导弹与航天运载技术
MISSILES AND SPACE VEHICLES
1999年 第5期 No.5 1999



凸轮靠模的设计制造与检测(续)
刘兴富
　　摘要　从凸轮轴磨床磨削工件凸轮、反靠凸轮靠模的过程，凸轮靠模轮廓曲线的形成，补偿反靠凸轮靠模的方法，标准凸轮轴的刮削及补偿量的确定，凸轮靠模的检测与评定等，论述了凸轮靠模的设计、制造与检测方法。
　　主题词　凸轮，制造，测量。
The Design， Manufacturing and Measurement of Cam Profiling
Liu Xingfu
(Shanxi Diesel Engine Factory, Xi′an，713800)
　　Abstract　The design, manufacturing and measurement method of cam profiling are discussed in this paper by describing cam shaft grinding, fabrication of cam profiling, formation of contour of cam profiling, method of compensative fabrication of cam profiling, and measurement and evaluation of cam profiling.
　　Key Words　Cam, Manufacturing, Measurement.
9　凸轮靠模的检测与评定
　　补偿反靠制造凸轮靠模方法的精度，是以凸轮升程测量的准确数据为基础的。如果测量数据不准，就无法以标准凸轮、工件凸轮的升程测量数据来正确确定标准凸轮的补偿量，这将增添靠模制造技术的难度。如果测量方法不当，每次测量数据不一致，将导致补偿反靠无法进行。所以，凸轮靠模制造中的凸轮升程检测，是靠模制造工艺中非常重要的组成部分。
　　凸轮靠模制造中，一般不直接测量靠模本身，而是通过以靠模磨出的工件凸轮间接地对靠模进行评定。只有当需要找出标准凸轮、凸轮靠模、工件凸轮升程间的差异和相对规律时，才直接测量凸轮靠模的升程。
　　应强调指出，靠模的合格与否，不应以靠模升程的精度来考核，而应以靠模磨出的工件凸轮的升程是否合格来评定。如果靠模磨出的工件凸轮不合格，则靠模就不合格；如果靠模磨出的工件凸轮合格，则靠模就合格。
9.1　凸轮检测基准的确定
　　发动机凸轮一般不标注检测基准。对于未标注升程检测基准的凸轮，其实际形状相对于理想形状的位置，应按最小条件来确定。因此，凸轮升程的检测基准，只能在凸轮实际轮廓曲线上寻找。
　　设m(αm,Δhm,h′m)是凸轮实际轮廓左侧(上升段)的一点，n(αn,Δhn,h′n)是右侧(下降段)的一点(见图4)。当凸轮实际轮廓相对于理想轮廓有一位置(转角)误差Δα时，则可由凸轮升程函数式h=h(r,α)，求出m,n两点的升程误差：

(5)
将式(5)上、下两式相减，则

(6)
　　分析式(6)可知，只有当分子项最小，分母项最大时，Δα的值最小。也就是说，只有将m，n选在凸轮左、右侧升程变化率绝对值最大的敏感点，并调整m，n的升程误差相等(Δhm=Δhn)时，式(6)的分子项最小，分母项最大。由此可以得出，凸轮的敏感点是凸轮的最佳测基准，把敏感点作为基准检测凸轮升程的方法，简称为敏感点法。
9.2　凸轮检测起始转角的测算
　　凸轮转角起始位置，一般设计在桃尖、零点和基点(见图4)。当转角起始位置为桃尖时，起始转角从桃尖起算，当转角起始位置为零点时，起始转角从零点起算，当转角起始位置为基点时，起始转角从基点起算。但是，无论转角起始位置是桃尖、零点还是基点，凸轮的升程总是从基点起算。如图9所示，在实际检测中，通过测出凸轮左、右侧敏感点理论正确升程相应的实际转角后，即可求出凸轮检测起始转角，即

(7)

