一種裝配式凸輪軸磨削工藝方案

黃雷明

（南京汽車集團有限公司，南京210061）

一種裝配式凸輪軸磨削工藝方案

黃雷明

（南京汽車集團有限公司，南京210061）

凸輪軸作為發(fā)動機配氣系統(tǒng)的重要組成部件之一，在發(fā)動機工作時，始終處于運轉狀態(tài)，用于控制氣門的開啟和閉合。其制造質量好壞，直接影響到發(fā)動機的動力性、排放指標、燃油經濟性等。裝配式凸輪軸作為一種新型的凸輪軸，代表了汽車發(fā)動機凸輪軸的一種應用趨勢。磨削工序是凸輪軸加工過程中的關鍵工序，磨削質量直接關系到凸輪軸的最終產品質量，介紹了一種裝配式凸輪軸的磨削加工工藝方案及其應用。

凸輪軸裝配磨削工藝

1 前言

凸輪軸作為發(fā)動機配氣系統(tǒng)的重要組成部件之一，在發(fā)動機工作時，始終處于運轉狀態(tài)，用于控制氣門的開啟和閉合。其加工精度和質量，直接影響到發(fā)動機的動力性、排放指標、燃油經濟性等［1］。隨著對發(fā)動機性能要求的提高，裝配式凸輪軸作為一種新型的凸輪軸，具有質量輕，加工成本低，設計結構緊湊，使用材料合理等特點［2］，被廣泛應用于高性能的發(fā)動機上。裝配式凸輪軸與傳統(tǒng)凸輪軸的結構形式和使用材料不同，對其加工工藝也有不同的變化，凸輪軸的磨削工藝要求也更加嚴格。

2 凸輪軸結構特點

裝配式凸輪軸的材料一般全部采用中碳鋼，或者根據設計要求，不同的組件使用不同的材料，如將凸輪采用粉末冶金材料。裝配式凸輪軸的連接形式多種多樣，一般汽車用發(fā)動機裝配式凸輪軸采用機械連接方式。

我公司一款缸內直噴高性能發(fā)動機凸輪軸采用的是裝配式凸輪軸。該凸輪軸采用管內擴張連接［2］方式進行裝配，可供2.0 L排量的四缸汽油發(fā)動機使用，并分為進氣凸輪軸和排氣凸輪軸兩種。凸輪軸軸桿采用45號冷拔鋼管，凸輪采用GCr15軸承鋼，并進行表面感應淬火處理，發(fā)信輪采用粉末冶金材料。凸輪與鋼管之間的扭矩要求大于70 N·m。整個凸輪軸由VCT油孔軸、鋼管、凸輪、發(fā)信輪等部件裝配而成，另外在進氣凸輪軸上單獨安裝有油泵凸輪。進氣凸輪軸總長度為490 mm，排氣凸輪軸總長度為479.3 mm，凸輪軸的主要尺寸要求如圖1所示。

圖12 .0 L發(fā)動機凸輪軸圖

3 凸輪軸的加工工藝

對于凸輪軸的加工，凸輪軸各個組件的加工及裝配由毛坯供應商完成。直接裝配成半成品件后開始精加工。凸輪軸的精加工工藝流程如圖2所示。

對于一般的軸類零件來說，其軸線即為它的設計基準，發(fā)動機凸輪軸也遵循這一設計基準。由于凸輪軸各表面的加工難以一次裝夾完成，因此減小工件在多次裝夾中的定位誤差，就成為保證凸輪軸加工精度的關鍵。通常采用兩端頂尖孔［3］作為軸類零件的定位基準，這不僅避免了工件在多次裝夾中因定位基準的轉換而引起的定位誤差，而且也可以作為后續(xù)工序的定位基準，即符合“基準統(tǒng)一”原則［4］。

圖2 凸輪軸加工工藝流程

3.1 凸輪軸軸頸的磨削加工

傳統(tǒng)的凸輪軸軸頸磨削分為粗磨和精磨。對于鑄造式凸輪軸，軸頸的加工一般采用車床進行軸頸的粗車，再采用砂輪進行精磨。也有采用多砂輪無心磨床同時進行主軸頸的粗磨后再進行精磨。

