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机车柴油机凸轮轴型线设计与工艺优化.pdf

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独创性说明作者郑重声明本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得大连理工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者签名痤咝日期避笪习大连理工大学专业学位硕士学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”,同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名盘亟查导师签名丑年上月.L日大连理工大学专业学位硕士学位论文1绪论1.1论文背景随着我国铁路第六次大提速启动,铁路电气化里程不断增加,内燃机车铁路用量减少,大连机车车辆有限公司生产的大功率内燃机车在高速重载方面面临着巨大的考验。大缸颈柴油机的研发成为公司重中之重的开发项目,与英国MAN公司合作开发的船用RK270型柴油机,与美国GM合作开发的16V265H型机车柴油机等项目陆续展开。为了适应市场,公司调整战略,于2005年开始设计制造船用中速柴油机,同时拓展工矿企业市场,为沪东重机等中速大缸颈柴油机生产企业加工柴油机配件。凸轮轴是机车柴油机的关键件,凸轮轴的品种也趋于多样化的,凸轮轴的加工及组装工艺优化设计尤为重要。这就需要凸轮轴这个关键件的工艺进一步柔性化,现代化。目前机车柴油机凸轮轴有两种结构形式。一种是双缸式凸轮轴两个气缸的两组凸轮设置在一根凸轮轴上;另一种是单节凸轮轴每个气缸对应一节凸轮轴。机车柴油机主要机型为16V240ZJ型,16个气缸呈v字型排列,凸轮轴分左右两列,双缸式凸轮轴每组由4节凸轮轴组成,长约3475mm,由于各节凸轮相位不同,组装时必须对各缸凸轮夹角和各轴颈跳动迸行长时间的手工调整,对组装操作者的技术水平要求高,而且互换性差,维修成本高。单节凸轮轴两端的法兰孔精度高,组装时不需要长时间调整,生产效率高,对操作者的技术水平要求不高,而且互换性好,维修成本大大降低,双缸式凸轮轴由于组装时必须人工调整凸轮夹角和各轴颈跳动量,所以只能整体拆装,维修时需要拆除大量装置,消耗大量人力物力,极为不便。而单节凸轮轴由于互换通用,除整组拆装外,也可以单节拆装。单节拆装时由于尺寸短小,只需将机体侧羞打开就可以进行拆装,极大地方便了铁路机务段的维修与更换。公司凸轮轴的加工工艺关键在于凸轮加工,在2005年7月以前公司凸轮粗铣加工采用20世纪80年代引进的德国模拟电路控制的数控凸轮铣床加工,因设备老化,行程受限,控制系统柔性差等原因,不适应目前多品种生产的实际情况,单节凸轮轴粗铣加工只能在凸轮磨床靠出凸轮型线,然后在万能铣床上完成铣削工序,铣削后的凸轮只能粗略符合凸轮型线,加工余量非常大,在铣凸轮之前靠凸轮工序对凸轮磨床的精度会造成不良影响。粗磨凸轮和精磨凸轮分别在MB8325凸轮磨床和NwS.1800凸轮磨床以仿形磨削的方式进行。