凸輪軸制造技術(shù)研究綜述*

鐘建琳，常 城，韓秋實(shí)

(北京信息科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100192)

1 前言

凸輪軸是機(jī)械制造行業(yè)應(yīng)用歷史最長(zhǎng)、最廣泛的零件之一，發(fā)動(dòng)機(jī)(包括汽車、拖拉機(jī)、船用柴油機(jī)等)中不能缺少凸輪軸。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，汽車工業(yè)已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的一大支柱。因此，研究凸輪軸的制造技術(shù)，提高生產(chǎn)效率，降低制造成本具有重要意義。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的改進(jìn)和提高，作為其關(guān)鍵承載運(yùn)動(dòng)件之一的凸輪軸也有了較大改進(jìn)。凸輪型線由圓弧凸輪、阿基米德漸開線凸輪，發(fā)展到諧函數(shù)曲線凸輪、復(fù)合函數(shù)曲線凸輪;凸輪軸除了常用的整體式凸輪軸，出現(xiàn)了組裝式凸輪軸;隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，凸輪軸的加工由傳統(tǒng)的高精度銑削、靠模磨削發(fā)展到CNC磨削。

2 整體式凸輪軸制造技術(shù)

凸輪軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件之一，一般要求凸輪軸具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和韌性，凸輪表面具有良好的耐磨性能和抗沖擊性能。整體式凸輪軸的材料通常為鑄鐵(如球鐵、合金鑄鐵)或合金鋼。鑄造的凸輪軸一般經(jīng)鑄造、硬化(有的是鑄造時(shí)采用冷激鑄鐵，組織是白口鐵)、磨削、拋光。鋼制的凸輪軸在磨削、淬硬和拋光以前，其毛坯是鍛造的，或用棒料粗加工成形。

2.1 整體式凸輪軸生產(chǎn)工藝流程

對(duì)鑄造凸輪軸毛坯，為增強(qiáng)凸輪的耐磨性能，國(guó)內(nèi)外主要采用激冷法、淬火法和重熔法三種措施。激冷法生產(chǎn)工序少、耗能少、成本低，但凸輪軸尺寸精度低，加工余量大，不適合大批量流水線作業(yè)。淬火法常用于含有合金元素的可淬硬鑄鐵，需專門的設(shè)備，耗能大、成本高。重熔法對(duì)原始組織，特別是石墨片的大小要求較高，且需專門的設(shè)備，耗能大、成本高。

對(duì)于鍛造凸輪軸毛坯，碳鋼材料的凸輪軸一般采用整體熱鍛成形，凸輪部分采用高頻淬火處理，主要用于大中型發(fā)動(dòng)機(jī)上。由于鍛造凸輪軸強(qiáng)度高、耐點(diǎn)蝕性能較好，多用于氣門頂置式機(jī)構(gòu)，也有用來制造柴油發(fā)動(dòng)機(jī)頂置式凸輪軸。采用楔橫軋工藝進(jìn)行凸輪軸制坯，一般軋制成階梯軸，凸輪形狀無法軋制。楔橫軋工藝制坯容易在軸向中心處出現(xiàn)疏松或裂紋。此外，具有眾多密集臺(tái)階的多缸凸輪軸毛坯采用軋制工藝?yán)щy很大。

由于凸輪輪廓制造精度與表面質(zhì)量是影響氣門開閉間隙的大小、配氣效率、凸輪軸運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲等的主要因素，因此整體鑄造或鍛造的凸輪軸毛坯必須輔以大量的后續(xù)切削加工與處理。如杭州汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠X6130型柴油機(jī)的20鋼滲碳凸輪軸的生產(chǎn)工藝流程為:備料→校直→粗車→校直→精車→滲碳→校直→局部車去滲碳層→淬火和回火→校直→粗、精磨→探傷與退磁→熱清洗→成品檢驗(yàn)→入庫。以鍛造凸輪軸為例，目前國(guó)內(nèi)一般整體式凸輪軸的主要加工工藝流程為:整體鍛造毛坯→正火→粗車軸頸→粗磨軸頸→車端面中心孔→銑鍵槽→靠模車凸輪→粗磨凸輪→鉆主油道、軸頸孔→滲碳淬火→整體校直→半精磨軸頸→精磨主軸→精磨凸輪→清洗→檢測(cè)。