圖3 主軸頸磨削示意圖

裝配式凸輪軸軸頸毛坯直徑即為鋼管的外徑，根據產品設計的要求，選擇合適直徑的鋼管，軸頸預留較小加工余量。因此軸頸加工不需要進行粗加工，可以直接在軸頸位置進行粗、精磨削，一次完成。由于進氣凸輪軸和排氣凸輪軸的軸向長度不同，軸頸的軸向位置也不同，在實際生產中就需要進行換型生產。軸頸磨削由于是直接在鋼管上磨削，相當于薄壁件上的外圓磨削，這也給凸輪軸軸頸磨削帶來了一定的難度。在工藝規(guī)劃設備選型上，我公司的凸輪軸磨床選用JUNKER公司的JUNCENTER數控磨床，進、排氣凸輪軸磨削時需要快速換型，凸輪軸軸頸磨削采用單CBN砂輪、雙主軸進行磨削加工，左右側各采用一個主軸砂輪進行磨削。左側主軸砂輪負責第4、第5和第6檔軸頸的磨削，右側主軸砂輪負責第2和第3檔軸頸的磨削。工件在機床上的磨削示意圖如圖3所示。

凸輪軸工件定位利用前后兩端中心孔，采用前、后錐頂尖進行定位夾緊，頭頂尖配置專用驅動器利用尾端鍵槽驅動工件旋轉。為了保證軸頸的跳動公差0.02 mm及0.03 mm要求，應控制凸輪軸在磨削過程中的彎曲變形，因此在第2檔和第4檔軸頸處采用Arobotech自定心中心架進行輔助支撐，工件定位夾緊示意圖如圖4所示。為了保證磨削軸頸直徑尺寸mm滿足工藝要求，在左側滑臺上安裝了線測量裝置，對磨削直徑尺寸進行檢測，并將測量結果反饋給控制系統(tǒng)，系統(tǒng)進行自動補償。采用雙主軸砂輪加工凸輪軸軸頸，既保證了加工節(jié)拍要求，又兼顧到后期產品換型等的加工柔性。

砂輪的選擇則采用CBN單砂輪形式，依次對凸輪軸頸進行磨削。與多砂輪磨削相比，其優(yōu)點是換型快速簡便，砂輪修整容易，缺點是加工節(jié)拍時間長。

圖4 工件定位夾緊示意圖

3.2 凸輪軸凸輪的磨削加工

凸輪毛坯采用鍛造工藝完成，凸輪的型線磨削余量可以得到很好的控制。凸輪的磨削，采用雙主軸雙聯(lián)砂輪進行磨削加工，同時進行兩組凸輪桃的磨削加工。左側雙聯(lián)砂輪負責加工第3缸和第4缸凸輪，右側雙聯(lián)砂輪負責加工第1缸和第2缸凸輪以及油泵凸輪，進氣凸輪軸油泵凸輪由左側雙聯(lián)砂輪進行磨削加工，工件在機床上的磨削示意圖如圖5所示。

圖5 凸輪軸磨削示意圖

工件定位利用前后兩端中心孔，采用前、后錐頂尖進行定位夾緊，頭頂尖配置專用驅動器利用尾端鍵槽驅動工件旋轉和角向定向。圖紙規(guī)定0°參考線為尾端鍵槽的對稱中心線，選用尾端鍵槽作為凸輪相位角度起始角度。同時為了保證軸線統(tǒng)一以及凸輪基圓的跳動0.015 mm和凸輪軸升程段輪廓度0.04 mm尺寸要求，分別在第2至第5檔軸頸位置安裝4個Arobotech自定心中心架，進行輔助支撐，如圖6所示。一般凸輪軸凸輪磨削采用一組雙聯(lián)砂輪進行凸輪的磨削，依次進行每組凸輪桃的磨削。采用兩組雙聯(lián)砂輪進行凸輪磨削的優(yōu)點在于，相比于一組雙聯(lián)砂輪進行凸輪加工，雖然單個凸輪加工的節(jié)拍時間較長，但總的加工時間縮短了，進而縮短了加工節(jié)拍。同時采用雙聯(lián)砂輪對一組凸輪同時進行磨削，可以保證同一缸內的兩個凸輪的型線公差要求。

圖6 工件磨削定位示意圖

砂輪的選擇，采用雙聯(lián)CBN砂輪形式。由于凸輪型線設計為凹面，砂輪選擇較小直徑Φ100 mm砂輪進行磨削，保證磨削凹面曲率半徑符合要求，雙聯(lián)砂輪的形式如圖7所示。

