基于降低SQR477发动机凸轮轴报废率的工艺研究

2018-06-12张燕

西安文理学院学报（自然科学版） 2018年3期

张燕

(安徽国防科技职业学院汽车技术学院，安徽六安 237011)

SQR477发动机是众多型号发动机中凸轮轴报废率较高的机型之一.由于凸轮轴与齿轮是整体加工，使用相同的材料，考虑成本因素，所用金属材料无法保证齿轮正常运行，齿面磨损或断齿等失效形式经常发生.齿轮的异常，会导致整根凸轮轴不能继续使用，严重时还会导致点火时间紊乱.其次凸轮轴为细长轴，加工轴上齿轮时，夹具固定住凸轮轴两端，齿轮在剃齿时振动仍然会不可避免的出现，导致齿轮加工的精度等参数达不到使用要求，致使整根凸轮轴报废.齿轮使用材料及热处理工艺是否合理也是导致凸轮轴报废的关键原因.为此，汽车生产企业迫切要求对凸轮轴的加工工艺进行优化改进，选用合适的材料，以提高凸轮轴的综合性能，降低报废率，减少成本.

1 凸轮轴报废的原因分析

1.1 轴上齿轮易断裂

发动机作为燃油轿车的唯一动力源，发动机性能直接关系到轿车性能，凸轮轴作为发动机内部一个重要构件，其功能是负责发动机进排气门的开闭，凸轮轴需要做规律的往复运动，所以凸轮轴的摩擦副与气门之间频繁接触，容易造成磨损，因此耐磨性是凸轮轴的必备性能之一.表1为各类车型凸轮轴的材料及热处理工艺，其中轿车凸轮轴主要使用材料为合金铸铁，热处理工艺为去应力退火+贝氏体等温淬火，硬度较高.SQR477发动机主要运用于国产轿车上，从表1能看出合金铸铁的硬度及耐磨性优于45钢及球墨铸铁，耐磨性至少是45钢和球墨铸铁的7倍以上，因此SQR477发动机凸轮轴材料都使用合金冷激铸铁，以满足耐磨性的要求，而且冷激铸铁价格不高，低成本、高耐磨性等优点，使得冷激铸铁广受凸轮轴生产厂家的欢迎.

表1 各种凸轮轴材料与热处理工艺

凸轮轴与齿轮是整体加工，因此凸轮轴齿轮同样使用了合金冷激铸铁材料，表2为合金冷激铸铁成分：

表2 合金冷激铸铁主要化学成分

图1 冷激铸铁与45、40Cr、20CrMnMo力学性能比较

通常机械领域齿轮的用材较常见的是合金渗碳钢或合金调质钢，如20CrMnMo、40Cr、45钢等.一般齿轮表面摩擦副的接触频率很高，而且在运转过程中承受多方向的冲击载荷，耐磨性能高的表面及高强度的芯部是齿轮必备因素.显然合金冷激铸铁满足不了齿轮的性能要求，虽然齿面硬度高，但芯部强度较低.图1是合金冷激铸铁与优质碳素钢、合金钢在各项力学性能上的比较情况.

图1中4种材料热处理方式，通常冷激铸铁与45、40Cr 3种材料采用高频淬火，20CrMnMo采用渗碳淬火.从图1中可看出，综合力学性能最佳的材料为20CrMnMo，冷激铸铁除了表面硬度与另外3种材料差异较小，其他力学性能参数，如抗拉强度、屈服强度、伸长率远不及另外3种材料，屈服强度及伸长率趋近于零，故采用冷激铸铁制造的齿轮在运转过程中容易出现断齿的失效形式，进而导致整根凸轮轴的报废.

1.2 细长轴加工的振动特性对凸轮轴及齿轮精度的影响

细长轴类零件(长度与直径之比大于20)在机械领域中有着极其广泛的应用，而在加工的过程中，细长轴是较难加工的一类零件，刚度低是细长轴的最大缺点，切削力容易导致细长轴产生弯曲变形，一旦细长轴变形，加工时振动加剧，加工尺寸公差及加工表面精度难以保证[1].凸轮轴属于细长轴，因此具有细长轴加工的特性，在加工凸轮轴上的齿轮时，振动现象明显，齿轮剃齿时细长轴的振动导致齿轮加工精度达不到要求，此情况同样导致整根凸轮轴的报废.