仿形磨削需要制作精度要求高于凸轮轴凸轮设计型线的精度,造成凸轮靠模制造周期长成本高,曲线更新困难;仿形系统的误差包括靠模的制造误差工件制造误差的30%是由于靠模误差引起的、磨损误差以及靠模的定位误差,还有仿形机车柴油机凸轮轴型线设计与工艺优化系统的弹性变形。这种仿形误差对凸轮加工精度的影响能达到0.05.0.06mm。砂轮直径变化影响凸轮升程,砂轮直径在切削过程中不断减小,经验显示,凸轮升程随砂轮直径每变化lOmm升程变化0.048am靠模仿形磨床对这种变化没有补偿功能,这种限制使得砂轮的有效使用范围大大缩短,造成生产中砂轮浪费严重。因为凸轮磨床工件转速固定,所以凸轮型面上各升程点的磨削速度不相同,某些点存在着较大的加速度,这种运动形式对凸轮造成很大的震动与冲击,在凸轮表面形成过大的拉应力和较大变质层,从而引起凸轮表面过早出现疲劳裂纹、磨损,使零件失效。改变传统工艺,优化凸轮型线设计,采用先进数控加工技术提高凸轮轴的加工工艺水平被公司列入柴油机整体工艺质量提升攻关项目。1.2国内外研究现状凸轮轴是机车柴油机配气机构的主要驱动件,设计在其上的凸轮,以其外形轮廓曲线控制气门的运动规律,更换气缸内的气体。设计中要求凸轮的配置位置必须正确,以保证各缸已选定的配气正时和配气时面值的实现;根据柴油机总体设计的布置和凸轮轴上的载荷情况,在保证凸轮轴具有足够刚度的前提下,决定支承轴承数和轴承尺寸,以及凸轮轴的最小直径尺寸;合理选择材料和热处理方法,以保证凸轮轴具有足够的疲劳强度、冲击韧性、表面硬度和耐磨性。其中凸轮型线设计是凸轮轴设计的关键步骤,凸轮型线设计是根据机车柴油机性能要求设计凸轮外形的轮廓曲线凸轮型线。凸轮型线决定着配气机构的通过能力,即时间.截面值的大小和惯性力的作用情况,对配气机构的工作能力和动力性能有着决定性影响。配气凸轮型线设计有两种方法根据对所设计的柴油机的分析和已有的经验,选定凸轮外形轮廓线。即确定凸轮几何形状和推杆型式,然后计算出推杆运动规律。从而校验所选定的凸轮几何形状是否满足设计要求。用这种方法设计的凸轮称为几何凸轮,它由几段圆弧组成,是最常见的凸轮型线形式;从柴油机性能对气门通过能力和配气机构动力性能的要求出发,先拟定推杆运动规律,而后求得凸轮外形轮廓曲线。用这种方法设计的凸轮称为函数凸轮。上述两种方法都有广泛应用。机车柴油机目前向着高速重载的方向发展,这就需要凸轮具有良好的动力学性能,多项式高次方函数凸轮的加速度曲线是连续的,其动力学性能优于几何凸轮和一般的函数凸轮。在传统工艺中采用凸轮靠模磨削凸轮的仿形磨削存在凸轮廓线曲线不稳定,合格率低,凸轮靠模制造周期长,柔性差等问题。随着柴油机向高速、强化、经济和低污染方向不断发展,凸轮曲线越来越复杂,对凸轮轮廓型面曲线的加工精度要求也越来越高,但是这些缺陷使传统的靠模法加工不能满足凸轮轴新产品发展的需要。随着数控技术的一2一堑堡三盔堂主些兰垡堕主堂垡堡奎发展,欧美各国都己研制出适用于加工凸轮的数控机床,并在世界范围内广泛应用。数控机床应用数控技术对加工过程进行控制的机床。它用柔性的零件程序代替了普通机床中大量的齿轮、挡块、限位开关等零件,它综合了计算机、自动控制、电机、电气传动、测量、监控和机械制造等学科的内容,是一种现代化的自动化加工技术。目前对于加工凸轮轴被普遍看好的数控设备有数控凸轮磨床,数控车铣加工中心。这种柔性加工系统对于种类多、批量小、产品更新快的高精度且形状复杂的零件进行加工,具有无可比拟的优越性。