图9　凸轮检测起始转角测算过程与技巧
式中　αm，αn——凸轮左、右侧敏感点的理论转角；
　　φm，φn——凸轮左、右侧敏感点的实际转角；
　　h′m，h′n——凸轮左、右侧敏感点的升程变化率。
9.3　凸轮升程起始值的设定
　　在凸轮检测中，一般以凸轮实际基圆的母线来确定升程的起始值(零升程)，但是由于基圆形状误差的随机性以及选择部位的差异，往往造成比较大的人为误差。为避免受实际基圆形状误差的影响，以凸轮实际基圆的最小二乘圆的母线作为升程起始基准。理论和检测实践均证明最小二乘圆符合凸轮检测实际，可是获得最小二乘圆的可操作性差，不适于工艺过程中的检测。
　　根据磨削凸轮上坡和下坡磨削量的差异，只形成左、右侧基圆部分的偏磨，而与桃尖成180°基圆部分磨削速度平稳，因而磨削量均匀，形成光滑的圆柱面，且其直径接近最小二乘圆的直径。因此，选用与桃尖成180°基圆母线上的基点值，作为升程起始基准。测量实践证明，以基点为升程起始基准，不受凸轮实际基圆形状误差的影响，所获得的升程测量数值有较好的重复性。
9.4　检测仪器的操作技巧
　　目前，国内一些大型发动机制造厂及科研单位已采用自动检测，但一些中小型发动机厂仍然采用手工检测。
　　手工检测凸轮升程时，准确确定实际凸轮理想检测位置是检测的关键。本文的检测方法在一两分钟内就可以准确地获得凸轮理想检测位置，且凸轮检测位置参数与图纸要求参数的数值相一致，不需要进行参数换算，就可以直接按图纸给出的升程表进行测量。
　　手工检测时，为了迅速而准确地得到实际凸轮的理想检测位置和凸轮检测起始转角，除了正确的确定方法之外，尚需运用检测仪器的一些功能特性，并辅以一定的操作技巧。
　　以在国产JJ2-JJF2数显式凸轮检查仪上手工检测发动机凸轮升程为例，采用敏感点法确定凸轮理想检测位置即求解凸轮升程检测起始转角的测算过程，以及仪器功能运用的检测技巧。
　　运用凸轮检查仪的DGS144及DS100A型数显箱的置数、存储、清零等功能，将凸轮检测中的转角及升程的显示值通过恰当而适时的置数、存储、清零来简化确定实际凸轮理想位置即升程检测起始转角的求解过程。
　　先测凸轮轴的进气凸轮(也可先测排气凸轮)，将仪器检测系统安装调试好后(如图9所示)，以凸轮左测敏感点m的理论升程hm为基准，测出敏感点m的相应的分度头转角φm，即角度数显箱的显示值为φm，这时通过置数把显示值变成αm，使转角显示值与敏感点m的理论升程hm相一致(φm=αm)，测出右侧敏感点n理论升程hn相应的分度头转角φn。至此，就取得了确定凸轮理想检测位置和求解升程检测起始转角的基本参数。
　　如果检测过程中未运用置数功能，即φm≠αm(或φn≠αn)时，可按式(7)求出进气(或排气)凸轮升程检测起始转角。
　　如果检测过程中运用了置数功能，即φm=αm(或φn=αn)，则式(7)可简化为

(8)
当求出凸轮升程检测起始转角φ0之后，转动分度头，使数显箱的显示值恰为求出的φ0时，将显示值清零，即得φ0=0。
　　转动分度头，当阿贝测头对准基点时，将阿贝测头的升程数显示值清零，即得h(0)=0。这时，起始转角及零升程的显示值均为零，即φ0=0，h(0)=0。
　　进气(或排气)凸轮已取得了和理论要求相一致的理想检测位置参数，即可按照理论给出的升程表检测进气(或排气)凸轮的升程。
　　应该注意：h(0)是指基点的零升程值，而h0是指升程曲线始点的升程值，即h(0)是基准值，h0是测量值，两者不容混淆。
　　检测排气(或进气)凸轮时，由于要保持进排气凸轮的位置系统，检测过程中转角及升程数显箱的显示值，一律不准置数和清零，只有当进排气凸轮位置关系确定下来之后，可将起始角及零升程按先存储、再清零进行。这样既可利用数显箱存储参数值计算出凸轮上各凸轮间的相位角及各凸轮实际基圆半径，又可通过清零简化凸轮升程测算过程。
　　以上检测过程，使凸轮理想检测位置参数和理论要求参数相一致，省去了检测过程中由于检测位置与理论要求参数之间不相一致的换算过程，既避免了差错，又提高了检测效率。
9.5　检测数据处理与评定
　　目前国内普遍采用敏感点法。在实际应用中，最小条件是一个格的概念［4］，只要检测方法合格，就认为检测数据符合最小条件要求，不必费很大精力去追求其最小值究竟是多大。敏感点法是合格的，在一般情况下，由敏感点法所获得的升程误差检测数据，是符合最小条件的。但是，由于凸轮的检测基准是敏感点，而评定基准是特征点(误差极限点)，在对凸轮评定时，是以符合最小条件为原则，以满足升程公差要求为基础，介绍凸轮升程误差检测数据的处理方法是必要的。
　　如果把敏感点法的升程误差检测数据作为迭代值，从中找特征点，即左侧最大误差点a(αa,Δha,h′a)，最小误差点c(αc,Δhc,h′c)，右侧最大误差点b(αb,Δhb,h′b)，最小误差点d(αd,Δhd,h′d)，依据评定准则［3］,进行基准转换之后将检测基准转换为评定基准，最后可获得符合最小条件要求的凸轮升程误差值。
　　当左右侧最大误差点等距时

