凸輪軸兩端法蘭孔的加工工藝改進

聶申成 蓋延軍

摘要：凸輪軸是柴油機里的重要零件，功用是調(diào)整進氣、排氣及供油量時間及大小。一般機型柴油機有左右2根凸輪軸，每根凸輪軸按氣缸的個數(shù)由多個單節(jié)、用法蘭和螺釘連接裝配而成。兩根凸輪軸分別安裝在機左右兩側(cè)的滑動軸承中，兩各節(jié)段的連接處均有裝配時用的凸肩及法蘭以及定位銷孔，裝配時需精確調(diào)整各節(jié)凸輪軸段的相對位置以保證各個凸輪的正確相位，并用多個螺釘緊固。為了精確控制進排氣及供油時間，凸輪軸的單個精度以及整體裝配精度偏差要求都非常高。

關(guān)鍵詞：凸輪軸；進排氣；精度

1 引言

凸輪軸試制方案為，首先用測量頭找正A端基準(zhǔn)A，確定工件在XY方向零點，然后測量預(yù)置的基準(zhǔn)孔基準(zhǔn)E確定角度C方向零點。根據(jù)工藝，基準(zhǔn)孔在粗銑凸輪時加工出來以作為后續(xù)工序零點基準(zhǔn)。如圖2所示，工件零點確定。ΔX和ΔY分別為基準(zhǔn)圓A中心在機床坐標(biāo)系下X、 Y方向上偏差值。

找正完成后加工A端法蘭孔，掉頭，找正基圓B及A端基準(zhǔn)孔后加工完成B向法蘭孔。經(jīng)3坐標(biāo)計量法蘭孔后法蘭孔位置度嚴重超差。如圖3所示，圖表顯示的1～8法蘭孔位置度全部超差。分布范圍：0.12～0.14，超差量較大。在衡量孔中心相對基圓位置偏差數(shù)據(jù)y_corr和z_corr呈無規(guī)則分布，有的孔中心在Y方向偏差較大，有的孔在Z方向偏差較大。

加工出法蘭孔的位置精度嚴重不符合客戶圖紙要求。

2 位置度超差原因分析

分析工藝控制措施：ΔX和ΔY工件中心對機床中心偏差值由測量頭測得。測量頭的測量精度直接決定ΔX和ΔY的值以及角度基準(zhǔn)孔的偏差值。綜合分析凸輪軸法蘭孔位置精度超差產(chǎn)生的直接原因由測量偏差引起。

測量頭測量誤差分為兩部分：測量頭標(biāo)定誤差和測量方法引起的誤差。

凸輪軸法蘭孔位置精度超差產(chǎn)生的次要原因由缺乏數(shù)據(jù)補償引起，測量頭與實際加工刀具在使用時差異較大。測量頭靜態(tài)測量工件數(shù)據(jù)，不管如何接近實際數(shù)值始終存在一定的偏差值。在首件加工中由于編程過程缺乏對測量頭測量數(shù)據(jù)進行反饋，也是造成位置度超差的原因之一。

3 工藝改進措施

3.1 測量頭標(biāo)定誤差及消除

WFL車銑中心使用的馬波氏測量頭，測量頭作為測量工具，其本身與普通刀具類似，有準(zhǔn)確的刀具長度和半徑補償，并且需要用標(biāo)準(zhǔn)尺寸的環(huán)規(guī)進行標(biāo)定。WFL車銑中心使用的馬波氏測量頭如圖4所示。

通常馬波氏測量頭在使用時會對其進行標(biāo)定。標(biāo)定過程中測量頭球頭進入標(biāo)定環(huán)中，沿前后左右四個方向進行測量，測得的結(jié)果與標(biāo)定環(huán)直徑ΦD相比較并修正存儲于機床參數(shù)中。標(biāo)定程序為

測量頭在幾何參數(shù)發(fā)生變動以及長時間未重復(fù)標(biāo)定情況均會影響測量結(jié)果。

測量頭標(biāo)定狀態(tài)與切削狀態(tài)保持一致，測量的結(jié)果才能更接近真實值。在凸輪軸加工中刀具中心與水平線平行，測量頭在測量時中心同樣與水平線平行，為更接近測量結(jié)果，測量頭就必須在水平方向標(biāo)定。

所以為了在工藝中降低測量頭標(biāo)定誤差可以采取如下措施。

1）測量頭定期進行數(shù)據(jù)標(biāo)定，每加工5支凸輪軸后均需進行測量頭校準(zhǔn)。

2）測量頭標(biāo)定時必須與使用狀態(tài)一致。在加工凸輪軸時，采取水平方向標(biāo)定x1和y1坐標(biāo)軸，加工凸輪軸時采取水平方向標(biāo)定x1和y1坐標(biāo)軸如圖5所示。程序為

3.2 測量方法引起誤差及消除

在加工首支凸輪軸時，通過采用標(biāo)準(zhǔn)棒校核測量工件基準(zhǔn)A中心與測量頭測量對比發(fā)現(xiàn)，測量頭測量結(jié)果存在一定的偏差。偏差存在的原因在于，測量頭球頭對中心有跳動偏差。在測量基準(zhǔn)如圖6所示時，會有跳動偏差引起測量偏差。

在如圖6所示測量凸臺基準(zhǔn)時，測量后端球頭a點接觸，測量前端球頭b點接觸，因為球頭跳動偏差，測量的結(jié)果會有相應(yīng)的偏差。

消除球頭跳動偏差的措施可采取前后同一點接觸測量，即通過主軸的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)。在測量前端時球頭b點接觸，在測后端時，主軸旋轉(zhuǎn)180°，仍然是球頭b點接觸，程序優(yōu)化為

3.3 引入經(jīng)驗補償數(shù)據(jù)

在首件凸輪軸試制過程中，盡管使用測量頭測量出了基準(zhǔn)A對機床在直徑方向上的偏差值，但與計量結(jié)果存在明顯的差距。測量頭在標(biāo)定以及測量時均有一個設(shè)定的經(jīng)驗值補償。在綜合計量了3支凸輪軸法蘭孔中心距偏差值后，在鉆孔加工前對測得的工件中心偏差值在X方向上預(yù)設(shè)經(jīng)驗補償。

X1=93+GD[100]+0.02 Y1=0+GD[101] C1=0

在鉆孔初始定位中，半徑方向定位值為理論尺寸93+測量偏差值gd[100]+經(jīng)驗值0.02，前后偏差值Y1定位值為理論0位+測量偏差值gd[101]。

3.4 增加反饋補償數(shù)據(jù)

4 工藝改進效果

在采取針對性的工藝方法改進后，加工后續(xù)的凸輪軸經(jīng)3坐標(biāo)批量測量結(jié)果證明改進措施有效，法蘭孔的位置精度基本滿足圖紙設(shè)計要求，在某次計量的18個孔中有17個孔的位置度完全小于公差要求，只有1個孔稍稍超出。在持續(xù)跟蹤中，所有的孔的位置度精度分布于0.02～0.04之間，得到客戶的認可。

5 結(jié)束語

針對凸輪軸法蘭孔的加工工藝優(yōu)化措施，同樣可以應(yīng)用到其他高要求法蘭孔的加工工藝中，無論是曲軸還是凸輪軸，對提高產(chǎn)品質(zhì)量卓有成效。