凸轮轴制造现状及智能制造实施路径

摘 要：对凸轮轴加工技术现状进行了分析，指出现有加工技术的不足，表明凸轮轴智能制造是提高凸轮轴加工质量的必由之路，并分析了凸轮轴智能制造实施路径，包括凸轮轴加工工艺设计与优化、研制凸轮轴自动磨削系统、开发设备智能运维系统三方面。

关键词：凸轮轴;高速高精;智能制造智能运维

发动机凸轮轴包括进排气凸轮轴和油泵凸轮轴。进排气凸轮轴是汽车的心脏—发动机进排气系统的核心零件，决定进排气门的开启时刻和开启过程。油泵凸轮轴的型线决定发动机进排气特性，对供油压力、供油规律和整个喷油泵的工作寿命都会产生决定性的影响[1]。无论是进排气凸轮轴，还是高压电控燃油泵凸轮轴，均受到每分钟高达数千次的周期性冲击载无论荷，与挺柱之间的接触应力很大，相对滑动速度也很高，凸轮工作表面的磨损严重。因此，凸轮轴轴颈和凸轮工作表面需要严格的尺寸精度、表面粗糙度和刚度，并需要良好的耐磨性和润滑。因此，凸轮轴需要具有高速高精高耐磨特性。

凸轮轴通常由优质碳钢或合金钢锻造，也可用合金铸铁或球墨铸铁铸造。为保证凸轮轴的高速高精高耐磨特性，凸轮轴锻造或铸造后，其轴颈和凸轮工作表面需经热处理后再磨光。因此，作为型线复杂的高速高精高耐磨凸轮轴，其生产工艺流程多并且复杂。目前国内凸轮轴类零件生产线设备的国产化率不高。

同时，凸轮轴加工属于典型的传统制造业。而制造业是国民经济的基础和支柱产业，其竞争成为大国竞争的焦点。因此，德国提出“工业4.0”，美国提出了“先进制阿造业国家战略计划”，我国提出了“中国制造2025”的战略计划，以解决中国作为全球制造业中心存在的“大而不强”难题。因此，凸轮轴如何实现智能制造有重要的意义。

1 凸轮轴加工技术现状

凸轮轴生产工艺流程较多，主要涉及铸造（锻压）、热处理、车铣等工艺。典型凸轮轴生产工艺为：材料在中频电熔炉熔化→混砂造型→浇铸→出模→抛丸→中心孔钻孔→铣端面→中心孔钻孔→数控车→磨外圆→磨凸轮→滚齿→剃齿→清洗→装配→包装等流程。随着发动机性能的不断改进和提高，凸轮轴作为发动机的关键承载运动件之一，因此对其加工的工艺要求也越来越高。如何使凸轮轴的精度和质量不断提高，需要不断地改进其制造及加工工艺。

目前我国车用高速高精高耐磨凸轮轴所需高效、精密加工的设备很多从国外进口，大多数凸轮轴装备制造企业只能够生产其中部分数控装备，企业主要技术关注点还停留在单机设备的研发制造上，成套设备开发能力较弱，技术整合能力不强。国内车用高速高精高耐磨凸轮轴加工主要问题在于：

①车用高速高精高耐磨凸轮轴，特别是汽车发动机高压电控燃油泵凸轮轴，形状复杂、刚度高、加工精度要求高，普通磨床磨削已不能满足高精度、高效率加工要求;

②目前凸轮轴在热处理渗碳淬火过程中，在凸轮轴锥面上的键槽宽度容易变形，严重影响后续加工，公差精度难以保证;

③一些燃油泵凸轮轴凸轮外形有特殊曲面，现有的铸造装备及工艺在凸轮型线过渡处成型困难，严重影响后续加工精度;

④燃油泵凸轮轴凸轮外形有特殊曲面，现有的凸轮轴机械加工装备夹具不能满足加工要求，造成凸轮轴深槽和凸轮表面易出现磨削裂纹，键槽与凸轮间角度公差和对称度精度低，定位精度和型线加工精度达不到设计要求，亟待研发出满足其机械加工工艺的装备与夹具;

