凸轮轴制造工艺及其发展

凸轮轴制造工艺及其发展

作者：陈*扬

（机械125班*号）

摘要：凸轮轴是发动机的关键零件之一，本文介绍了凸轮轴所使用材料，以及该零件的制造工艺方法，国内外的生产技术现状和发展趋势。

1.概述

凸轮轴是活塞发动机里的一个部件。它的作用是控制气门的开启和闭合动作。虽然在四冲程发动机里凸轮轴的转速是曲轴的一半（在二冲程发动机中凸轮轴的转速与曲轴相同），不过通常它的转速依然很高，而且需要承受很大的扭矩，因此设计中对凸轮轴在强度和支撑方面的要求很高，其材质一般是特种铸铁，偶尔也有采用锻件的。由于气门运动规律关系到一台发动机的动力和运转特性，因此凸轮轴设计在发动机的设计过程中占据着十分重要的地位。

2. 凸轮轴的常用材料

凸轮轴的常用材料：球墨铸铁、合金铸铁、冷激铸铁、中碳钢

球墨铸铁：将接近灰铸铁成份的铁水经镁或镁的合金或其它球化剂球化处理后而获得具有球状石墨的铸铁。石墨呈球状，大大减轻了石墨对基体的分割性和尖口作用，球墨铸铁具有较高的强度、耐磨性、抗氧化性、减震性及较小的缺口敏感性。

球墨铸铁的凸轮轴一般用在单缸内燃机上，如S195柴油机，做凸轮轴用的球墨铸铁用QT600-3或QT700-2，要求球化为2级（石墨球化率90-95%）石墨粒度大小大于6级。凸轮轴整体硬度HB230-280

合金铸铁：将接近灰铸铁成份的铁水加入Mn、Cr、Mo、Cu等元素。从而与珠光体形成合金，减少铁素体的数量。合金铸铁的凸轮轴一般用于高转速凸轮轴。如CAC480凸轮轴，凸轮轴整体硬度HB263-311。

冷激铸铁：一般用于低合金铸铁表面冷激处理，使外层为白口或麻口组织，心部仍是灰口组织。如：372凸轮轴。使用冷激铸铁的凸轮轴处于干摩擦或半干摩擦工作状态，而具有承受较大的弯曲与接触应力，要求材料表面层抗磨且高的强度，心部仍有一定的韧性。目前国内所用的冷激铸铁主要有两大类：铬、钼、铜冷激铸铁和铬、钼、镍冷激铸铁，冷硬层的金相组织:莱氏体+珠光体(索氏体)冷激铸铁硬度为HRC45—52,目前，国内冷激铸铁的硬度在HRC47左右。

中碳钢：一般用于大型发动机凸轮轴。如：6102发动机采用模锻锻造成型，也有一部分用于摩托凸轮轴，成型较简单。模锻后一般要进行退火处理以便于机械加工。

3.凸轮轴的重要加工工艺

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（特殊中心孔区别对待) ,工艺安排上分2 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±0. 2 ～±0. 5mm) ,防止凸轮铣时出现未铣出的毛边。

3.2热处理

3.2.1淬火

感应淬火时应根据不同的工件材质。在满足硬度要求的前提下找出淬火的边界条件,控制输出的最大最小电压、电流范围,同时控制淬入液的浓度、流量和温度,并定期对淬火液的冷却速率进行分析,以此作为更换淬火液的依据。

3.2.2各种凸轮轴材料及热处理工艺

各种凸轮轴材料及热处理工艺如下表1所示

3.3凸轮磨

随着磨削余量的减少和磨削速度的提高(由传统的35～60 m/ s 发展到125～200 m/ s) 使用高速磨削将是必然的趋势。对树脂结合剂的刚玉、碳化硅、立方氮化硼磨料的砂轮, 其使用速度可达125 m/ s ;陶瓷结合剂砂轮磨削速率可达200 m/ s。对于选用CBN 的砂轮进行磨削,要求注意选配合适的砂轮宽度、浓度、硬度和切削液。正确选择切削液种类和冷却工艺参数,对砂轮在磨削过程中的机械磨损、化学侵蚀和热损伤的程度将产生非常大的影响。尤其是在凸轮轴上同时具有凹面凸轮(也被称作负曲率半径(NROC) 凸轮) 的情况下,设备供应商一般都建议采用双磨头全数控磨床。关于凸轮的磨削工艺设计,一般用户依托设备供应商解决。供应商根据用户提供凸轮的0°～360°的离散点,通过选用恰当的数控系统,主要解决:1) 将离散点变成连续的封闭曲线。2) 将生成曲线转为磨削曲线。由于凸轮磨削时磨削点与生成点不在一个点,必须进行数学模换, 而且这种变换还与凸轮的测量方式有关。3) 建立C 轴调速曲线。在凸轮磨削中,为保证凸轮加速度恒定,必须根据C 轴角度来调整C 轴转速的调速曲线。其中在凸轮磨削NC 程序生成之前,关键是首先要编制凸轮生成曲线(通过对数据平滑处理,将离散点形成封闭曲线) 和速度曲线的计算程序,即将给定的凸轮生成表转换为磨削用的磨削曲线(C 坐标值、x 轴坐标值) 。如图1 所示。

4.凸轮轴的国内外现状及发展趋势

4.1传统式凸轮轴大多是由铸造或锻造生产，个别的也有用碳钢切削加工制造。铸造式凸轮轴主要有冷硬铸铁，淬火铸铁等。为了减轻重量，有些凸轮轴采用型芯铸造，使轴呈空心状。在日本以冷硬铸铁凸轮轴为主，在美国以淬火铸铁凸轮轴为主。为了使发动机性能更好，近年开发了重融冷硬铸铁、淬火球墨铸铁等多种形式的凸轮轴，但因成本等原因其应用范围仅限于个别领域；锻造式凸轮轴以碳钢为主进行热锻，凸轮部分采用高频淬火处理，主要应用于大中型发动机上。由于它的耐点蚀性能较好，多与气门顶置式(OHV)机构的挺杆组合使用，也有与摇臂配合应用于柴油发动机凸轮上置式(OHC)结构上。由于锻造式凸轮轴无法实现轻量化，发展潜力很小。传统凸轮轴的制造特点很难同时保证发动机配气机构对凸轮轴各个部位不同性能的要求，凸轮的排列也不可能很紧凑，材料利用也不尽合理，后续加工复杂，在轻型化及减少成本方面难有新的突破。

4.2金属塑料复合凸轮轴已在美国应用。将粉末金属成型并经磨削加工的凸轮片和中空钢轴放入模具内,在中空轴周围注射塑料。凸轮片和轴之间不再有金属直接接触,而是由塑料固定形成一体。这种凸轮轴的成本及重量均可减少40 % ,可降低发动机噪声,加工准备时间由原来的几小时缩短至几分钟。

4.3而装配式凸轮轴目前以较快的速度发展,主要应用于高性能发动机上。目前,世界上许多汽车工业发达的汽车制造厂正在越来越多使用装配式凸轮轴制造新技术,但因技术掌握的程度、方法不同,使用装配式凸轮轴的种类也不同。

4.3.1装配式凸轮轴的优点

装配式凸轮轴的轴和凸轮分开制造，然后装配在一起。凸轮一般采用碳钢或粉末冶金材料，轴则采用冷拔薄壁无缝钢管。碳钢凸轮可进行高频淬火或渗碳处理，具有较高的耐胶