大長徑比12缸發(fā)動機(jī)凸輪軸的研制與開發(fā)

盧 杉

（焦作大學(xué)機(jī)電學(xué)院，河南 焦作 454003）

1.產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

汽車工業(yè)是裝備制造業(yè)的重要組成部分，也是一個(gè)國際性、技術(shù)性強(qiáng)的行業(yè)，產(chǎn)業(yè)體系十分龐大，具有產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度高、產(chǎn)品鏈條長、帶動能力強(qiáng)、技術(shù)含量高等特點(diǎn)。我國汽車整車生產(chǎn)廠家所需的關(guān)鍵汽車零部件主要依賴于進(jìn)口，加上我國長期重視整車生產(chǎn)、輕視零部件的制造，同時(shí)，汽車零部件廠家的研發(fā)基礎(chǔ)和能力同發(fā)達(dá)國家水平差距較大，我國汽車產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展受制于汽車零部件的研發(fā)和制造。近年來，國家出臺了相關(guān)產(chǎn)業(yè)、技術(shù)政策，明確引導(dǎo)和支持汽車關(guān)鍵總成及零部件的研發(fā)，以此支撐和促進(jìn)我國汽車工業(yè)的持續(xù)、健康、快速發(fā)展。

2.項(xiàng)目來源

作為發(fā)動機(jī)三大關(guān)鍵摩擦副之一的凸輪軸，是發(fā)動機(jī)重要的驅(qū)動和控制機(jī)構(gòu)，起到了舉足輕重的作用。在發(fā)動機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)中，凸輪軸加工質(zhì)量的好壞直接影響到柴油機(jī)的各缸工作次序及配氣定時(shí)要求，進(jìn)而影響到發(fā)動機(jī)的進(jìn)、排氣性能。因此，其必須具有足夠的加工精度、強(qiáng)度、剛性、韌性和耐磨性。

凸輪軸的質(zhì)量除與材質(zhì)、熱處理和強(qiáng)化等有關(guān)外，機(jī)械加工也是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。凸輪軸的材料及其加工工藝均有特殊要求，合理的加工工藝對于控制凸輪質(zhì)量、降低加工成本、減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)以及合理布置凸輪軸生產(chǎn)線具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

大長徑比12缸發(fā)動機(jī)凸輪軸（長徑比大于35：1）如圖1所示，是為如圖2所示的博杜安M26柴油發(fā)動機(jī)系列產(chǎn)品中的12缸發(fā)動機(jī)配套開發(fā)的新產(chǎn)品。博杜安M26柴油發(fā)動機(jī)是中國濰柴動力收購法國造機(jī)公司博杜安電機(jī)公司推出的一種新系列陸用和船用柴油機(jī)，其運(yùn)用了當(dāng)前世界柴油發(fā)動機(jī)的最新設(shè)計(jì)理念和制造技術(shù)，發(fā)動機(jī)的排放、燃油經(jīng)濟(jì)性、升功率、體積功率比等技術(shù)指標(biāo)，都達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

圖2 博杜安M26柴油12缸發(fā)動機(jī)

3.大長徑比凸輪軸研究現(xiàn)狀

常見凸輪軸加工工藝流程如下：毛坯→校準(zhǔn)→粗加工 （車銑復(fù)合加工中心加工）→調(diào)質(zhì)熱處理→半精加工 （車銑復(fù)合加工中心加工）→中頻淬火機(jī)床→精加工 (車銑復(fù)合加工中心、數(shù)控凸輪軸磨床)→光整→探傷→清洗凸輪軸檢測儀。

大長徑比凸輪軸屬于細(xì)長軸類零件，剛性差、易變形，并且形狀復(fù)雜。凸輪具有很高的輪廓精度、相位角度和良好的耐磨性能且整體剛性好，加工難度大。在凸輪軸的加工過程中，有兩個(gè)主要因素影響其加工精度。

