盧 杉

（焦作大學機電學院，河南 焦作 454003）

凸輪軸是發(fā)動機的關鍵零部件之一，是控制發(fā)動機進排氣門的關鍵傳動部件，對發(fā)動機的功率指標、排放指標、節(jié)油指標等有著直接的影響。大長徑比12缸發(fā)動機凸輪軸是為我國濰柴動力收購法國造機公司博杜安電機公司推出的一種新系列陸用和船用柴油機配套，長徑比大于35：1的高性能發(fā)動機凸輪軸，如圖1所示。該發(fā)動機可廣泛應用于重型汽車、大客車、工程機械、船用和發(fā)電機組等領域。

圖1 大長徑比12缸發(fā)動機凸輪軸

大長徑比12缸發(fā)動機凸輪軸技術路線：采用楔橫軋軋制毛坯，正火后，將工件經(jīng)過粗加工，車銑凸輪，淬火后，進行精加工，淬火采用中頻淬火機床進行，滿足軸頸和凸輪表面的硬度和金相組織要求，用凸輪磨床加工凸輪形狀，從而制造出滿足技術要求的凸輪軸產(chǎn)品。該凸輪軸屬于超細、超長軸類零件，剛性差、易變形，并且形狀復雜，具有很高的輪廓精度、相位角度和良好的耐磨性能和整體剛性,加工難度大。為了使產(chǎn)品加工精度得到有效保障，在實際加工中采取了凸輪及軸頸連續(xù)中頻淬火自回火防干涉技術、凸輪軸隨動磨削技術和懸掛式中心輔助支架等新工藝。

1.凸輪及軸頸連續(xù)中頻淬火自回火防干涉技術

凸輪軸在工作中承受交變載荷，工作應力高度集中于軸頸與凸輪上，尤其是凸輪外形在滾輪的往復交變的高速運轉下，磨損較嚴重，因此提高凸輪軸強度的關鍵在于提高軸頸與凸輪疲勞強度。

該凸輪軸的技術要求：軸頸感應淬火，硬度≥55HRC，淬硬層深度（490HV3）=（1.5+2），止推端面Φ64以外淬火硬度≥45HRC，止推槽附近的軸頸可放寬至（490HV3）=(1.5+4)；凸輪淬火處理，凸輪范圍硬度 59～63HRC， 淬硬層深度（550HV3）=1.5～4；基圓硬度≥55HRC，淬硬層深度（475HV3）=1.5～3。

為了保證該凸輪軸的軸頸與凸輪疲勞強度和耐磨性，采用中頻淬火。新型中頻淬火工藝可以使軸頸與凸輪獲得不同的淬火硬度，降低了軸頸的淬火要求，改善了孔系機加工工藝的可行性，解決了孔口裂紋的問題，同時提高了凸輪的淬硬層深度及表面硬度，大大提高了凸輪軸的運動副表面的疲勞強度和耐磨性。

感應淬火可以根據(jù)不同的工件材質，在滿足硬度要求的前提下找出淬火的邊界條件，控制輸出的最大最小電壓、電流范圍，同時控制淬火液的濃度、流量和溫度，并定期對淬火液的冷卻速率進行分析,以此作為更換淬火液的依據(jù)。針對耐磨性能的要求，凸輪中頻感應淬火后利用淬火余熱進行自回火以消除應力。

為了減小使用圓形感應圈時凸輪桃尖部分與基圓部分的硬化層深度差別，控制桃尖部分中頻淬火后淬硬層深度，以使其符合圖紙的要求，設計了一個如圖2所示的感應器（噴水圈另外安裝在感應圈的下方）。淬火時，凸輪的基圓中心對準三個定位片的中心，在感應器中旋轉加熱，由于特殊的感應器形狀及導磁體鑲嵌方式，感應圈基本上只有2/3有效圈對工件加熱，在135°角范圍內(nèi)，感應電流很小，中頻磁場對凸輪的影響很弱，從而能夠有效地降低凸輪桃尖部分的硬化層深度，再加上該感應器有效圈的工作間隙較圓形感應圈大一些，有利于三組不同桃尖部分半徑的凸輪加熱溫度的均勻化，取得了很好的效果。

圖2 用于凸輪淬火的馬蹄形感應器

另外，凸輪密集排列（間距小于 8mm），為了消除淬火時的相互影響 （下一個凸輪淬火時，前一個凸輪不被退火），保證淬火后各凸輪及軸頸的表面硬度及內(nèi)在組織的質量，在淬凸輪的感應圈有效圈裝上了硅鋼片導磁體，同時，合理設計感應圈的高度及規(guī)定先淬凸輪后淬軸承檔的工序，對相鄰的兩側的凸輪起到了很好的屏蔽作用，克服了感應回火軟化現(xiàn)象。另外，為了使感應器得到更好的冷卻，將冷卻水管設計成二進二出式，增加了冷卻水的流量。

