凸輪軸低溫?zé)o磨料拋光技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究

曲守平，亓志輝

(長春大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，長春 130022)

0 前言

凸輪軸是在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、工程機(jī)械等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重要零部件，其種類繁多，型面復(fù)雜[1]。凸輪表面通常是由具有多段高次曲線型面的非圓廓面組成，其升程、轉(zhuǎn)角與砂輪半徑之間存在非線性關(guān)系。且大部分凸輪軸屬于細(xì)長軸類零件，磨削加工工藝性較差。凸輪軸的工作環(huán)境比較復(fù)雜，受到的載荷也經(jīng)常變化[2]。凸輪軸表面的加工精度對(duì)燃油效率起到?jīng)Q定性作用，型面質(zhì)量的高低直接影響動(dòng)力的發(fā)揮。因此，需要提高加工精度和表面質(zhì)量[3]。

低溫?zé)o磨料拋光是指在溫度不高于零攝氏度的條件下，將不含有任何雜質(zhì)的水凍制成拋光工具，對(duì)工件表面進(jìn)行研磨拋光的方法[4]。為凸輪軸表面的拋光提供了新的拋光方法。

1 工藝工裝研究

1.1 實(shí)驗(yàn)工裝

本實(shí)驗(yàn)是在CA6140車床上進(jìn)行的。自制工裝替代了原來的刀架。如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)工裝的三維模型如圖2所示。

圖1 CA6140車床

1.溜板 2.中滑板 3.氣缸架 4.6連接板 5.氣缸 7.壓力傳感器 8.冰輪 9.調(diào)速電機(jī) 10.卡盤 11.凸輪軸 12.固定桿 13.彈簧 14.移動(dòng)連接板 15.滑塊 16.導(dǎo)軌圖2 實(shí)驗(yàn)工裝三維模型

實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作原理為：氣缸5推動(dòng)中滑板2往前運(yùn)動(dòng)，其中，導(dǎo)軌16、固定桿12與中滑板2固定連接，固定桿12拉動(dòng)彈簧13，進(jìn)而拉動(dòng)固連在一起的壓力傳感器7、移動(dòng)連接板14、調(diào)速電機(jī)9和冰輪8實(shí)現(xiàn)前移，通過彈簧的拉伸，保證冰輪與凸輪軸始終恒壓接觸。在拋光過程中，冰輪不斷融化，通過氣缸推動(dòng)中滑板2，對(duì)冰輪融化進(jìn)行補(bǔ)償，保證恒壓拋光。

1.2 冰輪制備

冰輪是低溫?zé)o磨料拋光中的拋光工具，由去離子水加入圓盤模具中凍制而成，中間白色部分是尼龍材料做成的冰輪輪轂，中間開有孔跟鍵槽，用于連接到電機(jī)軸上。如圖3所示。

圖3 冰輪凍制之前與凍制完成之后

1.3 冰輪修整

在進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)之前，首先要對(duì)冰輪進(jìn)行修整。常壓狀態(tài)下，水在結(jié)成冰之后，體積會(huì)增大9%，冰輪表面變得不平整。冰輪從冰柜取出后，用電熨斗將冰輪表面熨平整，保證冰輪滿足動(dòng)平衡要求。表面修整完成之后，將冰輪安裝到電機(jī)軸上，電機(jī)轉(zhuǎn)速為200rpm，將車刀夾在機(jī)床卡盤內(nèi)，利用機(jī)床進(jìn)給對(duì)冰輪車削修整，保證冰輪圓度。

2 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)中使用奧迪汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配式凸輪軸，凸輪材料為鐵基粉末冶金材料[5]，洛氏硬度為HRC60。

對(duì)冰輪轉(zhuǎn)速、拋光壓力、拋光時(shí)間等影響拋光結(jié)果的因素，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在凸輪桃尖和基圓區(qū)各取3個(gè)點(diǎn)作為被測(cè)點(diǎn)，如圖4所示。在不同工況下，測(cè)試了凸輪表面粗糙度Ra值，如表1、2、3所示。