因此，整體式凸輪軸加工的關(guān)鍵主要是凸輪和軸頸的磨削兩部分。凸輪軸軸頸可采用無心磨削，而凸輪磨削加工一般有機(jī)械靠模法和CNC法，其中CNC法又包括極坐標(biāo)式、搖架式、砂帶磨削等。通常凸輪磨削余量范圍在直徑上為0.5～3.00mm。

2.2 整體式凸輪軸軸頸的磨削加工

通常整體式凸輪軸軸頸加工是先粗車，然后將工件支在頂尖間，單只砂輪跳檔依次磨各個(gè)軸頸，或用多砂輪磨床兩次裝夾完成粗磨及精磨全過程。由于凸輪軸細(xì)而長(zhǎng)，剛性差，很易撓曲，必須在磨削部位用中心架托住，且需隨軸頸磨削向前推進(jìn)，始終緊貼軸頸，才能較好地保證精度，磨削量也不能太大。另外，每臺(tái)加工機(jī)床相互間不同的中心頂角、中心頂尖的同心性及中心孔的形狀精度都將影響磨削過程中應(yīng)達(dá)到的磨削精度。

無心磨削不用夾緊工件，而是將工件放在托板上，由一個(gè)砂輪及導(dǎo)輪支承便可。如采用多砂輪無心磨床，每個(gè)軸頸各有一砂輪和導(dǎo)輪進(jìn)行磨削，砂輪和導(dǎo)輪相向進(jìn)給，使工件中心線始終保持不動(dòng)。也就是說，無心磨削是在工件始終處于平衡條件下完成的，工件不會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，有利于保證工件的直線性及加工精度。如采用瑞典Lidkoping凸輪軸多砂輪無心磨床加工四缸發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸，從球墨鑄鐵毛坯直接磨出，磨削余量3.9mm，最后達(dá)到精度為:直徑偏差10μm，圓度1.5μm，振擺 5μm，表面粗糙度 Ra0.4μm，生產(chǎn)率:粗磨為每小時(shí)144根，精磨為128根。

因此，采用無心磨床磨削凸輪軸軸頸，具有加工精度高，生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)。另外，凸輪軸的設(shè)計(jì)和凸輪軸在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的安裝都以主軸頸作為支承基準(zhǔn)，如能統(tǒng)一設(shè)計(jì)、加工、安裝基準(zhǔn)，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)就不必再進(jìn)行基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，所以采用無心磨削工藝，非常有利于提高凸輪的加工精度。用無心磨削磨出各主軸頸后，其后的凸輪輪廓磨削工序等，如也能以主軸頸為基準(zhǔn)，這樣得出的工件精度更高。但無心磨床調(diào)整困難，因?yàn)闊o心磨削工藝特殊，砂輪、導(dǎo)輪、支板三大因素，任何一個(gè)細(xì)微變動(dòng)都會(huì)影響磨削效果。

2.3 整體式凸輪軸凸輪的磨削加工

傳統(tǒng)的大批量凸輪軸凸輪的磨削加工是采用擺架式靠模法橫向切入進(jìn)行仿形磨削。其工作原理是:數(shù)塊靠模串裝在頭架軸上，隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠彈簧的拉力使靠模與靠輪始終緊密接觸。在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，由于靠模外形輪廓的曲率變化，迫使擺架產(chǎn)生擺動(dòng)。工件安裝在主軸與尾座之間，并與靠模等速旋轉(zhuǎn)，通過砂輪的橫向切入對(duì)工件進(jìn)行磨削。在磨削凸輪的回程面時(shí)，為使擺架擺動(dòng)平穩(wěn)，避免沖擊，裝有擺架液壓緩沖器。這種傳統(tǒng)的機(jī)械靠模法加工凸輪存在的主要問題是:當(dāng)產(chǎn)品改進(jìn)或換型時(shí)，需重新設(shè)計(jì)和制造母靠模和工作靠模，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，柔性較差，并且靠模精度直接影響工件的磨削精度。

