)；再在数控凸轮轴磨床上对凸轮轴精磨凸轮片2；在数控凸轮轴磨床上设有在线检测装置，在线检测装置用于对精磨凸轮片时的凸轮轴型线磨削结果进行在机检测，并根据实际型线与理论型线的比对结果对凸轮轴加工程序进行微调。

步骤11)：最后通过探伤机对凸轮轴进行磁力探伤；

步骤12)：在钳工台对凸轮轴去毛刺、清理零件；

步骤13)：在数控打标机上对凸轮轴打印标记；

步骤14)：在检验台上对凸轮轴进行终检；

步骤15)：将终检合格的凸轮轴油封入库。

本发明很好的解决了传统大功率凸轮轴的加工及检测问题，利用车铣复合加工中心将多种加工要素集成于一台高效机床加工，简化加工工序的同时提高加工精度，避免多次装夹问题带入定位误差；同时对于凸轮型线的加工增加在线检测工序，实现凸轮轴型线加工的在线检测、比对及加工补偿反馈，提高凸轮型面精度及质量一致性；另外，将热处理工序整体渗碳+淬火改变为整体渗碳+感应淬火，精简工序并降低机加工余量；通过本发明的应用，降低加工工时，提高零件加工效率及零件质量一致性。

本发明工艺方法主要解决了凸轮轴的难加工、高精度要求加工要素，适用于各类大功率柴油机凸轮轴的生产，对柴油机“八大件”中的曲轴、活塞等关重零件有一定推广意义。

本发明新工艺方法是在制造业飞速发展的大背景下产生的，按照此新工艺方法生产的凸轮轴可将现有的凸轮型面形位公差由1/100mm级提升到0.5/100mm，能更好的满足现代大功率柴油机凸轮轴的越来越高设计的设计要求。该工艺方法经过模拟加工、模拟排产后效果非常好，而且工艺方法生产成本低，适用于批量生产。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.用于大功率柴油机凸轮轴的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1)：锻件毛坯下料；

步骤2)：将毛坯在数控车床上粗车端面、外圆，打中心孔(8)；

步骤3)：在外圆磨床上磨轴承颈(5)的外圆；

步骤4)：再在车铣复合加工中心上钻、镗中心油孔(6)的引导孔、孔口倒角，钻侧油孔(7)的引导孔，钻、铰定位销孔(1)，精铣凸轮片(2)，从而成型凸轮轴的基本轮廓外形；

步骤5)：再在深孔钻床上对凸轮轴钻中心油孔(6)；

步骤6)：接着通过渗碳+感应淬火的方式对凸轮轴进行热处理；

步骤7)：在摇臂钻床上对凸轮轴研中心孔(8)，去氧化皮；

步骤8)：然后在外圆磨床上对凸轮轴精磨轴承颈(5)及端面；

步骤9)：在车铣复合加工中心上对凸轮轴精车外圆、端面、凸台/环槽(4)，凸轮片倒角，接钻侧油孔，接钻、铰定位销孔，加工两端的法兰孔系(3)；

步骤10)；再在数控凸轮轴磨床上对凸轮轴精磨凸轮片(2)；

步骤11)：最后通过探伤机对凸轮轴进行磁力探伤；

步骤12)：在钳工台对凸轮轴去毛刺、清理零件；

步骤13)：在数控打标机上对凸轮轴打印标记；

步骤14)：在检验台上对凸轮轴进行终检；

步骤15)：将终检合格的凸轮轴油封入库。

2.根据权利要求1所述的用于大功率柴油机凸轮轴的加工方法，其特征在于：上述步骤10)中，在数控凸轮轴磨床上设有在线检测装置，在线检测装置用于对精磨凸轮片时的凸轮轴型线磨削结果进行在机检测，并根据实际型线与理论型线的比对结果对凸轮轴加工程序进行微调。

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