3． 1 易變形特性

從細(xì)長軸的角度來說，突出的問題就是工件本身的剛度較低，切削時(shí)會產(chǎn)生較大的受力變形，其表面殘余應(yīng)力也會引起變形。尤其是在加工凸輪和齒輪時(shí)，這種變形會更為顯著。

凸輪軸在加工過程中的變形，不僅影響到后續(xù)工序加工中的余量分配是否均勻，而且變形過大會導(dǎo)致后序加工無法進(jìn)行，甚至造成中途報(bào)廢。凸輪軸加工后的變形，將直接影響到裝配后凸輪軸的使用性能。

因此，在安排工藝過程時(shí)，必須針對工件易變性這一特點(diǎn)采取必要的措施。不僅要把各主要表面的粗精加工工序分開，以使粗加工時(shí)產(chǎn)生的變形在精加工中得到修整，半精加工中產(chǎn)生的變形在精加工中得到修正，還必須在加工過程中增設(shè)輔助支撐等措施，這是保證凸輪軸加工精度所必須解決的問題。

3． 2 加工難度大

從形狀復(fù)雜的角度來說，突出的問題是凸輪、齒輪這些復(fù)雜表面的加工。對于這些表面，不僅有尺寸精度要求，還有形狀、位置精度要求，如采用普通的加工設(shè)備和一般表面常規(guī)加工方法，顯然是無法保證其加工質(zhì)量和精度的。

例如對于凸輪的加工，從滿足使用要求的角度來說，既要求其相位角準(zhǔn)確又要求凸輪曲線升程滿足氣門開啟和關(guān)閉時(shí)升降過程的運(yùn)動規(guī)律。但注意到凸輪曲線上的各點(diǎn)相對其回轉(zhuǎn)中心的半徑是變化的，當(dāng)選用一般的靠模機(jī)床加工時(shí)，由于加工半徑的變化，勢必引起切削速度和切削力的變化，加之工件旋轉(zhuǎn)時(shí)的慣性力和靠模彈簧張力的瞬間變化，將會使加工后的凸輪曲線產(chǎn)生形狀誤差，即曲線的升程誤差，從而直接影響凸輪軸的使用性能。

4.技術(shù)難題及研究方案

4.1 擬解決的技術(shù)難題

（1）在大長徑比（大于 35：1）情況下，凸輪軸底徑車削、軸頸磨削加工時(shí)如何避免顫動，保證加工尺寸以及加工表面粗糙度、跳動度符合圖紙要求。

（2）在大長徑比條件下，采用CBN砂輪對寬凸輪（30mm）進(jìn)行隨動高速磨削時(shí)，研究磨削參數(shù)的優(yōu)化，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。

（3）凸輪密集排列（間距小于 8mm）時(shí)，如何消除淬火時(shí)的相互影響 （下一個(gè)凸輪淬火時(shí)，前一個(gè)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(zhì)量。

4.2 研發(fā)路線

（1）前期準(zhǔn)備階段，主要工作包括確立課題、市場調(diào)研、查閱相關(guān)資料。

（2）確定研制方案。擬定產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，按照設(shè)計(jì)方案和計(jì)劃進(jìn)行實(shí)施。根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)一步調(diào)整和完善計(jì)劃方案。

（3)具體設(shè)計(jì)階段，確定產(chǎn)品具體生產(chǎn)工藝，試生產(chǎn)。

(4)小批量試生產(chǎn)，工藝完善，對產(chǎn)品進(jìn)行性能測試。

(5)投產(chǎn)階段，工藝完善，對產(chǎn)品進(jìn)行性能測試。

(6)產(chǎn)品完成階段。批量生產(chǎn)，寫出研究報(bào)告，聘請專家鑒定。

5.采取的新技術(shù)

5.1 凸輪及軸頸連續(xù)中頻淬火自回火防干涉技術(shù)

