凸轮轴制造技术研究综述*

钟建琳，常 城，韩秋实

(北京信息科技大学机电学院，北京 100192)

1 前言

凸轮轴是机械制造行业应用历史最长、最广泛的零件之一，发动机(包括汽车、拖拉机、船用柴油机等)中不能缺少凸轮轴。随着经济建设的发展，汽车工业已成为国民经济的一大支柱。因此，研究凸轮轴的制造技术，提高生产效率，降低制造成本具有重要意义。随着发动机性能的改进和提高，作为其关键承载运动件之一的凸轮轴也有了较大改进。凸轮型线由圆弧凸轮、阿基米德渐开线凸轮，发展到谐函数曲线凸轮、复合函数曲线凸轮;凸轮轴除了常用的整体式凸轮轴，出现了组装式凸轮轴;随着计算机技术的高速发展，凸轮轴的加工由传统的高精度铣削、靠模磨削发展到CNC磨削。

2 整体式凸轮轴制造技术

凸轮轴是发动机的关键零件之一，一般要求凸轮轴具有适当的强度和韧性，凸轮表面具有良好的耐磨性能和抗冲击性能。整体式凸轮轴的材料通常为铸铁(如球铁、合金铸铁)或合金钢。铸造的凸轮轴一般经铸造、硬化(有的是铸造时采用冷激铸铁，组织是白口铁)、磨削、抛光。钢制的凸轮轴在磨削、淬硬和抛光以前，其毛坯是锻造的，或用棒料粗加工成形。

2.1 整体式凸轮轴生产工艺流程

对铸造凸轮轴毛坯，为增强凸轮的耐磨性能，国内外主要采用激冷法、淬火法和重熔法三种措施。激冷法生产工序少、耗能少、成本低，但凸轮轴尺寸精度低，加工余量大，不适合大批量流水线作业。淬火法常用于含有合金元素的可淬硬铸铁，需专门的设备，耗能大、成本高。重熔法对原始组织，特别是石墨片的大小要求较高，且需专门的设备，耗能大、成本高。

对于锻造凸轮轴毛坯，碳钢材料的凸轮轴一般采用整体热锻成形，凸轮部分采用高频淬火处理，主要用于大中型发动机上。由于锻造凸轮轴强度高、耐点蚀性能较好，多用于气门顶置式机构，也有用来制造柴油发动机顶置式凸轮轴。采用楔横轧工艺进行凸轮轴制坯，一般轧制成阶梯轴，凸轮形状无法轧制。楔横轧工艺制坯容易在轴向中心处出现疏松或裂纹。此外，具有众多密集台阶的多缸凸轮轴毛坯采用轧制工艺困难很大。

由于凸轮轮廓制造精度与表面质量是影响气门开闭间隙的大小、配气效率、凸轮轴运动的平稳性、发动机运转噪声等的主要因素，因此整体铸造或锻造的凸轮轴毛坯必须辅以大量的后续切削加工与处理。如杭州汽车发动机厂X6130型柴油机的20钢渗碳凸轮轴的生产工艺流程为:备料→校直→粗车→校直→精车→渗碳→校直→局部车去渗碳层→淬火和回火→校直→粗、精磨→探伤与退磁→热清洗→成品检验→入库。以锻造凸轮轴为例，目前国内一般整体式凸轮轴的主要加工工艺流程为:整体锻造毛坯→正火→粗车轴颈→粗磨轴颈→车端面中心孔→铣键槽→靠模车凸轮→粗磨凸轮→钻主油道、轴颈孔→渗碳淬火→整体校直→半精磨轴颈→精磨主轴→精磨凸轮→清洗→检测。

因此，整体式凸轮轴加工的关键主要是凸轮和轴颈的磨削两部分。凸轮轴轴颈可采用无心磨削，而凸轮磨削加工一般有机械靠模法和CNC法，其中CNC法又包括极坐标式、摇架式、砂带磨削等。通常凸轮磨削余量范围在直径上为0.5～3.00mm。

2.2 整体式凸轮轴轴颈的磨削加工

通常整体式凸轮轴轴颈加工是先粗车，然后将工件支在顶尖间，单只砂轮跳档依次磨各个轴颈，或用多砂轮磨床两次装夹完成粗磨及精磨全过程。由于凸轮轴细而长，刚性差，很易挠曲，必须在磨削部位用中心架托住，且需随轴颈磨削向前推进，始终紧贴轴颈，才能较好地保证精度，磨削量也不能太大。另外，每台加工机床相互间不同的中心顶角、中心顶尖的同心性及中心孔的形状精度都将影响磨削过程中应达到的磨削精度。

无心磨削不用夹紧工件，而是将工件放在托板上，由一个砂轮及导轮支承便可。如采用多砂轮无心磨床，每个轴颈各有一砂轮和导轮进行磨削，砂轮和导轮相向进给，使工件中心线始终保持不动。也就是说，无心磨削是在工件始终处于平衡条件下完成的，工件不会产生弯曲变形，有利于保证工件的直线性及加工精度。如采用瑞典Lidkoping凸轮轴多砂轮无心磨床加工四缸发动机凸轮轴，从球墨铸铁毛坯直接磨出，磨削余量3.9mm，最后达到精度为:直径偏差10μm，圆度1.5μm，振摆 5μm，表面粗糙度 Ra0.4μm，生产率:粗磨为每小时144根，精磨为128根。

