鐘建琳，常 城，韓秋實

(北京信息科技大學機電學院，北京 100192)

1 前言

凸輪軸是機械制造行業(yè)應用歷史最長、最廣泛的零件之一，發(fā)動機(包括汽車、拖拉機、船用柴油機等)中不能缺少凸輪軸。隨著經濟建設的發(fā)展，汽車工業(yè)已成為國民經濟的一大支柱。因此，研究凸輪軸的制造技術，提高生產效率，降低制造成本具有重要意義。隨著發(fā)動機性能的改進和提高，作為其關鍵承載運動件之一的凸輪軸也有了較大改進。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;隨著計算機技術的高速發(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

凸輪軸是發(fā)動機的關鍵零件之一，一般要求凸輪軸具有適當?shù)膹姸群晚g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鑄造、硬化(有的是鑄造時采用冷激鑄鐵，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 整體式凸輪軸生產工藝流程

對鑄造凸輪軸毛坯，為增強凸輪的耐磨性能，國內外主要采用激冷法、淬火法和重熔法三種措施。激冷法生產工序少、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，需專門的設備，耗能大、成本高。重熔法對原始組織，特別是石墨片的大小要求較高，且需專門的設備，耗能大、成本高。

對于鍛造凸輪軸毛坯，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)動機上。由于鍛造凸輪軸強度高、耐點蝕性能較好，多用于氣門頂置式機構，也有用來制造柴油發(fā)動機頂置式凸輪軸。采用楔橫軋工藝進行凸輪軸制坯，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，具有眾多密集臺階的多缸凸輪軸毛坯采用軋制工藝困難很大。

由于凸輪輪廓制造精度與表面質量是影響氣門開閉間隙的大小、配氣效率、凸輪軸運動的平穩(wěn)性、發(fā)動機運轉噪聲等的主要因素，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)動機廠X6130型柴油機的20鋼滲碳凸輪軸的生產工藝流程為: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→入庫。以鍛造凸輪軸為例，目前國內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。

因此，整體式凸輪軸加工的關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械靠模法和CNC法，其中CNC法又包括極坐標式、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。由于凸輪軸細而長，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，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，每臺加工機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達到的磨削精度。

無心磨削不用夾緊工件，而是將工件放在托板上，由一個砂輪及導輪支承便可。如采用多砂輪無心磨床，每個軸頸各有一砂輪和導輪進行磨削，砂輪和導輪相向進給，使工件中心線始終保持不動。也就是說，無心磨削是在工件始終處于平衡條件下完成的，工件不會產生彎曲變形，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)動機凸輪軸，從球墨鑄鐵毛坯直接磨出，磨削余量3.9mm，最后達到精度為:直徑偏差10μm，圓度1.5μm，振擺 5μm，表面粗糙度 Ra0.4μm，生產率:粗磨為每小時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，生產效率高的特點。另外，凸輪軸的設計和凸輪軸在發(fā)動機內的安裝都以主軸頸作為支承基準，如能統(tǒng)一設計、加工、安裝基準，在工藝設計時就不必再進行基準轉換，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，這樣得出的工件精度更高。但無心磨床調整困難，因為無心磨削工藝特殊，砂輪、導輪、支板三大因素，任何一個細微變動都會影響磨削效果。

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，隨主軸一起轉動，依靠彈簧的拉力使靠模與靠輪始終緊密接觸。在轉動過程中，由于靠模外形輪廓的曲率變化，迫使擺架產生擺動。工件安裝在主軸與尾座之間，并與靠模等速旋轉，通過砂輪的橫向切入對工件進行磨削。在磨削凸輪的回程面時，為使擺架擺動平穩(wěn)，避免沖擊，裝有擺架液壓緩沖器。這種傳統(tǒng)的機械靠模法加工凸輪存在的主要問題是:當產品改進或換型時，需重新設計和制造母靠模和工作靠模，生產準備周期長，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)機械靠模法加工凸輪的質量及效率難以滿足生產發(fā)展的需要，人們開始尋求將數(shù)控技術用于凸輪的加工，進而產生了數(shù)控凸輪軸磨床。數(shù)控凸輪軸磨床的關鍵技術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動方式主要有以下兩種[1－2]。

(1)極坐標式，即凸輪的整個輪廓是依靠砂輪架水平往復移動(X軸)和工件主軸轉動(C軸)這兩個動作的同步來形成。在凸輪軸轉動的同時，砂輪架的移動產生進給動作，并通過數(shù)控裝置進行插補運算，控制各坐標軸按照凸輪外形輪廓運動。該方式控制算法簡單，加工精度高，但生產效率較低。

(2)搖架式，采用與常規(guī)凸輪磨床相似的運動方式，即采用擺動機構，工件主軸頭架及尾架均裝在擺動工作臺上，但擺動運動不是由靠模滾輪機構控制，而是由計算機數(shù)控，通過伺服電機、滾珠絲桿及螺母帶動工作臺擺動起來形成凸輪的外形輪廓。因搖架慣量比砂輪慣量小，所以生產效率較高，但成形分析算法較復雜。