圖7 磨削凸輪的雙聯(lián)砂輪

3.3 凸輪軸止推面的磨削加工

止推面及VCT軸頸及端面的磨削加工，采用JUNKER公司的JUMAT帶B軸旋轉的數控磨床。工件定位采用前、后兩端中心孔，利用前、后錐頂尖進行定位夾緊，頭頂尖安裝專用驅動工裝利用尾端鍵槽驅動工件旋轉。為了保證軸線統(tǒng)一及軸頸跳動公差要求，在第2檔軸頸位置安裝一個Arobotech自動定心中心架進行輔助支撐。工件在機床上的磨削示意圖如圖8所示。

圖8 工件磨削示意圖

機床滑臺配置帶旋轉B軸的工作臺，配置兩個砂輪主軸。第一個砂輪主軸用于磨削VCT軸頸外圓及端面的磨削，磨削形式采用斜切磨削形式，工件的磨削及定位形式如圖9所示。第二個砂輪主軸用于兩止推面的磨削，磨削形式采用端面磨削形式，工件的磨削及定位形式如圖10所示。兩個主軸之間通過滑臺上B軸旋轉實現(xiàn)磨削工步間的轉換。

軸向尺寸是通過以下方式得到保證的：在工件磨削加工前，采用專用軸向測量裝置測量止推面和端面的軸向位置，從而保證了89.05±0.05 mm和兩止推面的寬度17.9+0.07mm尺寸精度要求。

在砂輪選擇方面，則依據工件尺寸要求，設計了一種專用的斜切磨削的CBN砂輪和端面磨削的CBN砂輪。

進排氣凸輪軸的換型，根據進排氣凸輪軸工件長度不同，設計不同的頭頂尖及其驅動器，換型時只需要更換頭頂尖及其驅動器，并切換相應的加工程序即可快速完成進氣凸輪軸和排氣凸輪軸的換型生產。

圖9 磨削VCT軸砂輪磨削及定位示意圖

圖10 磨削兩止推面及定位示意圖

4 結論

裝配式凸輪軸的軸桿為薄壁鋼管，剛性較差，在磨削加工過程中需要考慮砂輪切削力對工件質量的影響。磨削方案中同時需要考慮進排兩種凸輪軸之間的快速換型生產。隨著現(xiàn)代發(fā)動機對凸輪軸要求的不斷提高，對凸輪軸磨削質量的要求也越來越高，許多新的凸輪軸磨削工藝方案將會被應用到實際的生產中。同時，裝配式凸輪軸可以實現(xiàn)柔性設計、柔性生產，凸輪軸的磨削工藝及其它工藝和設備只有向著柔性化，高效率、高精度及低成本的方向規(guī)劃發(fā)展，才符合凸輪軸精益生產的需要，才能適應產品不斷變化的需要。

［1］盛曉敏，米海青，陳濤，張海燕.汽車凸輪軸的高速精密磨削加工關鍵技術［J］.新技術新工藝，2006（8）：61-64.

［2］張馳，楊慎華，寇淑清.裝配式凸輪軸生產工藝及應用［J］.汽車技術，2004（1）：32-34.

［3］曹甜東，盛永華.磨削工藝技術［M］.沈陽：遼寧科學技術出版社，2009：67-90.

［4］龍建勇.合金鋼凸輪軸的加工工藝［J］.現(xiàn)代零部件，2011（4）：74-78.

Assembling Camshaft Grinding Process Solution

Huang Leiming
（Nanjing Automobile Group Co.，Ltd，Nanjing 210061，China）

The camshaft，as one of engine gas distribution system's important component，is always in the running state when the engine is running，for opening and closing air valve.The manufacturing quality，directly affects the engine power，fuel economy and emissions targets，etc.Assembled camshaft as a new type of camshaft，represents a trend of application of automobile engine camshaft.Grinding process is the key process of the camshaft machining process；the camshaft grinding quality is directly related to the final product quality.An assembled camshaft grinding process technique and application are introduced.

camshaft，assembled，grinding，process

10.3969/j.issn.1671-0614.2015.04.010

來稿日期：2015-06-29

黃雷明（1981-），男，助理工程師，主要研究方向為汽車發(fā)動機凸輪軸機械加工及工藝規(guī)劃。