(9)
当左右侧最小误差点等距时

(10)
根据包容评定原理，凸轮升程误差最小包容区域的宽度Δ为
Δ=Δhmax-Δhmin
(11)
式(9)，(10)，(11)中　Δhi，Δh(i)——凸轮受检点升程误差的检测值、评定值；
　　esm,esn——凸轮左右侧升程的上偏差；
　　eim,ein——凸轮左右侧升程的下偏差；
　　h′i——凸轮受检点的升程变化率；
　　Δhmax，Δhmin　——被测凸轮升程误差的最大、最小值。
　　如果发动机凸轮按步长1°取检测点(基圆部分除外)，那么一个凸轮一般要测量约180个数据。就单缸机而言，一根凸轮轴的检测数据在500个以上，多缸机往往几千个检测点，甚至更多。所以，凸轮升程误差检测数据处理工作量是相当大的。为此，将以上方法编写了计算机处理程序，可以直接将凸轮升程误差检测数据输入计算机进行处理，并可将符合最小条件的升程误差数据打印出来。
10　凸轮靠模制造工艺
　　补偿反靠制造凸轮靠模的工艺过程是：第1次反靠得到误差规律，确定标准凸轮的升程补偿量；第2次及以后各次反靠(补偿反靠)排除机床动态因素的影响，获得合格的凸轮靠模。标准凸轮的加工是由凸轮刮床(自制设备)来刮削的，由于凸轮刮床的设计是采用包络原理获得凸轮轮廓曲线，不存在原理误差，所以凸轮刮床是标准凸轮的理想加工设备。
　　制造凸轮靠模的工艺过程如图10所示。

图10　制造凸轮靠模的工艺过程
　　当靠模坯料加工好后，首先按工件凸轮升程表刮削标准凸轮(对标准凸轮的精度不需要求很高，即用一根基圆跳动小的同类型的凸轮轴工件代替亦可)。不分析造成靠模不合格的因素，而片面地在靠模制造中去追求高精度的标准凸轮的作法是不正确的。
　　标准凸轮加工好后，进行首次反靠，并同时测量标准凸轮和反靠后靠模磨出的工件凸轮的升程，通过测量确定标准凸轮的升程补偿量。
　　补偿量确定之后，按补偿量修正工件凸轮的升程表，就可得到制造修正标准凸轮的升程表，即得到修正或重新制造标准凸轮的依据。再次反靠后重新测量修正标准凸轮和工件凸轮的升程，借以评定凸轮靠模是否合格。
　　补偿反靠制造凸轮靠模的工艺方法，一般经再次反靠(一次补偿反靠)就可获得合格的凸轮靠模。在反靠过程中，对机床的精度不必作任何调整和提高，也不必手工修正靠模，因此容易掌握，制造周期短。如果机床精度稳定，补偿量确定准确，那么效果是非常好的。
　　按上述工艺方法在1台M8312型凸轮轴磨床上反靠凸轮靠模时，只进行了一次补偿，用了一周的时间，就制造出了合格的凸轮靠模。这充分说明补偿反靠制造凸轮靠模的工艺方法是行之有效的。
作者单位：(陕西省柴油机厂，西安，713800)
参考文献
　1　杨连生主编.内燃机设计.中国农业机械出版社，1981.
　2　刘兴富.求解凸轮检测基准的统筹方法.机械设计，1994(4).
　3　刘兴富.发动机凸轮升程误差曲线符合最小条件的评定准则.标准化报道，1997(2).
　4　国标工作组.形状和位置公差介绍.机械工业标准化，1986(增刊3).
收稿日期：1999-01-05