⑤目前没有适用的机械手能满足凸轮轴在机床内部换料的要求，凸轮轴的加工需要两次装夹才能进行深孔钻，钻孔时会将铁削遗留在深孔内，造成堵塞，导致润滑失效，严重影响加工质量;

⑥凸轮轴生产效率低，材料与能源消耗大，生产自动化水平低。

2 凸轮轴智能制造实施路线

针对我国凸轮轴制造生产现状，笔者认为从凸轮轴设计、加工制造和企业信息化入手，利用智能制造中互联网、物联网、大数据、云计算、机器人、人工智能等技术动力，通过智能融合的手段，解决高速高精高耐磨凸轮轴设计与优化、磨削系统自学习、加工设备运维故障预测策略、高效机器人生产线集成等关键技术，实现凸轮轴的智能制造，如图1所示。

2.1 凸轮轴加工工艺设计与优化

首先建立车用凸轮轴自动化生产工艺过程动态仿真模型，快速地对多种工艺方案进行对比分析、工艺模拟实验、优化工艺设计，从而降低车用凸轮轴的开发费用和对资源的消耗，使工艺参数达到最佳，提高产品质量。凸轮轴加工工艺设计与优化技术路线如图2所示。

2.2 研制凸轮轴自动磨削系统

凸輪轴自动磨削系统可以采用改进机床设计、提高刚度、高转速磨、多个砂轮磨削、小外径CBN砂轮、设计上下料机构等对系统进行集成改进[2];状态监测模块采用“传感器+网络采集卡+云服务器+网站服务器”的架构对信号进行采集、传输、存储和显示;通过对凸轮磨削过程中的运行状态数据进行实时采集和标记，利用统计分析、时频分析、小波分析、稀疏分解等方法提取上述数据之间的特征，利用深度学习的神经网络算法等挖掘其中内蕴的工艺知识，形成工艺知识库，对新磨削凸轮的已有工艺参数进行优化，达到提高凸轮磨削质量与效率的目的。凸轮轴自动磨削系统技术路线如图3所示。

2.3 开发设备智能运维系统

为减少人工干预，使凸轮轴工业机器人自动化生产线高速稳定运行，建立关键的自动化加工设备运行状态监测和故障诊断系统，综合利用位置、压力、温度、振动等信号，实现基于网络的设备运行状态监测和远程诊断系统。

在建立加工设备故障模型的基础上，对加工系统进行检测和预测，实现对设备实时维护。利用物联网，对加工设备的位置、压力、温度、振动等多源异源信号利用现代信号处理方法，识别微弱信号特征和分离耦合特征;在数据驱动的加工设备智能运维系统的混合智能诊断和决策方法方面，通过网络内权重系数个数、正则化、网络记忆能力和泛化能力的关系，探索网络结构和模型的优化方法，设计出面向时间序列信号处理的深度神经网络模型;反应设备工况的信号与深度神经网络提取的特征之间的关系求解，设计出设备工况信号和故障特征信号的融合方法;再以预测设备状态作为目标，修正特征提取方法，建立设备由正常到故障状态的演化模型。通过研发基于网络的加工设备智能运维系统远程故障监测诊断硬件和软件系统，实现基于网络的设备预测性维护的理论、技术及其整个体系。

3 结语

对凸轮轴加工技术现状进行了分析，表明凸轮轴智能制造是提高凸轮轴加工质量的必由之路，提出了凸轮轴智能制造实施路径：凸轮轴加工工艺设计与优化、研制凸轮轴自动磨削系统、开发设备智能运维系统。

参考文献：

[1]李孝禄，黄震，乔信起，宋军，方俊华，夏惠民.基于多燃烧控制技术的灵活燃料发动机[J].科学通报，2006（05）：601-605.

[2]李孝禄，王文越，王旭，吴霞，张伟.基于知识集成能力的实验平台的开发[J].实验技术与管理，2016，33（03）：16-19.

本项目由浙江省重点研发项目“高速高精高耐磨凸轮轴的智能制造生产线关键技术及产业化应用（2019C01128）”资助。

推荐访问:制造 凸轮轴 路径 现状及 实施