摩托车发动机凸轮轴外圆磨床夹具的改进

摘 要：本文主要分析了摩托车发动机的凸轮轴磨削工艺，找出原夹具在设计上对不同机型生产存在着局限性， 且原夹具加工难度大、精度要求高。本文提出改进夹具的夹紧定位方式，统合了加工不同机型的夹具，实现了提高机型切换效率和降低制造成本的目的。

关键词：凸轮轴；机型切换；定位夹紧；棘子驱动；涨芯驱动；磨削力。

社会发展日益要求环保，五羊一本田摩托（广州）有限公司始终致力于增加产品科技含量，促进摩托车行业品质的提高，使事业与世界环境共同发展。通过技术攻关和创新、开发环保产品，生产的摩托车在2005年满足了欧洲2号排放标准，2006年又推出国内第一款集欧Ⅲ排放标准、电喷、水冷于一身的新产品，在2009年该车型成为国内第一款取得国家全项许可（公告、环保以及3c）的国III车型。2010年更是采用领先的电喷技术、发动机上的核心二号技术及OTR技术，并采用触媒对应排放污染物控制，以符合国家新出台的国III排放环保法规要求，于7月份共推出十款达到国III排放标准的新产品。直至2013年，五羊—本田每年都会推出十款以上的新产品到国内以及海外市场，新产品的诞生，发动机中的凸轮轴组件也因应发生设变。

我司有两条凸轮轴生产线，通过更换工装、夹具实现全机型凸轮轴总成的加工。新产品的导人，必须配置相适宜的工装夹具，而现代的生产是讲求效率和成本的，本文叙述的是通过改进凸轮轴的外圆磨床夹具，以最少的投入实现新产品的生产和快速的加工机型切换。

1.凸轮轴磨床工序工艺分析

如图1所示，是我司生产的两种机型凸轮轴。两种机型凸轮轴均有三级轴径需要精磨轴径。目前，我司采用一台外圆磨床一次同时加工凸轮轴全部轴径。该工艺特点，一次定位完成所有轴径的精加工，加工精度高，投资少，仅需要一台设备。

我们知道，实现机械加工的工装夹具关键因素是定位与夹紧。对于轴类零件，一般以中心孔定位，相对比较简单，且容易实现。至于夹紧，则根据零件、工艺的特点，采取适当的夹紧方式实现加工。凸轮轴也是轴类零件，也以中心孔定位的。夹紧机构则根据加工零件的结构不同，分有两种类型。一类是以KZL为代表的，利用工件端面的键槽，夹具采用棘子与键槽配合，顶尖夹紧，驱动工件旋转实现磨削（以下简称：棘子驱动顶尖夹紧）。另一类是以KVJ为代表，利用工件端面的油孔，采用涨芯夹具夹紧油孔内壁驱动工件旋转，然后顶尖夹紧，实现磨削（以下简称：涨芯驱动顶尖夹紧）。两类夹紧方式如图2所示。

2.原夹具的分析以及问题的提出

“棘子驱动顶尖夹紧”与“涨芯驱动顶尖夹紧”，两种驱动夹紧方式完全不同。如图2所示，棘子驱动夹具简单，驱动元件与夹紧部件分离，即顶尖与棘子分离，制作成本低，安装调整也方便、快捷。而涨芯驱动夹具复杂，驱动元件与夹紧部件合为一体，结构复杂，制作精度要求高，目前均从日本进口，每套涨芯夹具约3万元，使用成本相当昂贵。涨芯夹具安装调整也较复杂，特别是，两种夹具切换时，耗时长达60分钟以上。

而目前我司两条凸轮轴生产线的节拍35秒/件，要求机型切换时间30分钟。凸轮轴磨多级外圆工序的机型切换时间长达60分钟以上，是整条生产线耗时最长的，其中，切换砂轮25分钟，切换工装夹具35分钟，严重影响生产线的效率。

目前，摩托车市场竞争越加激烈，生产机型越来越多，导致生产机型切换更加频繁。虽然我司历经多年的FOG（生产能力提升活动）推进，本工序机型切换时间长的问题依然没解决，已成为抑制整条生产线生产能力的瓶颈。

3.新夹具的构思

我们知道，磨削外圆时，作用于工件和砂轮上的磨削力可以分解为相互垂直的三个分力，即沿砂轮切向的切向磨削力Ft，沿砂轮径向的法向磨削力Fn，以及沿砂轮轴向的轴向磨削力Fa。在外圆磨削过程中，工装夹具的驱动夹紧力主要克服切向磨削力，驱使工件旋转实现磨削。当切向磨削力大于驱动夹紧力时，工件会出现打滑甚至脱离夹具的情况。