由于傳統(tǒng)機(jī)械靠模法加工凸輪的質(zhì)量及效率難以滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要，人們開始尋求將數(shù)控技術(shù)用于凸輪的加工，進(jìn)而產(chǎn)生了數(shù)控凸輪軸磨床。數(shù)控凸輪軸磨床的關(guān)鍵技術(shù)之一是凸輪輪廓的數(shù)控成形分析。在數(shù)控凸輪軸磨床中，凸輪外形輪廓曲線生成的運(yùn)動(dòng)方式主要有以下兩種[1－2]。

(1)極坐標(biāo)式，即凸輪的整個(gè)輪廓是依靠砂輪架水平往復(fù)移動(dòng)(X軸)和工件主軸轉(zhuǎn)動(dòng)(C軸)這兩個(gè)動(dòng)作的同步來形成。在凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，砂輪架的移動(dòng)產(chǎn)生進(jìn)給動(dòng)作，并通過數(shù)控裝置進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，控制各坐標(biāo)軸按照凸輪外形輪廓運(yùn)動(dòng)。該方式控制算法簡(jiǎn)單，加工精度高，但生產(chǎn)效率較低。

(2)搖架式，采用與常規(guī)凸輪磨床相似的運(yùn)動(dòng)方式，即采用擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，工件主軸頭架及尾架均裝在擺動(dòng)工作臺(tái)上，但擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)不是由靠模滾輪機(jī)構(gòu)控制，而是由計(jì)算機(jī)數(shù)控，通過伺服電機(jī)、滾珠絲桿及螺母帶動(dòng)工作臺(tái)擺動(dòng)起來形成凸輪的外形輪廓。因搖架慣量比砂輪慣量小，所以生產(chǎn)效率較高，但成形分析算法較復(fù)雜。

立方氮化硼(CBN)砂輪目前已用于凸輪軸磨削，與普通砂輪相比，CBN砂輪具有砂輪使用壽命長(zhǎng)，更換砂輪和修整砂輪的時(shí)間短，能提高工件的疲勞強(qiáng)度和耐磨性等優(yōu)點(diǎn)[3]。但是，對(duì)單砂輪磨床來說，仍存在以下不足。

(1)只能在一次切入中磨削1只凸輪，然后砂輪退回，等待凸輪軸換檔到另一凸輪，再進(jìn)行磨削，這樣生產(chǎn)效率不是很高。

(2)凸輪軸凸輪的表面磨削質(zhì)量有待進(jìn)一步提高。我們知道，金屬磨除率是直接正比于砂輪與凸輪的相對(duì)周邊速度，對(duì)大砂輪而言，在關(guān)閉曲線60°左右，其中相對(duì)的周邊速度最大，此處的金屬磨除率差不多能達(dá)到基圓處的金屬磨除率的10倍，零件表面燒傷的可能性大。為避免磨削燒傷，在許多常規(guī)的設(shè)計(jì)中采用了可變的工件轉(zhuǎn)速。在基圓處，工件的轉(zhuǎn)速快一點(diǎn);在曲線外，金屬磨除量變大，轉(zhuǎn)速就慢一些。在桃尖處，磨削接觸較小，轉(zhuǎn)速又快一些。然而，這種辦法有時(shí)仍不能完全消除過熱的產(chǎn)生，在磨削以后仍能看見燒傷的斑點(diǎn)。從為減少熱損傷的角度考慮，采用小直徑的砂輪來磨削凸輪是有利的。但在實(shí)際大批量生產(chǎn)中，小砂輪的可采納性與可靠性難以保證:因?yàn)樯拜喼睆叫?，為達(dá)到相同的砂輪線速度，必須數(shù)量級(jí)地提高其轉(zhuǎn)速，從而會(huì)帶來一系列問題;另外，因?yàn)樯拜喰?，考慮到砂輪的使用壽命，必須經(jīng)常更換。