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，更換砂輪和修整砂輪的時間短，能提高工件的疲勞強度和耐磨性等優(yōu)點[3]。但是，對單砂輪磨床來說，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，再進行磨削，這樣生產效率不是很高。

(2)凸輪軸凸輪的表面磨削質量有待進一步提高。我們知道，金屬磨除率是直接正比于砂輪與凸輪的相對周邊速度，對大砂輪而言，在關閉曲線60°左右，其中相對的周邊速度最大，此處的金屬磨除率差不多能達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)的設計中采用了可變的工件轉速。在基圓處，工件的轉速快一點;在曲線外，金屬磨除量變大，轉速就慢一些。在桃尖處，磨削接觸較小，轉速又快一些。然而，這種辦法有時仍不能完全消除過熱的產生，在磨削以后仍能看見燒傷的斑點。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。但在實際大批量生產中，小砂輪的可采納性與可靠性難以保證:因為砂輪直徑小，為達到相同的砂輪線速度，必須數(shù)量級地提高其轉速，從而會帶來一系列問題;另外，因為砂輪小，考慮到砂輪的使用壽命，必須經常更換。

(3)凹入凸輪在開放曲線與關閉曲線處是負的曲率，這種凸輪工作時能更快地開關閥門，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，視具體的設計而定。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，但CBN砂輪價格昂貴。

針對這些不足，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動的砂帶作為磨具進行磨削和拋光，因其加工效率高、應用范圍廣、適應性強、使用成本低、操作安全方便等特點而深受用戶青睞。上海機床廠最近研發(fā)的H405－AA數(shù)控共軛凸輪砂帶磨床系國際首創(chuàng)，因為其“共軛磨削的徑向調整裝置”及“母線平行于回轉軸線的柱面工作磨削方法和裝置”均享有發(fā)明專利，是具有自主知識產權的高技術產品，又是將共軛方法、砂帶磨削、數(shù)控同步等技術集于一身的新型產品。本產品的主要技術是共軛方法，在磨削加工中，共軛輪以共軛接觸式進行柱面磨削。數(shù)控同步又不是以往用數(shù)控系統(tǒng)保證同步，而是用伺服電機和外部編碼器直接實現(xiàn)共軛輪和工件做等速比的共軛運行。在結構上，改變了以往凸輪軸傳統(tǒng)加工方法，即每個凸輪單獨磨削，而本產品可一次裝夾加工出一根凸輪軸上的多個凸輪，效率是傳統(tǒng)方法的5～10倍，并能生產出高質量的凹入凸輪。

3 組裝式凸輪軸制造技術

組裝式凸輪軸突破了整體式凸輪軸材料、設計及制造理念的局限，它是通過改變結構和制造方法而實現(xiàn)的，即將凸輪軸分成凸輪、芯軸、軸頸等若干個可裝配件，分別進行材料優(yōu)化及精益加工，再組裝成整體凸輪軸的新型組合設計與現(xiàn)代制造模式。凸輪一般采用碳鋼或粉末燒結材料，芯軸則采用冷拔無縫鋼管。碳鋼凸輪可進行精密塑性成形，并進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。由于各元件可預制得比較精密(比鑄、鍛件精確得多)，從而節(jié)省材料，并能進行最佳材料匹配，經濟地制造各個元件，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行了精確的預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)省了許多搬運零件的時間，生產效率高，并能顯著降低零件的制造成本。

組裝式凸輪軸的核心技術為凸輪與芯軸的連接，其連接方式主要有焊接、燒結和機械連接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。燒結連接是將鋼管插入粉末冶金凸輪中，然后放入燒結爐內，利用燒結擴散使凸輪與芯軸連接。機械連接分為熱套法、冷套法、液壓擴管法、機械擴管法、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現(xiàn)連接;液壓擴管法是將凸輪預先套在軸管上，利用液壓使軸管擴徑并產生塑性變形，實現(xiàn)與凸輪的連接;機械擴管法也是使軸管擴徑并產生塑性變形，但一般依靠橄欖形機械脹頭完成分段擴管，實現(xiàn)芯軸與凸輪的連接。

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

國內吉林大學也研究開發(fā)了組裝式凸輪軸新型連接技術與CNC裝配機，以實現(xiàn)高精度快速裝配與高強度連接;上海通用汽車公司采用耐磨燒結鐵基合金材料凸輪與空心鋼管擴管連接方法制造組裝式凸輪軸，已應用于別克轎車發(fā)動機上[5]。

4 結論

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計與制造模式，其構思新穎，極具競爭力，但凸輪與芯軸的連接技術、凸輪精密成形、裝配技術與設備等關鍵技術問題有待進一步研究。我國汽車行業(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，羅 磊.搖架式凸輪軸磨床凸輪輪廓數(shù)控成形分析[J].精密制造與自動化，2002(2):27－30.

[2]孫志永，韓秋實.全數(shù)控凸輪軸磨床研制的若干主要技術[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[J].精密制造與自動化，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)動機裝配式凸輪軸——極具競爭力的新技術[J].中國機械工程，2004，15(6):474－477.