王斌++周黎明++毛勝男

摘 要：隨著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，凸輪軸的結(jié)構(gòu)從整體式到組合式呈現(xiàn)了多元化的局面。本文重點(diǎn)研究了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)整體式、組合式凸輪軸多種制造工藝的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸的制造有很好的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：整體式；組合式；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：TK416+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2017）01-0060-05

Key Technology of Engine Camshaft Manufacturing

WANG Bin1， ZHOU Li-ming1， MAO Sheng-nan2

（ 1.Dongfeng Motor Corporation Technical Center， Wuhan430058， China； 2. Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Company LTD， Wuhan430058， China ）

Abstract： With the development of automobile engine technology， A variety of structural forms have appeared in the cam shaft. This paper focuses on the key technologies of the automobile engine integrated and combined cam shaft， which is a good reference for the manufacture of the automobile engine camshaft.

王 斌

畢業(yè)于西南交通大學(xué)，本科學(xué)歷；現(xiàn)任東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心工程師；主要研究方向：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件制造技術(shù)。

凸輪軸是發(fā)動(dòng)機(jī)5C件之一，是配氣系統(tǒng)關(guān)鍵零件，作為發(fā)動(dòng)機(jī)三大摩擦副零件之一，要求其具有一定的強(qiáng)度和韌性，且凸輪表面有良好的耐磨和抗沖擊性能。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷革新以及汽車排放法規(guī)的逐漸嚴(yán)格，凸輪軸的結(jié)構(gòu)形式、制造工藝也在不斷創(chuàng)新與豐富，呈現(xiàn)了多元化的局面，按凸輪軸結(jié)構(gòu)形式，可分為整體式和組合式，對(duì)其制造關(guān)鍵技術(shù)下文將依次進(jìn)行闡述。

一、整體式凸輪軸

整體式凸輪軸在汽油機(jī)上主要使用的是鑄鐵凸輪軸，如圖1，鑄鐵凸輪軸按硬化工藝進(jìn)行分類，當(dāng)前存在三種形式：1、冷激；2、球鐵淬硬；3、氬弧重熔硬化。前兩種工藝形式占據(jù)了國(guó)內(nèi)鑄鐵凸輪軸市場(chǎng)的絕大數(shù)份額，也是我們研究的重點(diǎn)。

1 冷激鑄鐵凸輪軸

冷激鑄鐵凸輪軸是目前在汽油機(jī)上應(yīng)用最廣泛的工藝形式，市場(chǎng)占有率約占7成，具有工藝成熟、成本低、耐磨等優(yōu)點(diǎn)，同種結(jié)構(gòu)凸輪軸，冷激鑄鐵凸輪軸成本是最低的。這也是國(guó)內(nèi)多數(shù)主機(jī)廠選擇該工藝凸輪軸的最主要原因。冷激鑄鐵凸輪軸的關(guān)鍵技術(shù)有2方面：冷激鑄造、凸輪磨削。

1.1 冷激鑄造技術(shù)

通過(guò)使用冷鐵，使凸輪鑄件各部位冷卻速度不同，得到不同的金相組織，冷激面可得到硬化耐磨的白口層（即萊氏體，圖2），非冷激部位得到一定強(qiáng)度和韌性的灰口層（珠光體+石墨），兩者之間為麻口層（珠光體+石墨+滲碳體）。

1）材料成分

冷激凸輪軸采用材料一般為合金灰鑄鐵，成分包含C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、Cu，成分及用量是獲得理想基體組織和優(yōu)良使用性能的重要保障。合金用量目前無(wú)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，需根據(jù)自身研究與經(jīng)驗(yàn)自行配比。

C一般在3.2～3.7%，Si一般在1.6～2.4%，碳量增加，能夠減小白口深度、增大白口層硬度，但碳量過(guò)高，容易造成組織疏松。當(dāng)碳量處于一般規(guī)定范圍時(shí)，通過(guò)硅量降低冷激白口深度和縮短麻口深度。

Mn一般為0.6～0.9%，S一般為<0.15%，Mn和S是碳化物的穩(wěn)定劑，超過(guò)一定濃度會(huì)使白口層發(fā)脆，含量需要嚴(yán)控。

P一般為<0.15%，P能降低白口硬度，并產(chǎn)生白口碎裂傾向，要嚴(yán)格控制含量。Cr和Mo都有增加白口層深度的作用，但Cr能使組織變粗，Mo能細(xì)化晶粒，所以Cr和Mo一般配合使用。Ni和Cu起緩和劑作用，對(duì)白口深度和硬度作用較小，但對(duì)基體有一定的細(xì)化晶粒和提高強(qiáng)度作用。