凸轮磨削用砂轮近几年取得了很大的发展,立方氮化硼CBN砂轮在国内外发动机制造业凸轮轴磨削工艺中得到很好的应用和推广。CBN砂轮是超硬切削材料之一,它是氮与硼的化合物,其硬度仅次于金刚石,但它和金刚石相比却有如下优点 1在1200℃高温下仍可保持硬度不变 2有很高的韧性; 3CBN与碳元素的亲和力小,非常适宜于磨削钢质零件而能保持较高的耐用度。CBN砂轮硬度仅次于金刚石,相当于刚玉砂轮的2倍多,而韧性比金刚石好,可以磨削各种高硬度、高强度的钢质零件。其砂轮耐用度与磨削效率是其他各种砂轮所不及的。 4CBN砂轮的导热性和热稳定性好,可承受1300~1500℃的高温,其导热性是刚玉砂轮的45倍,特别适用于磨削凸轮轴这种高强度合金钢,而不产生裂纹。5CBN化学惰性强、稳定性好,耐用度约为普通刚玉砂轮的1400倍。6CBN砂轮磨削的零件表面质量好不产生磨削烧伤裂纹等缺陷,并能提高零件的疲劳强度。7CBN砂轮适宜于高速磨削。采用CBN砂轮精磨凸轮能保证凸轮型线更接近设计曲线,由于CBN砂轮的磨耗极小,可以稳定的保证凸轮型线始终处于最佳状态。随着数控技术的不断发展和凸轮新型磨料的产生,凸轮轴加工工艺的提升成为国内外汽车制造业和内燃机车制造业的重要课题。目前欧美汽车制造业和内燃机车制造业的凸轮轴加工工艺都实现了数控化。法国的MTS公司是一家凸轮轴专业生产厂,成立于1932年,坐落于法国巴黎南部,公司拥有100名员工,生产用于摩托车、机车和船用柴油机,直径从100mm到370mm的凸轮轴,是专业的凸轮轴制造企业。产品远销欧洲、美国和日本,为美国GM提供机车柴油机凸轮轴产品,该公司的凸轮轴加工工艺己实现数控化,柔性化。拥有凸轮轴车铣加工中心、数控凸轮磨床、凸轮轴专用检测仪等高新数控加工及检测设备,凸轮的粗加工在车铣加工中心上完成,精加工在数控凸轮磨床上完成,其生产的凸轮轴精度高、柔性好、生产效率高、产品品种多样化。国内汽车制造业的凸轮轴生产近几年也逐步朝着数控化、柔性化的方向发展。东风襄樊柴油机厂、上海大众、一汽二发以及十堰东风发动机厂等国内汽车行业知名厂家都先后引进了高精度的数控车铣加工中心和数控凸轮磨床,消除了传统仿形磨削工艺中的不利因素,保证了凸机车柴油机凸轮轴型线设计与工艺优化轮轴稳定地加工质量,实现了适应多品种,柔性化的凸轮轴工艺的提升。国内的机车行业凸轮轴工艺提升也在逐步地进行。凸轮精磨后的磨削裂纫质量问题一直影响着凸轮轴的加工质量和产品的合格率,对磨削裂纹的质量控制是凸轮轴生产的重要环节。凸轮磨削裂纹质量问题在戚墅堰机车厂,资阳机车厂等内燃机车制造企业也普遍存在,解决这一问题的关键在于对凸轮轴热处理工艺的改进。1.3本文主要工作本文研究的课题有配气凸轮型线的设计,单节凸轮轴工艺优化和凸轮轴加工关键工序质量控制等几个方面。凸轮型线设计是凸轮轴设计的关键步骤,凸轮型线设计是根据机车柴油机性能要求设计凸轮外形的轮廓曲线凸轮型线。凸轮型线决定着配气机构的通过能力,即时间一截面值的大小和惯性力的作用情况,对配气机构的工作能力和动力性能有着决定性影响。多项式高次方凸轮是“整体式”的凸轮,它的整个基本段升程曲线是统一的、充分光滑的。即它的三阶导数为连续函数,所以加速度曲线光滑连续,具有良好的工作能力和动力学性能。为满足目前铁路对内燃机车柴油机高速重载的要求,机车柴油机凸轮型线设计采用多项式高次方凸轮。