凸輪軸工作應(yīng)力高度集中于軸頸與凸輪上，提高凸輪軸強(qiáng)度的關(guān)鍵在于提高軸頸與凸輪疲勞強(qiáng)度。凸輪密集排列（間距小于8mm），為了消除淬火時(shí)的相互影響（下一個(gè)凸輪淬火時(shí)，前一個(gè)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(zhì)量，設(shè)計(jì)了在淬凸輪的感應(yīng)圈有效圈上加裝硅鋼片導(dǎo)磁體，同時(shí)合理設(shè)計(jì)感應(yīng)圈的高度及規(guī)定先淬凸輪、后淬軸承檔的工序，對相鄰兩側(cè)的凸輪起到了很好的屏蔽作用，克服了感應(yīng)回火軟化現(xiàn)象。另外，考慮到國產(chǎn)設(shè)備在冷卻水系統(tǒng)中壓力比國外產(chǎn)品小，為了使感應(yīng)器得到更好的冷卻，將冷卻水管設(shè)計(jì)成二進(jìn)二出式，增加了冷卻水的流量。

新工藝改變了傳統(tǒng)軸頸與凸輪淬硬要求一致的特點(diǎn)，降低了軸頸的淬火要求，改善了孔系機(jī)加工工藝的可行性，解決了孔口裂紋的問題，同時(shí)提高了凸輪的淬硬層深度及表面硬度，可大大提高凸輪軸的運(yùn)動副表面的疲勞強(qiáng)度和耐磨性。

5.2 凸輪軸隨動磨削技術(shù)

凸輪軸數(shù)控隨動磨削加工技術(shù)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(shí)現(xiàn)砂輪的徑向往復(fù)運(yùn)動和工件回轉(zhuǎn)運(yùn)動的精確聯(lián)動，無需機(jī)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(shù)。

在大長徑比條件下，采用CBN砂輪對寬凸輪（30mm）進(jìn)行隨動高速磨削時(shí)，研究磨削參數(shù)的優(yōu)化。需要選擇合適的磨削參數(shù)，主要有：

工件參數(shù)：凸輪位置參數(shù)、凸輪角度參數(shù)、凸輪基圓半徑參數(shù)、凸輪測量方法；

砂輪參數(shù)：砂輪直徑、砂輪寬度；

修整砂輪參數(shù)：砂輪修磨時(shí)進(jìn)給位置、速度、修磨量、修磨次數(shù)等；

磨削參數(shù)：砂輪進(jìn)給位置、速度、粗磨量、半精磨量、精磨量、C軸各轉(zhuǎn)速、凸輪補(bǔ)償量等。

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(shù)能顯著地提高凸輪軸零件的磨削效率和磨削精度，同時(shí)具有很高的柔性。

5.3 自定心輔助中心托架

一般生產(chǎn)工藝中，液壓自定心中心架通過托架座設(shè)置于導(dǎo)軌上，刀具在走刀時(shí)，不能加工凸輪軸全程，只能加工一半長度凸輪軸，再翻轉(zhuǎn)過來加工另一半，會對零件的加工精度和表面質(zhì)量產(chǎn)生影響，同時(shí)使用非常不方便，不利于生產(chǎn)效率的提高。

在生產(chǎn)過程中，為了克服上述缺陷，研制了可便于一次車削加工全程的細(xì)長類凸輪軸的懸掛式中心輔助支架，如圖3所示。利用本懸掛式中心輔助支架，可實(shí)現(xiàn)一次車削加工細(xì)長類凸輪軸全程，保證加工尺寸以及加工表面粗糙度、跳動度符合圖紙要求。

圖3 液壓自定心中心架實(shí)物圖和原理圖

6.綜述

大長徑比（長徑比大于35：1）的12缸發(fā)動機(jī)凸輪軸是一種加工技術(shù)難度大、需求量巨大、工況條件要求嚴(yán)格的高新技術(shù)產(chǎn)品，采用合理的研發(fā)路線、先進(jìn)的加工工藝，是生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的必要保障。

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