某汽車公司冷激凸輪軸采用的合金用量為：

C：3.2%～3.5%，Si：1.8%～2.2%，

Mn：0.6%～0.9%，P≤0.1%，S≤0.1%，

Cr：0.4%～0.6%， Mo：0.2%～0.4%，

Ni：0.2%～0.4%，Cu：0.7%～1.0%。

2）鑄造工藝參數(shù)

試驗(yàn)表明，鐵液溫度越高，澆注溫度越高，白口深度越大；一般要求鐵液溫度>1500℃，澆注溫度控制在1400～1420℃，某汽車公司產(chǎn)品采用的鐵液溫度為1520℃。

3）冷鐵

冷鐵形狀一般呈馬鞍型，夾角一般小于圖紙凸輪主升程段夾角，寬度一般略大于凸輪厚度1.5～2mm，高度一般在25～30mm。冷鐵的安放工藝應(yīng)便捷并有定位裝置，保證固定。

1.2 凸輪磨削技術(shù)

凸輪磨削的精度直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)、機(jī)械損耗和排放，存在下列工藝難點(diǎn)：

①加工精度要求高，某汽車公司產(chǎn)品凸輪的尺寸精度要求為：主升程段精度為±0.03mm，緩沖段和基圓段精度為±0.015mm，粗糙度為Ra0.4。尺寸精度、粗糙度都通過(guò)磨削實(shí)現(xiàn)，要求非常高；

②凸輪輪廓復(fù)雜，各磨削點(diǎn)移動(dòng)速度、線速度差異非常大，特別是現(xiàn)在帶有凹輪廓的凸輪，對(duì)磨削工藝提出了很大要求；

③凸輪各段硬度不同，主升程段最高，緩沖段其次，基圓最低，給磨削帶來(lái)了一定難度；

④軸類件磨削會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，加工工藝性差；

⑤磨削易發(fā)生燒傷，產(chǎn)生裂紋，特別是主升程段，其磨削速度高，溫度高，凸輪硬度高，且凸輪形狀導(dǎo)致冷卻液不易進(jìn)入磨削區(qū)域，因此容易產(chǎn)生磨削燒傷，表面探傷可發(fā)現(xiàn)細(xì)微裂紋，這是凸輪軸絕對(duì)不允許的。

目前凸輪磨削均采用先進(jìn)的高速?gòu)?qiáng)力磨削工藝，其區(qū)別于傳統(tǒng)的外圓磨削，擁有非常高的切削速度、高硬度的CBN砂輪以及專用的伺服控制系統(tǒng)機(jī)床。磨削工藝參數(shù)及程序編制是保證加工質(zhì)量的關(guān)鍵，凸輪磨削工藝參數(shù)包括磨削速度、進(jìn)給速度、切削深度。

①磨削速度確定一般采用10區(qū)轉(zhuǎn)速法：基圓作為1區(qū)，升程段均分為9個(gè)區(qū)，一共10個(gè)區(qū)，基圓段角速度設(shè)為W1，2～10區(qū)轉(zhuǎn)速依次設(shè)為Wn=W1×i，n=2～10，i=0.1～1.5，從而達(dá)到各區(qū)恒線速磨削的目的，降程段同理。各轉(zhuǎn)速區(qū)轉(zhuǎn)變時(shí)，速度均勻過(guò)渡，不發(fā)生速度突變。

②切削深度一般設(shè)置為2～5mm；凸輪磨削一般無(wú)進(jìn)給，進(jìn)給速度為0。

在工藝參數(shù)確定后進(jìn)行程序編制，編制完成后首先需要進(jìn)行計(jì)算機(jī)切削模擬，校核合格后方可在機(jī)床上正式加工。當(dāng)然，除了工藝參數(shù)和程序編制的工作，凸輪在實(shí)際磨削過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生較多細(xì)節(jié)問(wèn)題，這些問(wèn)題的解決或避免需要大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2 球鐵淬硬凸輪軸

球鐵淬硬凸輪軸主要應(yīng)用于大功率汽油機(jī)上，其抗接觸疲勞能力優(yōu)于冷激凸輪軸較多，所以當(dāng)接觸應(yīng)力較大時(shí)會(huì)選擇采用球鐵淬硬凸輪軸，其凸輪硬化是通過(guò)在加工過(guò)程中對(duì)凸輪進(jìn)行淬火實(shí)現(xiàn)，所以其關(guān)鍵技術(shù)包括：凸輪淬火、凸輪磨削。凸輪磨削與冷激凸輪軸較類似，不再贅述。