因此，采用无心磨床磨削凸轮轴轴颈，具有加工精度高，生产效率高的特点。另外，凸轮轴的设计和凸轮轴在发动机内的安装都以主轴颈作为支承基准，如能统一设计、加工、安装基准，在工艺设计时就不必再进行基准转换，所以采用无心磨削工艺，非常有利于提高凸轮的加工精度。用无心磨削磨出各主轴颈后，其后的凸轮轮廓磨削工序等，如也能以主轴颈为基准，这样得出的工件精度更高。但无心磨床调整困难，因为无心磨削工艺特殊，砂轮、导轮、支板三大因素，任何一个细微变动都会影响磨削效果。

2.3 整体式凸轮轴凸轮的磨削加工

传统的大批量凸轮轴凸轮的磨削加工是采用摆架式靠模法横向切入进行仿形磨削。其工作原理是:数块靠模串装在头架轴上，随主轴一起转动，依靠弹簧的拉力使靠模与靠轮始终紧密接触。在转动过程中，由于靠模外形轮廓的曲率变化，迫使摆架产生摆动。工件安装在主轴与尾座之间，并与靠模等速旋转，通过砂轮的横向切入对工件进行磨削。在磨削凸轮的回程面时，为使摆架摆动平稳，避免冲击，装有摆架液压缓冲器。这种传统的机械靠模法加工凸轮存在的主要问题是:当产品改进或换型时，需重新设计和制造母靠模和工作靠模，生产准备周期长，柔性较差，并且靠模精度直接影响工件的磨削精度。

由于传统机械靠模法加工凸轮的质量及效率难以满足生产发展的需要，人们开始寻求将数控技术用于凸轮的加工，进而产生了数控凸轮轴磨床。数控凸轮轴磨床的关键技术之一是凸轮轮廓的数控成形分析。在数控凸轮轴磨床中，凸轮外形轮廓曲线生成的运动方式主要有以下两种[1－2]。

(1)极坐标式，即凸轮的整个轮廓是依靠砂轮架水平往复移动(X轴)和工件主轴转动(C轴)这两个动作的同步来形成。在凸轮轴转动的同时，砂轮架的移动产生进给动作，并通过数控装置进行插补运算，控制各坐标轴按照凸轮外形轮廓运动。该方式控制算法简单，加工精度高，但生产效率较低。

(2)摇架式，采用与常规凸轮磨床相似的运动方式，即采用摆动机构，工件主轴头架及尾架均装在摆动工作台上，但摆动运动不是由靠模滚轮机构控制，而是由计算机数控，通过伺服电机、滚珠丝杆及螺母带动工作台摆动起来形成凸轮的外形轮廓。因摇架惯量比砂轮惯量小，所以生产效率较高，但成形分析算法较复杂。

立方氮化硼(CBN)砂轮目前已用于凸轮轴磨削，与普通砂轮相比，CBN砂轮具有砂轮使用寿命长，更换砂轮和修整砂轮的时间短，能提高工件的疲劳强度和耐磨性等优点[3]。但是，对单砂轮磨床来说，仍存在以下不足。

(1)只能在一次切入中磨削1只凸轮，然后砂轮退回，等待凸轮轴换档到另一凸轮，再进行磨削，这样生产效率不是很高。

(2)凸轮轴凸轮的表面磨削质量有待进一步提高。我们知道，金属磨除率是直接正比于砂轮与凸轮的相对周边速度，对大砂轮而言，在关闭曲线60°左右，其中相对的周边速度最大，此处的金属磨除率差不多能达到基圆处的金属磨除率的10倍，零件表面烧伤的可能性大。为避免磨削烧伤，在许多常规的设计中采用了可变的工件转速。在基圆处，工件的转速快一点;在曲线外，金属磨除量变大，转速就慢一些。在桃尖处，磨削接触较小，转速又快一些。然而，这种办法有时仍不能完全消除过热的产生，在磨削以后仍能看见烧伤的斑点。从为减少热损伤的角度考虑，采用小直径的砂轮来磨削凸轮是有利的。但在实际大批量生产中，小砂轮的可采纳性与可靠性难以保证:因为砂轮直径小，为达到相同的砂轮线速度，必须数量级地提高其转速，从而会带来一系列问题;另外，因为砂轮小，考虑到砂轮的使用寿命，必须经常更换。

(3)凹入凸轮在开放曲线与关闭曲线处是负的曲率，这种凸轮工作时能更快地开关阀门，这样输出的马力就增大，能更完全地燃烧，有害气体的排出减少。在实际使用中，希望凹入凸轮的曲率半径范围在R25～R250mm之间，视具体的设计而定。用现在的大直径砂轮(φ500～φ750mm)来磨削这种反向的小曲率是不可能的。近年来，使用小直径的CBN砂轮来磨削的这种凹凸轮已有少量生产，但CBN砂轮价格昂贵。