2 降低凸轮轴报废率的工艺研究

2.1 凸轮轴由整体式加工更改为分体式加工

要解决凸轮轴齿轮使用时易断裂、加工时精度难保证的问题，必须确保齿轮使用材料的综合力学性能较高，同时齿轮必须单独加工，以避免剃齿时凸轮轴的振动对齿轮加工的影响，提高齿轮的加工精度[2].因此，齿轮必须从凸轮轴上分离出来，把整体式凸轮轴更改为分体式凸轮轴.SQR477整体式凸轮轴的立体图如图2所示.

图2显示出，齿轮位于支承轴颈的左侧，齿轮要分离出来，位于其右侧的轴颈需要单独分离加工，后续齿轮才能完成装配，为使齿轮与轴颈之间不发生轴向移动，在二者之间需要加上一个隔套[3].因此，外形整改后的分体式凸轮轴分为4个分部件：凸轮轴主体、支承轴颈、隔套、斜齿轮.如图3～图6所示.

整体式更改为分体式，4个分部件可以选用适合的加工方式分开加工，同时根据各部件的具体性能要求进行合理选材，如此，既节省成本又能满足使用要求.

图2 整体式凸轮轴

图3 凸轮轴主体

图4 支承轴颈

图5 隔套

图6 斜齿轮

2.2 合理选择凸轮轴上配件之间的配合尺寸

凸轮轴作为发动机的一个重要部件，发动机运转时凸轮轴做高速旋转，为了防止凸轮轴上的支承轴颈及齿轮发生周向转动，支承轴颈内孔、齿轮内孔分别与凸轮轴采用过盈配合，确保使用性能[3].隔套在轴上的主要作用是隔离支承轴颈与齿轮，确保二者在轴上的相对位置是固定的，因此隔套与凸轮轴的配合采用间隙配合，隔套内孔直径为29 mm，两者之间有0.45 mm的配合间隙.

表3 凸轮轴与轴上配件的配合

具体配合尺寸分别如图7～图10所示：

图7 凸轮轴配合尺寸(单位：mm)

图8 斜齿轮配合尺寸(单位：mm)

图9 隔套配合尺寸(单位：mm)

图10 支承轴颈配合尺寸(单位：mm)

2.3 改进凸轮轴及其零件加工工艺

分体式凸轮轴的左右支承轴颈分开加工，同轴度较难控制，为了保证凸轮轴回转精度，左右支承轴颈的同轴度必须控制在一定范围之内(通常为0.025 mm)，因此左右支承轴颈粗加工时均预留一定的加工余量，待右支承轴颈装配到凸轮轴上后与左支承轴颈一起进行磨削精加工,保证同轴度，确保回转精度.

凸轮轴作为细长轴，加工时有如下特点：散热能力差、刚性不足、细长轴的轴向尺寸较长，实际加工时，一次走刀需要花费较长时间.以上特点使得凸轮轴加工难度大，容易造成凸轮轴报废[4].加工过程中工艺需要改进，首先，通过减小切削的深度、增加进给量、适当提高切削的速度来实现切削用量的合理选择，从而改善散热和受力变形；其次，在细长轴车削加工过程中，有多种装夹方法，各种方法都有其特点，为了保证凸轮轴的同轴度及稳定性，SQR477发动机凸轮轴在加工时选用双顶尖装夹法，此法有效确保同轴度，提高加工稳定性减少振动，提升凸轮轴及轴上零件的加工精度.

2.4 轴上零件材料的合理选择及热处理工艺的优化

分体式凸轮轴上3个零部件：斜齿轮、支承轴颈及隔套，以上3个部件独立加工.传统的整体式凸轮轴采用整体加工，所有部件采用的材料均为冷激铸铁，冷激铸铁硬度高，强度较低，伸长率几乎为零，满足不了轴上齿轮的使用性能要求.结合斜齿轮、支承轴颈及隔套的使用要求合理选用材料及热处理工艺成为改善凸轮轴报废率的途径之一[5].

由于凸轮轴转速较高，轴上齿轮啮合次数较高，所受的冲击力及摩擦压力都很大，工作条件较差，容易出现疲劳断齿、齿面点蚀及齿面磨损等失效形式.故要求齿轮材料有较高的硬度，从而提升齿面耐磨性，同时具有高的强度，提升冲击韧性[6].因此齿轮材料综合力学性能一定要好，通常调质钢作为首选，如40Cr、40SiMn等，考虑用料成本，凸轮轴齿轮最终选用40Cr；支承轴颈承受来自各方向的冲击力，材料综合力学性能要好，同样选用40Cr；隔套承受的载荷较小，工作环境较好，因此采用普通调质钢：45号钢.

选好合适的材料，采用合理的工艺路线，运用低成本的加工方法，有效地挖掘出材料的最优性能[7].表4为3个零部件优化后的工艺路线.