凸轮轴两端法兰孔的加工工艺改进

聂申成 盖延军

摘要：凸轮轴是柴油机里的重要零件，功用是调整进气、排气及供油量时间及大小。一般机型柴油机有左右2根凸轮轴，每根凸轮轴按气缸的个数由多个单节、用法兰和螺钉连接装配而成。两根凸轮轴分别安装在机左右两侧的滑动轴承中，两各节段的连接处均有装配时用的凸肩及法兰以及定位销孔，装配时需精确调整各节凸轮轴段的相对位置以保证各个凸轮的正确相位，并用多个螺钉紧固。为了精确控制进排气及供油时间，凸轮轴的单个精度以及整体装配精度偏差要求都非常高。

关键词：凸轮轴；进排气；精度

1 引言

凸轮轴试制方案为，首先用测量头找正A端基准A，确定工件在XY方向零点，然后测量预置的基准孔基准E确定角度C方向零点。根据工艺，基准孔在粗铣凸轮时加工出来以作为后续工序零点基准。如图2所示，工件零点确定。ΔX和ΔY分别为基准圆A中心在机床坐标系下X、 Y方向上偏差值。

找正完成后加工A端法兰孔，掉头，找正基圆B及A端基准孔后加工完成B向法兰孔。经3坐标计量法兰孔后法兰孔位置度严重超差。如图3所示，图表显示的1～8法兰孔位置度全部超差。分布范围：0.12～0.14，超差量较大。在衡量孔中心相对基圆位置偏差数据y_corr和z_corr呈无规则分布，有的孔中心在Y方向偏差较大，有的孔在Z方向偏差较大。

加工出法兰孔的位置精度严重不符合客户图纸要求。

2 位置度超差原因分析

分析工艺控制措施：ΔX和ΔY工件中心对机床中心偏差值由测量头测得。测量头的测量精度直接决定ΔX和ΔY的值以及角度基准孔的偏差值。综合分析凸轮轴法兰孔位置精度超差产生的直接原因由测量偏差引起。

测量头测量误差分为两部分：测量头标定误差和测量方法引起的误差。

凸轮轴法兰孔位置精度超差产生的次要原因由缺乏数据补偿引起，测量头与实际加工刀具在使用时差异较大。测量头静态测量工件数据，不管如何接近实际数值始终存在一定的偏差值。在首件加工中由于编程过程缺乏对测量头测量数据进行反馈，也是造成位置度超差的原因之一。

3 工艺改进措施

3.1 测量头标定误差及消除

WFL车铣中心使用的马波氏测量头，测量头作为测量工具，其本身与普通刀具类似，有准确的刀具长度和半径补偿，并且需要用标准尺寸的环规进行标定。WFL车铣中心使用的马波氏测量头如图4所示。

通常马波氏测量头在使用时会对其进行标定。标定过程中测量头球头进入标定环中，沿前后左右四个方向进行测量，测得的结果与标定环直径ΦD相比较并修正存储于机床参数中。标定程序为

测量头在几何参数发生变动以及长时间未重复标定情况均会影响测量结果。

测量头标定状态与切削状态保持一致，测量的结果才能更接近真实值。在凸轮轴加工中刀具中心与水平线平行，测量头在测量时中心同样与水平线平行，为更接近测量结果，测量头就必须在水平方向标定。

所以为了在工艺中降低测量头标定误差可以采取如下措施。

1）测量头定期进行数据标定，每加工5支凸轮轴后均需进行测量头校准。

2）测量头标定时必须与使用状态一致。在加工凸轮轴时，采取水平方向标定x1和y1坐标轴，加工凸轮轴时采取水平方向标定x1和y1坐标轴如图5所示。程序为

3.2 测量方法引起误差及消除

在加工首支凸轮轴时，通过采用标准棒校核测量工件基准A中心与测量头测量对比发现，测量头测量结果存在一定的偏差。偏差存在的原因在于，测量头球头对中心有跳动偏差。在测量基准如图6所示时，会有跳动偏差引起测量偏差。

在如图6所示测量凸台基准时，测量后端球头a点接触，测量前端球头b点接触，因为球头跳动偏差，测量的结果会有相应的偏差。

消除球头跳动偏差的措施可采取前后同一点接触测量，即通过主轴的旋转实现。在测量前端时球头b点接触，在测后端时，主轴旋转180°，仍然是球头b点接触，程序优化为

3.3 引入经验补偿数据

在首件凸轮轴试制过程中，尽管使用测量头测量出了基准A对机床在直径方向上的偏差值，但与计量结果存在明显的差距。测量头在标定以及测量时均有一个设定的经验值补偿。在综合计量了3支凸轮轴法兰孔中心距偏差值后，在钻孔加工前对测得的工件中心偏差值在X方向上预设经验补偿。

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

在钻孔初始定位中，半径方向定位值为理论尺寸93+测量偏差值gd[100]+经验值0.02，前后偏差值Y1定位值为理论0位+测量偏差值gd[101]。

3.4 增加反馈补偿数据

4 工藝改进效果

在采取针对性的工艺方法改进后，加工后续的凸轮轴经3坐标批量测量结果证明改进措施有效，法兰孔的位置精度基本满足图纸设计要求，在某次计量的18个孔中有17个孔的位置度完全小于公差要求，只有1个孔稍稍超出。在持续跟踪中，所有的孔的位置度精度分布于0.02～0.04之间，得到客户的认可。

5 结束语

针对凸轮轴法兰孔的加工工艺优化措施，同样可以应用到其他高要求法兰孔的加工工艺中，无论是曲轴还是凸轮轴，对提高产品质量卓有成效。