(3)凹入凸輪在開放曲線與關(guān)閉曲線處是負(fù)的曲率，這種凸輪工作時(shí)能更快地開關(guān)閥門，這樣輸出的馬力就增大，能更完全地燃燒，有害氣體的排出減少。在實(shí)際使用中，希望凹入凸輪的曲率半徑范圍在R25～R250mm之間，視具體的設(shè)計(jì)而定。用現(xiàn)在的大直徑砂輪(φ500～φ750mm)來磨削這種反向的小曲率是不可能的。近年來，使用小直徑的CBN砂輪來磨削的這種凹凸輪已有少量生產(chǎn)，但CBN砂輪價(jià)格昂貴。

針對(duì)這些不足，人們尋求用新的磨削方法——砂帶磨削來加工凸輪軸凸輪，砂帶磨削是利用快速運(yùn)動(dòng)的砂帶作為磨具進(jìn)行磨削和拋光，因其加工效率高、應(yīng)用范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)、使用成本低、操作安全方便等特點(diǎn)而深受用戶青睞。上海機(jī)床廠最近研發(fā)的H405－AA數(shù)控共軛凸輪砂帶磨床系國(guó)際首創(chuàng)，因?yàn)槠洹肮曹椖ハ鞯膹较蛘{(diào)整裝置”及“母線平行于回轉(zhuǎn)軸線的柱面工作磨削方法和裝置”均享有發(fā)明專利，是具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高技術(shù)產(chǎn)品，又是將共軛方法、砂帶磨削、數(shù)控同步等技術(shù)集于一身的新型產(chǎn)品。本產(chǎn)品的主要技術(shù)是共軛方法，在磨削加工中，共軛輪以共軛接觸式進(jìn)行柱面磨削。數(shù)控同步又不是以往用數(shù)控系統(tǒng)保證同步，而是用伺服電機(jī)和外部編碼器直接實(shí)現(xiàn)共軛輪和工件做等速比的共軛運(yùn)行。在結(jié)構(gòu)上，改變了以往凸輪軸傳統(tǒng)加工方法，即每個(gè)凸輪單獨(dú)磨削，而本產(chǎn)品可一次裝夾加工出一根凸輪軸上的多個(gè)凸輪，效率是傳統(tǒng)方法的5～10倍，并能生產(chǎn)出高質(zhì)量的凹入凸輪。

3 組裝式凸輪軸制造技術(shù)

組裝式凸輪軸突破了整體式凸輪軸材料、設(shè)計(jì)及制造理念的局限，它是通過改變結(jié)構(gòu)和制造方法而實(shí)現(xiàn)的，即將凸輪軸分成凸輪、芯軸、軸頸等若干個(gè)可裝配件，分別進(jìn)行材料優(yōu)化及精益加工，再組裝成整體凸輪軸的新型組合設(shè)計(jì)與現(xiàn)代制造模式。凸輪一般采用碳鋼或粉末燒結(jié)材料，芯軸則采用冷拔無縫鋼管。碳鋼凸輪可進(jìn)行精密塑性成形，并進(jìn)行高頻淬火或滲碳處理。然后在組裝好的情況下，精磨各凸輪。由于各元件可預(yù)制得比較精密(比鑄、鍛件精確得多)，從而節(jié)省材料，并能進(jìn)行最佳材料匹配，經(jīng)濟(jì)地制造各個(gè)元件，可使凸輪軸制造成本顯著降低。

另外，由于組裝式凸輪軸的各元件進(jìn)行了精確的預(yù)加工和精度很高的組裝，就有可能使這種組裝后坯件的切削余量比較小，僅限于磨削加工就行了。這就可在一臺(tái)數(shù)控磨床上，用配備必要形狀的不同砂輪，在一次裝卡中完成全部加工，節(jié)省了許多搬運(yùn)零件的時(shí)間，生產(chǎn)效率高，并能顯著降低零件的制造成本。