2.1 凸輪淬火技術(shù)

通過(guò)對(duì)球鐵凸輪軸毛坯進(jìn)行表面高或中頻淬火、回火，使得凸輪表面獲得回火馬氏體加少量碳化物等組成的硬化耐磨層。

目前淬火方式應(yīng)用較多的是高頻感應(yīng)淬火，技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)在于：感應(yīng)器的設(shè)計(jì)。通過(guò)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)凸輪主升程段和基圓段是易過(guò)熱區(qū)，緩沖段是難加熱區(qū)，為使凸輪在加熱過(guò)程中各部位均勻一致，不同區(qū)域則必須采用不同的間隙，因此加熱感應(yīng)器的形狀設(shè)計(jì)就尤為重要，其決定了凸輪熱后硬度的均勻性和硬化層分布。

二、組合式凸輪軸

組合式凸輪軸是將芯軸、凸輪等若干部件分開(kāi)制造，再裝配成一體。較傳統(tǒng)整體式凸輪軸，組合式凸輪軸具有輕量化、材料利用合理、成本更低（后期可達(dá)成）的優(yōu)勢(shì)，組合式凸輪軸是按凸輪片與軸體裝配工藝進(jìn)行分類，目前國(guó)內(nèi)主流裝配工藝有：1、鋼球脹緊式；2、滾花式。

3 鋼球脹緊式凸輪軸

使帶有一定過(guò)盈量的鋼球通過(guò)中空軸體，在鋼球的擠壓作用下軸體發(fā)生擴(kuò)徑塑性變形，凸輪發(fā)生彈性變形，鋼球通過(guò)后軸體與凸輪間產(chǎn)生壓應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)承載扭矩，稱為鋼球脹緊式凸輪軸，其制造關(guān)鍵技術(shù)包含：凸輪片加工、鋼球脹緊技術(shù)。

3.1 凸輪片加工

不同于整體式凸輪軸，組合式凸輪軸采用分體加工，凸輪片作為一個(gè)單體零件工藝流程為：①坯體的成型加工；②表面的硬化；③內(nèi)孔的加工。凸輪輪廓的磨削加工是在凸輪套裝上軸體并實(shí)行脹緊后進(jìn)行，工藝與整體式較類似，不再贅述。

①坯體的成型加工；凸輪材料目前常用的是粉末冶金料、Gr15和20Cr等，對(duì)應(yīng)的制造工藝分別是粉末冶金和精鍛，如表1：

②表面硬化；一般采用淬火工藝，其工藝難點(diǎn)在于除了要控制凸輪表面硬度和硬化層深度外，還要求凸輪內(nèi)孔表面不產(chǎn)生硬化層，這是基于凸輪內(nèi)孔需要良好切削性和脹緊需要產(chǎn)生彈性變形的要求。某汽車公司產(chǎn)品采用的是高頻內(nèi)冷淬火工藝，在淬火過(guò)程中對(duì)內(nèi)孔表面不斷實(shí)施冷卻，同時(shí)工件不斷旋轉(zhuǎn)，保證淬火層厚度均勻，如圖5，6。

③內(nèi)孔加工；內(nèi)孔尺寸是保證裝配工藝性和脹緊后抗扭效果的重要一環(huán)，孔徑尺寸一般要求為IT7，通過(guò)鏜削工藝可保證。

3.2 鋼球脹緊技術(shù)

鋼球脹緊技術(shù)是保證凸輪抗扭扭矩達(dá)成設(shè)計(jì)要求的核心技術(shù)，其關(guān)鍵點(diǎn)在于：確定脹緊鋼球的大小以及相對(duì)應(yīng)的塑性變形大小，一般確定過(guò)程如下：

①通過(guò)有限元分析確定鋼球大小及塑性變形量；

②通過(guò)大量工藝試驗(yàn)，修正脹緊鋼球的大小，并確定脹緊壓力值。根據(jù)計(jì)算值，通常會(huì)進(jìn)行50組鋼球-凸輪片的極限扭矩試驗(yàn)驗(yàn)證，確定最優(yōu)方案，同時(shí)得到對(duì)應(yīng)的鋼球通過(guò)鋼管壓力值的上下限，以指導(dǎo)后續(xù)生產(chǎn)安排與監(jiān)測(cè)。

