凸轮轴低温无磨料抛光技术实验研究

曲守平，亓志辉

(长春大学 机械与车辆工程学院，长春 130022)

0 前言

凸轮轴是在汽车发动机、内燃机、工程机械等领域广泛应用的重要零部件，其种类繁多，型面复杂[1]。凸轮表面通常是由具有多段高次曲线型面的非圆廓面组成，其升程、转角与砂轮半径之间存在非线性关系。且大部分凸轮轴属于细长轴类零件，磨削加工工艺性较差。凸轮轴的工作环境比较复杂，受到的载荷也经常变化[2]。凸轮轴表面的加工精度对燃油效率起到决定性作用，型面质量的高低直接影响动力的发挥。因此，需要提高加工精度和表面质量[3]。

低温无磨料抛光是指在温度不高于零摄氏度的条件下，将不含有任何杂质的水冻制成抛光工具，对工件表面进行研磨抛光的方法[4]。为凸轮轴表面的抛光提供了新的抛光方法。

1 工艺工装研究

1.1 实验工装

本实验是在CA6140车床上进行的。自制工装替代了原来的刀架。如图1所示。

实验工装的三维模型如图2所示。

图1 CA6140车床

1.溜板 2.中滑板 3.气缸架 4.6连接板 5.气缸 7.压力传感器 8.冰轮 9.调速电机 10.卡盘 11.凸轮轴 12.固定杆 13.弹簧 14.移动连接板 15.滑块 16.导轨图2 实验工装三维模型

实验台工作原理为：气缸5推动中滑板2往前运动，其中，导轨16、固定杆12与中滑板2固定连接，固定杆12拉动弹簧13，进而拉动固连在一起的压力传感器7、移动连接板14、调速电机9和冰轮8实现前移，通过弹簧的拉伸，保证冰轮与凸轮轴始终恒压接触。在抛光过程中，冰轮不断融化，通过气缸推动中滑板2，对冰轮融化进行补偿，保证恒压抛光。

1.2 冰轮制备

冰轮是低温无磨料抛光中的抛光工具，由去离子水加入圆盘模具中冻制而成，中间白色部分是尼龙材料做成的冰轮轮毂，中间开有孔跟键槽，用于连接到电机轴上。如图3所示。

图3 冰轮冻制之前与冻制完成之后

1.3 冰轮修整

在进行抛光实验之前，首先要对冰轮进行修整。常压状态下，水在结成冰之后，体积会增大9%，冰轮表面变得不平整。冰轮从冰柜取出后，用电熨斗将冰轮表面熨平整，保证冰轮满足动平衡要求。表面修整完成之后，将冰轮安装到电机轴上，电机转速为200rpm，将车刀夹在机床卡盘内，利用机床进给对冰轮车削修整，保证冰轮圆度。

2 实验研究

实验中使用奥迪汽车发动机的装配式凸轮轴，凸轮材料为铁基粉末冶金材料[5]，洛氏硬度为HRC60。

对冰轮转速、抛光压力、抛光时间等影响抛光结果的因素，进行了实验研究，在凸轮桃尖和基圆区各取3个点作为被测点，如图4所示。在不同工况下，测试了凸轮表面粗糙度Ra值，如表1、2、3所示。

图4 工件表面被测点位置

单位：nm

表2 20N抛光压力下实验结果 单位：nm

表3 30N抛光压力下实验结果 单位：nm

2.1 抛光时间对凸轮表面粗糙度值的影响

实验条件：抛光压力为15N，冰轮转速分别为60rpm、120rpm、180rpm、240rpm。实验结果如图5、6、7、8所示。

图5 冰轮在60rpm下抛光结果

图6 冰轮在120rpm下抛光结果

图7 冰轮在180rpm下抛光结果

图8 冰轮在240rpm下抛光结果

(1)在不同的转速下，各个点的粗糙度都得到了降低，而且在抛光90min时，各点的粗糙度值能够达到最低点，90min后，粗糙度值有增大趋势。

(2)抛光时间低于90min时，由于抛光时间不足，虽然凸轮轴表面粗糙度明显下降，但没有降到最低。

2.2 冰轮转速对凸轮表面粗糙度的影响

实验条件：抛光时间为90min，抛光压力分别为15N、20N、30N。实验结果如图9、10、11所示。

图9 抛光压力15N抛光结果

图10 抛光压力20N抛光结果

图11 抛光压力30N抛光结果

(1)不同的冰轮转速下，各点的粗糙度都有明显下降，冰轮转速为180rpm时，抛光效果最为理想，粗糙度值最低且分布均匀。

(2)在低转速条件下，凸轮粗糙度值并不能达到最好；而在较高转速下，振动增大，冰轮表面极易出现裂痕，凸轮粗糙度值有增大趋势。

2.3 抛光压力对凸轮表面粗糙度的影响

实验条件：抛光时间为90min，冰轮转速为180rpm。实验结果如图12所示。

图12 冰轮转速为180rpm下抛光结果

(1)不同的抛光压力下，均能起到降低凸轮粗糙度的作用，抛光压力为15N时，凸轮粗糙度值达到最低。

(2)随着抛光压力的增大，冰轮表面会出现裂痕，甚至受到破坏，影响抛光的质量。

3 结语

综合上述实验数据分析，最佳抛光时间为90min，冰轮最佳转速为180rpm，最佳抛光压力为15N，在这样的实验条件下，凸轮轴表面Ra值得到有效的降低，且粗糙度值的分布比较均匀，整个抛光过程也比较平稳。低温无磨料抛光作为一种新的加工工艺方法，能够明显地降低凸轮轴表面粗糙度。

[1] 王娟.凸轮轴数控磨削加工过程动态优化仿真的研究及软件开发[D].长沙：湖南大学， 2009.

[2] 盛晓敏.汽车凸轮轴的高速精密磨削加工关键技术[D].长沙：湖南大学，2006.

[3] 闫培泽.凸轮轴数控加工工艺及装备改进[D].郑州：河南科技大学，2014.

[4] 梁天柱.圆柱表面低温无磨料抛光工艺与机理研究[D].长春：长春理工大学，2012.

[5] 张弛，李月英，杨慎华，等.装配式中空凸轮轴凸轮材料及装配技术研究[J].材料科学与工艺，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.