凸轮轴

轴轴承供油的油道。但这种方法的缺点是在现代化 的高效能加工中心和凸轮型线磨床上的加工费用上 升了。
在 冷 激 铸 铁 中 ， 可 以 承 受 大 约 １ ０００ ＭＰａ 的 赫兹挤压应力。在铸铁材料制成的凸轮轴中， 凸轮 表面在铸成后通过重熔法转变成莱氏体， 可以承受 大 约 １ ２００ ＭＰａ， 甚 至 １ ４００ ～１ ８００ ＭＰａ （ 电 子 束） 的赫兹挤压应力［１￣３］。 ２．１．２ 锻钢凸轮轴
Ａｂｓ ｔｒａ ｃｔ： Ｍｏｓｔ ｏｆ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｃａｍｓｈａｆｔ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ａｒｅ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｂｙ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｃａｍｓｈａｆｔ ｍａｓｓｅｓ， ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅｉｒ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓｅｓ ａｎｄ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅｉｒ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｔｏ ｍｅｅｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｍｏｄｅｒｎ ｃａｒｓ． Ｃａｍｓｈａｆｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ， ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｋｅｙ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ａｒｅ ａｎａｌｙｓｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．
表 １ 组合式凸轮轴各种不同的装配原理一览
连接方法
连接方式
采用公司
圆楔法 利用异型冲头的阔管法 球体贯穿扩管法
力连接和变形连接 力连接和变形连接 力连接
戴－ 克公司 Ｔｏｒｒｉｎｇｔｏｎ公司， 雷诺公司 通用公司
利用内部高压变形的扩管法 热套法 烧结熔合法
力连接或力连接和变形连接 力连接 变形连接或扩散连接
柴油机设计与制造 Ｄｅｓｉｇｎ ＆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ
２００６ 年第 ３ 期 第 １４ 卷（总第 １１６ 期）
凸轮轴制造工艺综述
张核军 （ 上海日野发动机有限公司 上海 ２０１４０１）
摘要 凸轮轴制造工艺方面所发生的改变大多是因减轻零部件重量方面的要求、挤压应力的 提高以及所用材料变化而引起， 以适应现代汽车发动机的技术要求。目前， 根据材料和制造工艺 的不同， 对凸轮轴的结构形式、常用的材料、重要工序的加工方法及其发展趋势等几方面进行分 析。
戴－ 克公司 （ 汉堡） ， Ｅｍｉｓｈａｆｔ 马勒／隋考公司 日本活塞环公司
管子局部滚压扩张和零件压力套装定位法
力连接和变形连接
Ｔｈｙｓｓｅｎ Ｋｒｕｐｐ Ｐｒｅｓｔａ
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ＭＰａ以下 （ 视烧结合金的成分而定） ［５］。 ２．２．３ 内部高压成形组合
内部 高 压 成 形 （ ＩＨＵ） ， 就 是 将 已 经 淬 硬 了 的 凸轮圈以力连接和形状连接的方式与通过内部的高 压力变形的钢管制成的轴相连接， 如图 ２。凸轮圈 的内部轮廓明显地偏离圆形， 以便实现形状连接。 通过在凸轮旁边将管子材料往外压出一些而达到凸 轮的轴向定位， 压出的尺寸是 １／１０ ｍｍ 左右。
锻钢凸轮可承受 ２ ０００～２ ５００ ＭＰａ 的赫兹挤压 应力， 钢凸轮在压制状态下在 １ ８００～２ ０００ ＭＰａ 达 到它的 负 荷 极 限［４］ 。 由 于 在 柴 油 机 中 比 压 力 较 高 ， 所以优先采用锻造凸轮轴， 但它的加工费用昂贵。 ２．１．３ 铸钢凸轮轴