③總成裝配脹緊完成后進(jìn)行靜態(tài)扭矩與動(dòng)態(tài)扭矩的試驗(yàn)檢測(cè)。

我們通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，目前鋼球脹緊技術(shù)凸輪軸氣門凸輪的最大靜態(tài)扭矩能達(dá)到150N·m，油泵凸輪能達(dá)到1000N·m。

某汽車公司產(chǎn)品裝配工藝流程如下：1、打點(diǎn)進(jìn)行預(yù)裝配凸輪片（圖7）；2、鋼球通過(guò)鋼管（圖8）；3、脹緊完成（圖9）。

4 滾花式凸輪軸

滾花式凸輪軸就是凸輪與軸體采用滾花連接，用滾花刀依次在中空軸體上滾擠出齒尖與軸線平行或垂直的三角形齒，然后在常溫下依次將內(nèi)圓為圓形或多邊形的凸輪片壓入軸體中，并保證位置和角度。類似的，其關(guān)鍵技術(shù)包含：凸輪片加工、滾花連接技術(shù)。

4.1 凸輪片加工

結(jié)構(gòu)方面，滾花式的凸輪與脹緊式基本一致，不同點(diǎn)在于凸輪內(nèi)腔除了可制成圓形外也可制成多邊形。多邊形結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)軸體滾花不均勻或圓度有偏差時(shí)，仍能很好地裝配，保證尺寸精度，缺點(diǎn)是由于咬合面積小于圓形，其抗扭連接強(qiáng)度低。某汽車公司產(chǎn)品目前采用矩形槽形式，槽數(shù)一般設(shè)置為均步24個(gè)，槽深0.1～0.2mm。

工藝方面，滾花式凸輪由于在咬合過(guò)程中需要發(fā)生塑性變形，所以硬度不能太高，常用材料為粉末冶金和碳素鋼，盡量少使用高碳鋼，成型、硬化、機(jī)加工工藝與脹緊式基本一致。矩形槽內(nèi)孔是在表面硬化處理后對(duì)直接對(duì)內(nèi)腔進(jìn)行拉削加工。

4.2 滾花連接技術(shù)

滾花連接技術(shù)原理在于軸體三角形齒滾擠過(guò)程中產(chǎn)生冷作硬化，齒硬度高于凸輪，壓入過(guò)程中凸輪片內(nèi)壁發(fā)生塑性變形，三角形齒與凸輪相互咬合，達(dá)到牢固連接實(shí)現(xiàn)抗扭的目的。

滾花連接技術(shù)關(guān)鍵在于滾花的加工，如圖11，注意點(diǎn)如下：

①三角齒形夾角和齒高是滾花連接工藝性和強(qiáng)度的關(guān)鍵，齒形夾角多大，齒咬入凸輪片就相對(duì)困難，夾角過(guò)小，則齒厚較薄，容易折斷；齒高過(guò)高，則壓裝力較大，齒高過(guò)小，則抗扭能力小。所以滾花三角齒形的角度和高度必須根據(jù)凸輪材料進(jìn)行多次工藝試驗(yàn)，以確定最優(yōu)方案。

②滾花齒必須加工成平直，并保證與軸線平行度要求，齒形如果不平行于軸線，則在壓裝過(guò)程中凸輪片會(huì)順著齒形方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而凸輪片的相位角度發(fā)生偏轉(zhuǎn)，氣門開(kāi)啟相位發(fā)生變化，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能產(chǎn)生惡劣影響。

我們通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，目前滾花連接技術(shù)凸輪軸氣門凸輪的最大靜態(tài)扭矩能達(dá)到450N·m。

某汽車公司產(chǎn)品目前采用的滾花加工工藝是：①上端夾持軸體，下端頂尖定位；②芯軸不動(dòng)，單花鍵圓柱滾刀圍繞芯軸旋轉(zhuǎn)加工；③依次加工完軸體上所有滾花位置。

凸輪的裝配工藝是：①凸輪片內(nèi)孔拉矩形槽；②滾花刀依次在中空軸體上滾擠出軸向三角形齒；③自動(dòng)壓裝機(jī)上進(jìn)行裝配。

5 結(jié)語(yǔ)

凸輪軸的生產(chǎn)制造是項(xiàng)專業(yè)技術(shù)，它的發(fā)展也是中國(guó)自主汽車發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的一個(gè)縮影，從最初的一無(wú)所知到逐步掌握整體式凸輪軸制造技術(shù)，再到目前都在研究甚至部分中國(guó)企業(yè)已掌握組合式凸輪軸制造技術(shù)，這些技術(shù)的積累是在大量的實(shí)踐中總結(jié)得來(lái)的，是民族制造業(yè)寶貴的結(jié)晶。

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