組裝式凸輪軸的核心技術(shù)為凸輪與芯軸的連接，其連接方式主要有焊接、燒結(jié)和機(jī)械連接3種[4]。焊接連接將凸輪裝于軸上，沿凸輪一周或部分弧段將凸輪與軸焊接在一起。燒結(jié)連接是將鋼管插入粉末冶金凸輪中，然后放入燒結(jié)爐內(nèi)，利用燒結(jié)擴(kuò)散使凸輪與芯軸連接。機(jī)械連接分為熱套法、冷套法、液壓擴(kuò)管法、機(jī)械擴(kuò)管法、滾花法等，熱套法是將凸輪加熱至150～200℃后壓入芯軸中，利用過盈和熱收縮實(shí)現(xiàn)連接;液壓擴(kuò)管法是將凸輪預(yù)先套在軸管上，利用液壓使軸管擴(kuò)徑并產(chǎn)生塑性變形，實(shí)現(xiàn)與凸輪的連接;機(jī)械擴(kuò)管法也是使軸管擴(kuò)徑并產(chǎn)生塑性變形，但一般依靠橄欖形機(jī)械脹頭完成分段擴(kuò)管，實(shí)現(xiàn)芯軸與凸輪的連接。

在汽車領(lǐng)域，國(guó)外越來越多的汽車制造廠采用組裝式凸輪軸。如美國(guó)通用汽車公司的LN2型汽油機(jī)(直列四缸)頂置凸輪軸、3100SFIV6型汽油機(jī)凸輪軸、六缸V型發(fā)動(dòng)機(jī)頂置凸輪軸;福特汽車公司的GT－90型汽油機(jī)(V型12缸)頂置凸輪軸多點(diǎn)噴射;日本日野汽車公司的J08C系列柴油機(jī)(直列四、六缸)頂置凸輪軸等多種汽油機(jī)、柴油機(jī)的凸輪軸均采用了組裝式凸輪軸生產(chǎn)新工藝。

國(guó)內(nèi)吉林大學(xué)也研究開發(fā)了組裝式凸輪軸新型連接技術(shù)與CNC裝配機(jī)，以實(shí)現(xiàn)高精度快速裝配與高強(qiáng)度連接;上海通用汽車公司采用耐磨燒結(jié)鐵基合金材料凸輪與空心鋼管擴(kuò)管連接方法制造組裝式凸輪軸，已應(yīng)用于別克轎車發(fā)動(dòng)機(jī)上[5]。

4 結(jié)論

整體式凸輪軸的加工特別是凸輪的磨削效率及加工精度有待進(jìn)一步提高;組裝式凸輪軸采用凸輪、芯軸、軸頸等若干部件分別制造再組裝成整體的新型組合設(shè)計(jì)與制造模式，其構(gòu)思新穎，極具競(jìng)爭(zhēng)力，但凸輪與芯軸的連接技術(shù)、凸輪精密成形、裝配技術(shù)與設(shè)備等關(guān)鍵技術(shù)問題有待進(jìn)一步研究。我國(guó)汽車行業(yè)迫切需要一種高精度、高柔性和高效率的數(shù)控凸輪軸磨床。

[1]任永強(qiáng)，羅 磊.搖架式凸輪軸磨床凸輪輪廓數(shù)控成形分析[J].精密制造與自動(dòng)化，2002(2):27－30.

[2]孫志永，韓秋實(shí).全數(shù)控凸輪軸磨床研制的若干主要技術(shù)[J].現(xiàn)代制造工程，2004(6):29－31.

[3]毛淑芳，龔智偉.CBN砂輪的高速、超高速磨削技術(shù)[J].精密制造與自動(dòng)化，2005(1):32－33.

[4]Purohit R，Sagar R .Fabrication of a cam using metal matrix composites[J].The international journal of advanced manufacturing technology，2001，17(9):644－648.

[5]寇淑清，楊慎華.發(fā)動(dòng)機(jī)裝配式凸輪軸——極具競(jìng)爭(zhēng)力的新技術(shù)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2004，15(6):474－477.