在新开发的带辊子随动件的气缸压力很高的汽 油机和柴油机中， 凸轮上受到的赫兹挤压应力已经 突破了冷硬铸件和烧结凸轮轴迄今为止所能够达到 的极限。较新的凸轮轴制造工艺是实型法铸钢凸轮 轴。利用实型法铸造工艺， 可以铸造出一种带有较 少加工量的外部轮廓和一种带贯通的或者只是一端 贯通的圆柱形孔的凸轮轴以减轻重量。铸件和浇铸
图 ４ 管子外面的滚花 （ ３４９） － １３ －
３ 凸轮轴重要的加工工艺 ３．１ 中心孔的加工
加工中心孔的刀具一般都采用标准中心钻 （ 特 殊中心孔区别对待） ， 工艺安排上分两次进行： 热 处理之前和热处理之后。此道工序的关键是控制好
图 ５ 凸轮单体及其孔内的轴向浅槽 ６０°的定位锥面的公差 （ ±１５′￣±２０′） ， 且需用专 用 工具 （ 模拟后续机床的定位顶针） 进行全数检查， 以 控 制 凸 轮 轴 的 轴 向 开 档 精 度 （ 要 求 ±０Leabharlann Baidu２ ｍｍ ￣ ±０．５ ｍｍ） ， 防止凸轮铣时出现未铣出的毛边。 ３．２ 热处理 ３．２．１ 淬火
凸轮必须具有较强的耐磨能力， 所以基本上都 采用钢。轴颈的情况差不多。对于接缝连接来说， 凸轮和轴承都只是发生了弹性变形， 所以凸轮和轴 承材料的弹性模量具有举足轻重的意义。铝和钢已 经作为中空轴的材料用于滚压。轻金属的应用对于 减轻重量具有巨大的潜力， 特别是在负荷不太大、 而截面形状又有利于承受负荷的构件中， 例如封闭 的圆环形截面的构件。 ２．２．５ 管子滚花套压组合
这种 ＩＨＵ 工 艺 制 成 的 组 合 式 凸 轮 轴 已 经 成 功 地 应 用 于 奥 迪 公 司 ２００３ 年 投 入 成 批 生 产 的 Ｖ６－ ＴＤＩ 轿车柴油机中。 ２．２．４ 管内滚压扩张组合
管内滚压扩张已被纳入特别易于加工的工艺方 法之列， 因为它在凸轮孔的公差方面没有特别的要 求。管内滚压法的基础是滑动滚压原理， 插入的管 子元件具有较大的滚压过盈量， 使轴在带孔的外部 零件中发生局部的塑性扩张， 由于接缝处的外部零 件的弹性反弹作用而发生很高的面压配， 由此形成 力连接， 具体原理如图 ３ 所示。
根据所选择的连接技术， 组合式凸轮轴可以采 用钢管， 也可以采用其它材料。例如采用一种高质 量材料的精密轧制钢带加工成形， 通过压力焊接之 后进行冷拉， 其强度至少达到 ８００ Ｎ／ｍｍ２， 表面硬 度达到 ＨＶ＝２３０￣２８０； 或 者 采 用 一 种 冷 拉 焊 接 的 、 柔软的精密钢管 （ ＳＴ５２－ ３） ， 壁厚 ４ ｍｍ， 随后在 轴承部位淬火。 ２．２．１ 热套法组合
在当今的汽油机气门传动链中， 由特种铸铁、 球墨冷激铸铁或者可锻铸铁通过冷激铸造法生产的 凸轮轴十分常见。冷激铸铁凸轮轴是将塑料制成的 凸轮轴模型置于砂子中， 浇铸凸轮轴毛坯； 在此过 程中利用冷激有目的地对铸件进行局部的冷却， 促 使 迅 速 的 凝 固 。 凸 轮 表 面 的 洛 氏 硬 度 ＨＲＣ 达 到 ４５， 使 凸 轮 具 有 卓 越 的 耐 磨 性 。 德 国 的 Ｍａｈｌｅ － Ｗｉｚｅｍａｎｎ－ Ｐｌｅｕｃｏ （ 现今的马勒气门传动链公司） 等多家公司还生产了空心的铸造凸轮轴： 在铸型中 放入一根玻璃管， 浇铸和开箱以后将玻璃管取出。 空心的铸造凸轮轴相对于实心的凸轮轴其重量明显 减轻。在某些发动机中， 这个纵向孔还用作给凸轮
目前， 组合式凸轮轴已批量用在福特公司的汽油机 和柴油机、Ｓｍａｒｔ 轿车以及奥迪公司的 Ｖ６－ ＴＤＩ 柴 油机上， 在一级方程式赛车上也得到了成功的应 用。
组合式凸轮轴可以采用不同的装配原理进行连 接， 如表 １ 所示。在实际生产过程中， 除了表 １ 中 的方法之外， 还有一些其他方法， 如径向螺栓连接 的组合式凸轮轴、钎焊凸轮轴、多边形连接法、摩 擦焊连接法、粘接连接法或者热套粘结连接法、各 种过盈连接法和楔形连接法。
关键词： 发动机 凸轮轴 结构 材料 制造工艺 Ｋｅ ｙ ｗｏｒｄｓ ： ｅ ｎｇｉｎｅ ， ｃａ ｍｓ ｈａ ｆｔ， ｓ ｔｒｕｃｔｕｒｅ ， ｍａ ｔｅ ｒｉａ ｌ， ｍａ ｎｕｆａ ｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅ ｓ ｓ
１ 前言 随着人们对发动机环保要求的提高， 尤其在排