2.凸輪軸隨動磨削技術

凸輪軸表面輪廓線型復雜，對磨削精度和生產(chǎn)效率要求都很高。如何提高磨削效率和加工質量是凸輪軸磨削加工控制亟待解決的問題。

為了保證凸輪軸磨削的加工精度，提高生產(chǎn)效率和降低凸輪軸產(chǎn)品的成本，在凸輪軸磨削時采用凸輪軸數(shù)控隨動磨削加工技術。凸輪軸數(shù)控隨動磨削加工技術是按照凸輪輪廓曲線參數(shù)編制數(shù)控程序，利用數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)砂輪的徑向往復運動和工件回轉運動的精確聯(lián)動，無需機械靠模等輔助工具直接磨削凸輪的全數(shù)控、自動化方式新技術。與傳統(tǒng)的靠模仿形加工相比，凸輪軸數(shù)控隨動磨削加工技術能顯著地提高凸輪軸零件的磨削效率和磨削精度，同時具有很高的柔性。

該凸輪軸磨削時表面不允許出現(xiàn)磨削燒傷，表面粗糙度Ra小于0.4，凸輪的全升程型線誤差小于0.06mm,相鄰誤差小于0.008mm。凸輪的最終加工采用德國進口肖特、勇克數(shù)控凸輪磨床，滿足凸輪的升程要求。由于該系列凸輪寬度較寬，磨削過程中，砂輪受力較大，且由于砂輪與工件的接觸面積較大，造成在加工過程中冷卻效果差，使凸輪表面出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象，故在加工該系列的凸輪時，采用立方氮化硼(CBN)砂輪對寬凸輪（30mm）進行隨動高速磨削。在大長徑比條件下，采用CBN砂輪對寬凸輪 （30mm）進行隨動高速磨削時，需要選擇合適的工件、砂輪、修整砂輪、磨削等參數(shù)。

在磨削過程中減小每一圈的進刀量，同時增加冷卻液的噴水壓力，使工件在加工過程中充分得到冷卻。根據(jù)產(chǎn)品的性能要求，軸頸的加工選用相應粒度的砂輪，在加工過程中，進刀量嚴格控制在0～0.03mm的范圍內(nèi)，以防止軸頸表面因回火而導致硬度降低。

3.懸掛式中心輔助支架

在大長徑比凸輪軸底徑車削、軸頸磨削加工時，為了避免顫動，保證加工尺寸以及加工表面粗糙度、跳動度符合圖紙要求，采用液壓自定心中心架，如圖3所示。

圖3 液壓自定心中心架實物圖和原理圖

為了克服使用液壓自定心中心架時，刀具在走刀時不能加工凸輪軸全程，避免加工凸輪軸一半長度，再翻轉過來加工另一半，研制了如圖4所示的懸掛式中心輔助支架。

圖4 懸掛式中心輔助支架

工作時，將兩支撐架1固定于車床的床身兩側，自定心中心架6帶有三個卡爪，卡爪端部均設有滾輪7，三個卡爪在液壓缸的帶動下同步伸出卡住凸輪軸9軸頸，凸輪軸9在車床轉盤帶動下轉動，滾輪7也隨之轉動，三個滾輪7的相切圓的圓心位于加工時凸輪軸9的中心線上，即自定心中心架6的軸線位于車床主軸軸心線上，實現(xiàn)自定心功能。托架的自定心中心架6支撐凸輪軸9的軸頸，進而支撐整個凸輪軸9。當凸輪軸9過長時，所述托架設置可間隔設置兩個。車床主軸法蘭與托架之間、相鄰兩托架之間的中心間距以及托架與車床尾頂尖之間的車削區(qū)距離不超過500mm，利用本懸掛式中心輔助支架，可實現(xiàn)一次車削加工細長類凸輪軸9的全程。

通過采用自定心中心托架和懸掛式中心輔助支架，能避免該凸輪軸底徑車削、軸頸磨削加工時出現(xiàn)顫動，保證加工尺寸以及加工表面粗糙度、跳動度符合圖紙要求。

4.綜述

通過努力，產(chǎn)品按照開發(fā)的時間進度，圍繞技術關鍵點，先后編制了工藝流程圖、工藝作業(yè)技術文件，經(jīng)過反復試驗，形成了可行的制造工藝，進入大批量生產(chǎn)，應用在博杜安M26系列的16～32L排量、高速、大功率發(fā)動機上，使用情況良好，并獲得焦作市科技進步一等獎。隨著重型汽車、工程機械、豪華游艇、船舶和發(fā)電設備銷售額的大幅度增長，加上國家經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，大長徑比12缸發(fā)動機凸輪軸必將還有很大的發(fā)展空間。