针对这些不足，人们寻求用新的磨削方法——砂带磨削来加工凸轮轴凸轮，砂带磨削是利用快速运动的砂带作为磨具进行磨削和拋光，因其加工效率高、应用范围广、适应性强、使用成本低、操作安全方便等特点而深受用户青睐。上海机床厂最近研发的H405－AA数控共轭凸轮砂带磨床系国际首创，因为其“共轭磨削的径向调整装置”及“母线平行于回转轴线的柱面工作磨削方法和装置”均享有发明专利，是具有自主知识产权的高技术产品，又是将共轭方法、砂带磨削、数控同步等技术集于一身的新型产品。本产品的主要技术是共轭方法，在磨削加工中，共轭轮以共轭接触式进行柱面磨削。数控同步又不是以往用数控系统保证同步，而是用伺服电机和外部编码器直接实现共轭轮和工件做等速比的共轭运行。在结构上，改变了以往凸轮轴传统加工方法，即每个凸轮单独磨削，而本产品可一次装夹加工出一根凸轮轴上的多个凸轮，效率是传统方法的5～10倍，并能生产出高质量的凹入凸轮。

3 组装式凸轮轴制造技术

组装式凸轮轴突破了整体式凸轮轴材料、设计及制造理念的局限，它是通过改变结构和制造方法而实现的，即将凸轮轴分成凸轮、芯轴、轴颈等若干个可装配件，分别进行材料优化及精益加工，再组装成整体凸轮轴的新型组合设计与现代制造模式。凸轮一般采用碳钢或粉末烧结材料，芯轴则采用冷拔无缝钢管。碳钢凸轮可进行精密塑性成形，并进行高频淬火或渗碳处理。然后在组装好的情况下，精磨各凸轮。由于各元件可预制得比较精密(比铸、锻件精确得多)，从而节省材料，并能进行最佳材料匹配，经济地制造各个元件，可使凸轮轴制造成本显著降低。

另外，由于组装式凸轮轴的各元件进行了精确的预加工和精度很高的组装，就有可能使这种组装后坯件的切削余量比较小，仅限于磨削加工就行了。这就可在一台数控磨床上，用配备必要形状的不同砂轮，在一次装卡中完成全部加工，节省了许多搬运零件的时间，生产效率高，并能显著降低零件的制造成本。

组装式凸轮轴的核心技术为凸轮与芯轴的连接，其连接方式主要有焊接、烧结和机械连接3种[4]。焊接连接将凸轮装于轴上，沿凸轮一周或部分弧段将凸轮与轴焊接在一起。烧结连接是将钢管插入粉末冶金凸轮中，然后放入烧结炉内，利用烧结扩散使凸轮与芯轴连接。机械连接分为热套法、冷套法、液压扩管法、机械扩管法、滚花法等，热套法是将凸轮加热至150～200℃后压入芯轴中，利用过盈和热收缩实现连接;液压扩管法是将凸轮预先套在轴管上，利用液压使轴管扩径并产生塑性变形，实现与凸轮的连接;机械扩管法也是使轴管扩径并产生塑性变形，但一般依靠橄榄形机械胀头完成分段扩管，实现芯轴与凸轮的连接。

在汽车领域，国外越来越多的汽车制造厂采用组装式凸轮轴。如美国通用汽车公司的LN2型汽油机(直列四缸)顶置凸轮轴、3100SFIV6型汽油机凸轮轴、六缸V型发动机顶置凸轮轴;福特汽车公司的GT－90型汽油机(V型12缸)顶置凸轮轴多点喷射;日本日野汽车公司的J08C系列柴油机(直列四、六缸)顶置凸轮轴等多种汽油机、柴油机的凸轮轴均采用了组装式凸轮轴生产新工艺。

国内吉林大学也研究开发了组装式凸轮轴新型连接技术与CNC装配机，以实现高精度快速装配与高强度连接;上海通用汽车公司采用耐磨烧结铁基合金材料凸轮与空心钢管扩管连接方法制造组装式凸轮轴，已应用于别克轿车发动机上[5]。

4 结论

整体式凸轮轴的加工特别是凸轮的磨削效率及加工精度有待进一步提高;组装式凸轮轴采用凸轮、芯轴、轴颈等若干部件分别制造再组装成整体的新型组合设计与制造模式，其构思新颖，极具竞争力，但凸轮与芯轴的连接技术、凸轮精密成形、装配技术与设备等关键技术问题有待进一步研究。我国汽车行业迫切需要一种高精度、高柔性和高效率的数控凸轮轴磨床。

[1]任永强，罗 磊.摇架式凸轮轴磨床凸轮轮廓数控成形分析[J].精密制造与自动化，2002(2):27－30.

[2]孙志永，韩秋实.全数控凸轮轴磨床研制的若干主要技术[J].现代制造工程，2004(6):29－31.

[3]毛淑芳，龚智伟.CBN砂轮的高速、超高速磨削技术[J].精密制造与自动化，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，杨慎华.发动机装配式凸轮轴——极具竞争力的新技术[J].中国机械工程，2004，15(6):474－477.