放和百公里油耗方面， 对发动机零部件的设计和制 造提出了更高的要求， 作为发动机的主要传动件之 一的凸轮轴在排放和轻量化方面的作用也引起人们 广泛的关注。 ２ 凸轮轴的结构形式 ２．１ 整体式 ２．１．１ 冷激铸铁凸轮轴
图 １ 斯泰罗帕泡沫塑料结构浸入到液态 的陶瓷涂料中
２．２ 组合式 组合式凸轮轴是将不同的材料组合起来， 按照
不同的工艺进行装配而成。相对于铸造的和锻造的 实心凸轮轴而言， 重量可减轻 ４０％， 是一种很有前 途的工艺方法。 马 勒／隋 考 （ Ｍａｈｌｅ／Ｓüｋｏ） 公 司 早 在 １９８２ 年开始为轿车汽油机开发了组合式凸轮轴。
接缝连接强度主要取决于滚压体的直径和连接 副的材料， 此外， 接缝直径以及内部零件和外部零 件的壁厚也有影响。在扩张形成接缝的过程中， 滚
图 ３ 管内滚压扩张法的原理 下， 提高滚压体和工具之间的接触宽度可以对接缝 强度发生影响、并求得足够的接缝强度。因此， 合 适地选择参数， 接缝连接能够传递大于 ２００ Ｎｍ 的 扭矩。一般来说， 凸轮轴在开启排气门时为了对抗 缸内压力可能承受最大达 ３０ Ｎｍ 的扭矩。
所谓热套， 就是对外部零件进行加热和对内部 管子进行冷却， 并在 ＮＣ 控制的特种机床上， 在短 暂的时间间隔中将凸轮和各种零件 （ 轴套、偏心 环） 先后连接成完整的凸轮轴。其连接精度为±２０′ ～３０′， 轴 向 尺 寸 精 度 为 ±０．２～０．３ ｍｍ。 凸 轮 材 料 （ １００Ｃｒ６ 钢或者烧结材料） 可以根据配对的摩擦副 材料自由地选择。凸轮只需要很小的磨削量， 即使 很小的凸轮间距也能够毫无困难地做到。
另一种方法是， 在管子的凸轮位置上将柔软的 管子张开， 需要连接的外部零件 （ 凸轮、轴套） 被 压在管子上， 由此形成了一种形状连接和力连接的 压配。 ２．２．２ 硬钎焊／烧结组合
在采用 ＰＭ （ 粉末金属） 烧结材料时， 赫兹挤 压应力的限值在 １ ２００ ＭＰａ 左右。利用硬钎焊／烧 结 法 制 造 组 合 式 凸 轮 轴 ， 此 限 值 可 提 高 到 ２ ０００
这是德国蒂森克虏伯普里斯坦（ ＴｈｙｓｓｅｎＫｒｕｐｐ Ｐｒｅｓｔａ） 公司的工艺。首先在管子外面滚花加工出 圆周方向上的槽子见图 ４， 凸轮的孔内加工出轴向 的浅槽见图 ５， 然后将加工好的凸轮套上管子并轴 向压入。由于管子外径和凸轮孔之间有过盈， 所以 当凸轮推入到管子上面之后就会发生塑性变形。管 子表面和凸轮孔都有一些锥度， 所以压入之后非常 牢固。
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系统的模型用 ０．３￣０．５ ｍｍ 直径的聚氨基甲酸乙酯 发泡剂 （ Ｔ 珠） 以 ５％￣８％的戊烷作为膨胀剂， 通入 水蒸气进行预发泡和终发泡而制成。为了实现无障 碍的起模， 模型由多个部件粘结或者插接而成， 一 个设在模型中间的直浇口在由多个子模型组成的模 型下端与星形的冒口系统相连接。这整个的斯泰罗 帕 （ Ｓｔｙｒｏｐｏｒ， 商品名） 聚苯乙烯泡沫塑料结构浸 入到液态的铸型涂料中， 借此形成一层薄薄的陶瓷 涂层， 见图 １。涂料的透气性决定了模型的气化过 程。模型烘干后放入浇铸桶， 砂子包围在模型的周 围后浇铸。马勒气门传动链公司第 １ 根用实型法制 成的 １００Ｃｒ６ 铸钢凸轮轴现在正在一家德国的发动 机制造商那里进行试验， 其壁厚为 ５￣６ ｍｍ， 硬度 为 ２３０ ＨＢ。
压过盈量必须选得足够大， 使得内部零件的应力能 够超过流动极限。在达到了最低滚压过盈量的情况
图 ２ 从内部施加高压制造组合式凸轮轴工艺
ＩＨＵ 凸轮轴由壁厚为 ２．５ ｍｍ 和 ３ ｍｍ 的精密 钢管 （ Ｓｔ３７－ ２） 、用 １００Ｃｒ６ 钢制成的等温淬火凸轮 圈以及钢质堵头或者焊接的终端零件组成。在具体 的连接过程中， 首先将等壁厚的凸轮圈置入 １ 台专 门的设备中， 这台设备可以保证轴向对准凸轮圈中 心线和凸轮圈的转角位置。１ 台真空抓取机将预先 定 位 好 的 各 个 零 件 放 到 带 ＩＨＵ 工 具 的 油 压 机 上 ， ＩＨＵ 工具的模腔形状正好与制好的毛坯轴的外形轮 廓一致。将液体介质注入管内之后， 管子两端用轴 向堵头封死， 通过将管内压力升至 ３００ ＭＰａ， 整个 管子发生塑性变形， 直至贴合在 ＩＨＵ 工具上。此时， 在管子和凸轮之间就发生了力连接和形状连接。