圖4 工件表面被測(cè)點(diǎn)位置

單位：nm

表2 20N拋光壓力下實(shí)驗(yàn)結(jié)果 單位：nm

表3 30N拋光壓力下實(shí)驗(yàn)結(jié)果 單位：nm

2.1 拋光時(shí)間對(duì)凸輪表面粗糙度值的影響

實(shí)驗(yàn)條件：拋光壓力為15N，冰輪轉(zhuǎn)速分別為60rpm、120rpm、180rpm、240rpm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5、6、7、8所示。

圖5 冰輪在60rpm下拋光結(jié)果

圖6 冰輪在120rpm下拋光結(jié)果

圖7 冰輪在180rpm下拋光結(jié)果

圖8 冰輪在240rpm下拋光結(jié)果

(1)在不同的轉(zhuǎn)速下，各個(gè)點(diǎn)的粗糙度都得到了降低，而且在拋光90min時(shí)，各點(diǎn)的粗糙度值能夠達(dá)到最低點(diǎn)，90min后，粗糙度值有增大趨勢(shì)。

(2)拋光時(shí)間低于90min時(shí)，由于拋光時(shí)間不足，雖然凸輪軸表面粗糙度明顯下降，但沒有降到最低。

2.2 冰輪轉(zhuǎn)速對(duì)凸輪表面粗糙度的影響

實(shí)驗(yàn)條件：拋光時(shí)間為90min，拋光壓力分別為15N、20N、30N。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9、10、11所示。

圖9 拋光壓力15N拋光結(jié)果

圖10 拋光壓力20N拋光結(jié)果

圖11 拋光壓力30N拋光結(jié)果

(1)不同的冰輪轉(zhuǎn)速下，各點(diǎn)的粗糙度都有明顯下降，冰輪轉(zhuǎn)速為180rpm時(shí)，拋光效果最為理想，粗糙度值最低且分布均勻。

(2)在低轉(zhuǎn)速條件下，凸輪粗糙度值并不能達(dá)到最好；而在較高轉(zhuǎn)速下，振動(dòng)增大，冰輪表面極易出現(xiàn)裂痕，凸輪粗糙度值有增大趨勢(shì)。

2.3 拋光壓力對(duì)凸輪表面粗糙度的影響

實(shí)驗(yàn)條件：拋光時(shí)間為90min，冰輪轉(zhuǎn)速為180rpm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12 冰輪轉(zhuǎn)速為180rpm下拋光結(jié)果

(1)不同的拋光壓力下，均能起到降低凸輪粗糙度的作用，拋光壓力為15N時(shí)，凸輪粗糙度值達(dá)到最低。

(2)隨著拋光壓力的增大，冰輪表面會(huì)出現(xiàn)裂痕，甚至受到破壞，影響拋光的質(zhì)量。

3 結(jié)語

綜合上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，最佳拋光時(shí)間為90min，冰輪最佳轉(zhuǎn)速為180rpm，最佳拋光壓力為15N，在這樣的實(shí)驗(yàn)條件下，凸輪軸表面Ra值得到有效的降低，且粗糙度值的分布比較均勻，整個(gè)拋光過程也比較平穩(wěn)。低溫?zé)o磨料拋光作為一種新的加工工藝方法，能夠明顯地降低凸輪軸表面粗糙度。

[1] 王娟.凸輪軸數(shù)控磨削加工過程動(dòng)態(tài)優(yōu)化仿真的研究及軟件開發(fā)[D].長沙：湖南大學(xué)， 2009.

[2] 盛曉敏.汽車凸輪軸的高速精密磨削加工關(guān)鍵技術(shù)[D].長沙：湖南大學(xué)，2006.

[3] 閆培澤.凸輪軸數(shù)控加工工藝及裝備改進(jìn)[D].鄭州：河南科技大學(xué)，2014.

[4] 梁天柱.圓柱表面低溫?zé)o磨料拋光工藝與機(jī)理研究[D].長春：長春理工大學(xué)，2012.

[5] 張弛，李月英，楊慎華，等.裝配式中空凸輪軸凸輪材料及裝配技術(shù)研究[J].材料科學(xué)與工藝，2005,13(1):8-11.

[6] Qu Shouping,Liang Tianzhu.The Experimental Research of Non-Abrasive Polishing on Metal Cylindrical Surfaces[J].Materials Processing Technology,2012(6):311-315.