从柴油机性能对气门通过能力和配气机构动力性能的要求出发,先拟定推杆运动规律,而后求得凸轮外形轮廓曲线的极坐标表达式,继而计算出凸轮的升程表。凸轮轴工艺优化关键在于凸轮加工工艺的数控化,柔性化。以前公司凸轮粗铣加工采用20世纪80年代引进的德国模拟电路控制的数控凸轮铣床加工,因设备老化,行程受限,控制系统柔性差等原因,不适应目前多品种生产的实际情况,新产品粗铣加工只能在普通的万能铣床完成,粗铣后的凸轮加工余量大,造成凸轮磨削困难。凸轮精加工一直采用凸轮仿形磨床用靠模仿形加工的方式,凸轮磨削质量受凸轮靠模制造精度的影响,而且凸轮靠模制造周期长,精度低。这种种情况制约着凸轮轴加工工艺的提升。2005年国债项目公司引进一台奥地利WFL公司生产的M40型五轴联动车铣加工中心,和一台德国KOPP公司生产的SN320型数控凸轮磨床,这两台高新数控设备于2006年正式投产。凸轮精磨是凸轮轴加工的关键工序,凸轮精磨后的磨削裂纹质量问题一直影响着凸轮轴的加工质量和产品的合格率,对磨削裂纹的质量控制是凸轮轴生产的重要环节。铸造机体柴油机凸轮轴设计为单节凸轮轴,材质为20CrMnTi,自批量生产以来,单节凸一4一大连理工大学专业学位硕士学位论文轮轴磨削裂纹质量闯题成为公司的惯性质量闯题之一。本课题通过对磨削裂纹的原因分析,提出切实可行的预防措施,实现了对凸轮轴加工关键工序的质量控制。综上所述,通过本课题的研究,大连机车车辆有限公司的凸轮轴生产实现了数控化、柔性化,达到了目前国际现代化先进生产水平。机车柴油机凸轮轴型线设计与工艺优化2凸轮轴的设计2.1凸轮轴设计的技术要求凸轮轴是机车柴油机配气机构的主要驱动件,设计在其上的凸轮,以其外形轮廓曲线控制气门的运动规律,更换气缸内的气体。设计中要求凸轮的配置位置必须正确,以保证各缸已选定的配气正时和配气时面值的实现;根据柴油机总体设计的布置和凸轮轴上的载荷情况,在保证凸轮轴具有足够刚度的前提下,决定支承轴承数和轴承尺寸,以及凸轮轴的最小直径尺寸;合理选择材料和热处理方法,以保证凸轮轴具有足够的疲劳强度、冲击韧性、表面硬度和耐磨性。大连机车车辆有限公司设计的凸轮轴采用凸轮与轴制造成一体的结构,凸轮轴上各缸凸轮位置的配置是由气缸的数目、气缸的排列和气缸的发火顺序决定,为了保证正确的配气定时,设计除了应保证凸轮轴各凸轮相对角位置的配置外,还必须保证凸轮轴对曲轴有正确的相对位置。其中凸轮型线设计是凸轮轴设计的关键步骤,凸轮型线设计是根据机车柴油机性能要求设计凸轮外形的轮廓曲线凸轮型线。凸轮型线决定着配气机构的通过能力,即时间.截面值的大小和惯性力的作用情况,对配气机构的工作能力和动力性能有着决定性影响。对凸轮型线的设计有如下几点要求1能获得足够大的时面值,以保证气门通过能力,提高气缸充量效率;2保证合适的配气正时,要顾及柴油机功率、扭矩、转速、经济性、低负荷运转及启动等方面的要求;3正、负加速度值不宜过大,最好不产生加速度突变现象,以免配气机构各零、部件问作用力过大或产生冲击,从而保证机构工作可靠,使用寿命长;4气门落座和开启速度不能太大,避免气门座合面及阀座过快磨损;5工作中产生的噪声小;6具有良好的工艺性,便于制造。上述要求往往互相矛盾,要根据所设计柴油机的具体用途和机型来分析主要矛盾,协调各项因素,作出选择和设计。[1]大连理工大学专业学位硕士学位论文2.2凸轮轴配气凸轮型线设计凸轮型线设计是凸轮轴设计的关键步骤,特别配气凸轮型线对配气机构动力性能和工作能力有着决定性的影响。