汽車發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸制造關(guān)鍵技術(shù)

趙建強(qiáng)

摘要：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)得來的，是民族制造業(yè)寶貴的結(jié)晶。

關(guān)鍵詞：整體式;組合式;關(guān)鍵技術(shù)

1、凸輪軸系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理

滑動(dòng)式凸輪軸系統(tǒng)由兩部分組成，一個(gè)是機(jī)械部分，即滑動(dòng)式凸輪軸。另外一部分是電磁驅(qū)動(dòng)器?；瑒?dòng)式凸輪軸是由中間的芯軸、凸輪塊及其他連接部件組成。凸輪塊和芯軸是采用花鍵連接，凸輪塊可以在芯軸上滑動(dòng)。一個(gè)凸輪塊上有兩組凸輪，每組凸輪上各有一個(gè)高角度凸輪和一個(gè)低角度凸輪。在凸輪塊的兩端各有一個(gè)螺旋溝槽。

2、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，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。前兩種工藝形式占據(jù)了國內(nèi)鑄鐵凸輪軸市場的絕大數(shù)份額，也是我們研究的重點(diǎn)。

2.1 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2.2 方面：冷激鑄造、凸輪磨削。

2.2.1冷激鑄造技術(shù)

通過使用冷鐵，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，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℃。

②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。

2.2.2 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，給磨削帶來了一定難度;

2.3 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，其凸輪硬化是通過在加工過程中對(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。通過對(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)。通過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)凸輪主升程段和基圓段是易過熱區(qū)，緩沖段是難加熱區(qū)，為使凸輪在加熱過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。

3、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，組合式凸輪軸是按凸輪片與軸體裝配工藝進(jìn)行分類，目前國內(nèi)主流裝配工藝有：1、鋼球脹緊式;2、滾花式。

3.1 鋼球脹緊式凸輪軸

使帶有一定過盈量的鋼球通過中空軸體，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)。

3.1.1 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。

3.1.2 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。

3.2 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)。

3.2.1 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。

3.2.2 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程中產(chǎn)生冷作硬化，齒硬度高于凸輪，壓入過程中凸輪片內(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。4結(jié)語

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。

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