我们知道切向磨削力为：

（ap：磨削深度，fav：磨削进给速度，vw：磨削速度，即工件旋转速度。）

而法向磨削力Fn永大于切向磨削力Ft，磨削铸铁时，磨削力比Fn/Ft≈2.7～3.2。

根据切向磨削力公式可知，在外圆磨削过程中，粗磨时的切向磨削力最大。

我们的磨削工艺是：粗磨时切削用量分别为ap=0.05mm、fav=2.5mm/min、vw=14.3m/min，所以Ft=5.6N 。经过计算，外圆磨削中切向磨削力较小。

因此，我们有个大胆的假设：能否通过头架顶尖上“磨削法向磨削力”和“尾座顶尖推力”，使头架顶尖与工件产生的摩擦力克服切向磨削力，驱动工件旋转的，实现磨削。统合两种夹具为两顶尖驱动夹紧（其中一顶尖为活动顶尖），实现机型切换时间中的工装夹具切换时间为零。

4.新夹具的验证

如图3，法向磨削力Fn可以分解为：Fb1与Fc1。

Fb1= Fn·cos30° =15.1×cos30°=13.1 N，

而Fa1为Fn产生向尾座的推力，所以Fa1=Fc1·cos30°= Fn·sin30°·cos30°=6.5N。

尾座顶尖有效推力Fa0可以分解为Fb2与Fc2。

Fb2= Fa0·sin30°。

头架顶尖与工件产生的摩擦力：Fμ=（Fb1+Fb2）·μ。

要实现假设，必须Fμ>Ft。已知μ=0.2（钢与铸铁摩擦系数）。

∴（13.1+ Fa0·sin30°）×0.2>5.6

∴ 顶尖有效推力Fa0>29.8 N

尾座顶尖总推力Fa= Fa0+ Fa1=29.8+6.5=36.3 N。

也就是，只要尾座顶尖总推力大于36.3 N，构思将可能实现。理论上，头架顶尖与工件的摩擦力Fμ可以克服切向磨削力。同样道理，尾座顶尖与工件同样产生与Fμ方向相反的摩擦力Fμ'。若尾座顶尖采用回转顶尖，那么此Fμ'很小，可以暂时忽略。所以，Fμ可以克服切向磨削力，带动工件旋转，实现磨削加工。

根据工艺夹具设计要求，精加工过程中，一般夹具安全系数为1.5～2.0，即尾座顶尖总推力应大于72.6N，磨削夹紧力才是充足的、安全的。

我司使用进口日本丰田工机GL5PⅡ-32型外圆磨床磨削凸轮轴各级轴径，其尾座顶尖工作推力由弹簧控制，且其弹簧力可调。丰田工机GL5PⅡ-32型外圆磨床尾座顶尖弹簧力：MIN 245N，MAX 1076N。因此，设备的尾座顶尖推力永大于假设所需安全值。所以，假设是可以实现的。

新工艺验证：

根据以上分析论证，将设备尾座固定顶尖变更为回转顶尖，尾座顶尖推力设定为设备最小值245N。对以下两组磨削参数进行试验。

实际验证结果也证明：我们的假设是可行的。

5.新夹具投入使用的效果

新驱动夹具全面实施后，检测产品加工精度CP值均与原工艺一致，均达1.33以上。项目实施后，跟踪回转顶尖使用寿命均长达14个月以上，满足我们预定寿命1年（或加工35万件）以上。

新驱动夹具：取消了专用的夹紧驱动装置，两类不同结构的凸轮轴统一由两顶尖定位兼驱动夹紧，各机种工装简单、统一，机型切换方便快捷，由于统合了两种夹具，机型切换时间中的工装夹具切换时间变为零，总的时间由原来60分钟以上缩短至30分钟以内，大大的提升了生产线的生产效率。

6.结束语

现在社会发展日新月异，产品更新换代越来越快。企业的生产制造模式越来越多是以小批量多品种，以适应市场的需求。多品种小批量的生产模式，换型效率越来越受到关注。利用项目成果，可以进一步简化传统外圆磨削工艺的工装，统一由两顶尖定位兼驱动夹紧，大大缩短了新产品的生产准备周期，提高产品的生产切换效率。

作者简介：

江仕钊（1980- ），男，汉族，广东广州人，大学本科、工程硕士，助理工程师。