配气凸轮型线设计有两种方法1 根据对所设计的柴油机的分析和已有的经验,选定凸轮外形轮廓线。郎确定凸轮几何形状和推秆型式,然后计算出推杆运动规律。从而校验所选定的凸轮几何形状是否满足设计要求。用这种方法设计的凸轮称为几何凸轮,它由几段圆弧组成,是最常见的凸轮型线形式;2 从柴油机性能对气门通过能力和配气机构动力性能的要求出发,先拟定推杆运动规律,而后求得凸轮外形轮廓曲线。用这种方法设计的凸轮称为函数凸轮。上述两种方法都有广泛应用。机车柴油机目前向着高速重载的方向发展,这就需要凸轮具有良好的动力学性能,多项式高次方函数凸轮的加速度曲线是连续的,其动力学性能优于几何凸轮和一般的函数凸轮。2.2,1概述下面介绍16V240ZJE型柴油机单节凸轮轴配气凸轮型线设计,16V240ZJE型柴油机单节凸轮轴配气凸轮上升段和下降段呈对称形型线,上升段或下降段由基圆过渡段、主作用段和顶圆过渡段三部分组成。基圆过渡段又由等加速度段和等速度段两部分组成,主作用段为高次方多项式函数段,顶圆过渡段由正弦函数段和另一多项式函数段组成。为了简化设计,进气凸轮和排气凸轮除顶部平段的长短不同外,其余均相同。进排气凸轮的基圆半径为50 mm,滚轮半径为28衄,上升段和下降段的作用角各约为76。凸轮角,下同。为使与原B、c、D型柴油机配气机构能很好衔接,以便使配气机构零部件达到最大限度的通用互换,16V2407_.2E型柴油机单节凸轮轴配气凸轮的主要参数确定为气门升程为20.8 mm左右,配气机构杠杆比为1.318,则配气凸轮升程约为15.8 m/n;凸轮的总作用角,进气为176。,排气为180。;凸轮顶部平段长度,进气约为24。,排气约为28。。2.2.2设计条件16V240ZJE型柴油机单节凸轮轴的配气凸轮型线是与英国Ricardo公司联合设计的。其设计要点如下机车柴油机凸轮轴型线设计与工艺优化1为防止气门和气门座的过快磨损,在标定转速时的气门落座速度,机车柴油机应控制在下列范围进气门0.1~0.15m/s; 排气门 O.150.2m/s。为了有效控制气门的落座速度,基圆过渡段应包括等速过渡段。16V240ZJE型柴油机的气门落座速度确定为0.15 m/s。2基圆过渡段的长度可参考下式确定靠鲁2deg,R式中HR为基圆过渡段的高度滚轮升程,mm;VR为所要求的气门落座速度凸轮端,mm/deg。3基圆过渡段的升程占总升程的比例约为进气凸轮 兰4%; 排气凸轮 兰5%。16V240ZJE型柴油机基圆过渡段的升程占总升程的比例约取为4.3%。4在总作用角和气门最大升程不变的情况下,气门开启期的时面值应尽可能的大,以利于提高气缸充气效率。5气门正加速度与负加速度的比值不小于1.7,以避免在气门弹簧设计时出现困难。以上两点是通过选择主作用段高次方多项式中的幂指数来达到。6基圆过渡段和主作用段、主作用段和顶圆过渡段在过渡点的加速度应连续,以避免冲击,减少机构中的振动。柴油机标定转速 1000r/rain凸轮轴标定转速 500r/rain气门机构杠杆比 1.318进排气滚轮升程 15.7624mm气门落座速度气门端0.15m/s进气凸轮总作用角 176。排气凸轮总作用角 180。
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