汽车发动机凸轮轴加工工艺设计及质量控制研究

王林峰

摘 要：凸轮轴作为关键性零部件，关乎到汽车发动机的性能表现，因此对凸轮轴的质量与性能提出了较高要求。本文对汽车发动机凸轮轴的加工工艺进行分析，了解其设计原则以及工艺特征，随后提出了完整的工艺设计流程。从生产线布置、定位基准选择、加工划分、凸轮形面加工等，并提出定位键优化改善、控制键槽裂纹、主动测量与自然补偿等方式全面提高凸轮轴加工质量。

关键词：汽车发动机 凸轮轴 质量控制 工艺设计

1 引言

近年来我国汽车行业迅速发展，发动机生产厂商获得了前所未有的生产动力。而在汽车发动机中最为重要的关键性结构就是凸轮轴的存在。由于凸轮轴特殊的材料以及工艺要求，在加工过程中需要对其质量进行控制，并尽可能的实现成本节约，避免不合理环节布置，从而对凸轮轴生产线进行合理规划，确保其形成良好的生产效果。基于凸轮轴在发动机中的性能表现，则需要确保其在实际加工制造过程中表现出更加精良的工艺特征以及质量成果。

2 汽车发动机凸轮轴加工工艺分析

2.1 工艺设计原则

凸轮轴不仅是组成汽车发动机的重要零部件，其使用性能与产品质量对汽车发动机安全稳定运行也有着直接影响。科学合理设计汽车发动机凸轮轴加工工艺，有利于更好地把控凸轮加工精度和加工成本，并保障汽车发动机凸轮轴加工效益。汽车发动机凸轮轴加工工艺设计原则，应遵循以下几点要求：

（1）工艺设计合理性，并在工艺设计优化的基础上融合其他现代先进技术手段，增强产品核心竞争优势。

（2）国内外可靠且具有影响力厂家的先进设备优先考虑，以此保障汽车发动机凸轮轴加工工艺水平。

（3）既要体现工艺设计先进性，也要兼具经济性，做到在不影响产品质量的基础上最大程度地节约工艺成本。

（4）各生产环节的安全性与操作便捷性是汽车发动机凸轮轴加工工艺设计中需要给予高度重视的问题。

（5）基于经济条件允许的前提下，坚持柔性生产原则，根据凸轮轴结构特点，合理设计其加工工艺，尽可能减少凸轮轴在加工过程中对其精度的干扰影响。

2.2 工艺特征

2.2.1 易变形

工件刚度较低是汽车发动机凸轮轴加工过程中主要存在的问题，特别是细长轴加工，在切削加工环节，由于会受到外部作用力影响而产生变形情况，其中凸轮与齿轮在加工时的变形情况尤为明显。变形问题若未能在凸轮轴加工环节得到妥善解决，不仅会影响余量在后续工序中的分配，也会因变形问题过于严重而阻碍后续加工无法正常开展，增加工件报废几率，变形后的凸轮轴在实际中使用，其性能也会大大降低。

因此，针对凸轮轴在加工过程中的变形问题，需要对原有加工工序进行细化和完善，合理分离粗精加工工序，其目的是在精加工环节处理粗加工环节所产生的变形问题，修正存在变形问题的工件，并灵活运用各种辅助工具优化分段加工，以此提高汽车发动机凸轮轴加工精度[1]。

2.2.2 加工难度大

凸轮、齿轮等均属于形状结构极为复杂的加工工件，解决凸轮、齿轮复杂表面加工问题是提高其加工精度的关键，在实际加工过程中，不仅对尺寸精度、位置精度以及形狀等有着严重要求，所采用的加工工艺也要保证最终产品质量。显然这一来工件的加工不适合运用常规加工工艺处理其复杂的工件表面。

以凸轮加工为例，以符合使用要求为加工标准，在具体加工流程中，必须要保证相位角准确性，凸轮曲线升程与气门开启与关闭时升降过程的运动规律相一致，由于曲线上各点到回转中心半径变化是相对的，利用常规靠模机床加工凸轮时，加工半径变化必然直接影响切削速度和切削力度，再加上处于旋转状态下的工件所产生的惯性力也会形成瞬间变化，进而导致凸轮加工完成后，其曲线形状与预期设计不一致，该问题即为曲线的升程误差，是影响凸轮轴使用性能与提升汽车发动机凸轮轴加工难度大的主要因素。

3 汽车发动机凸轮轴加工工艺设计

3.1 布置生产线

对汽车发动机凸轮轴进行工艺设计，首先，需要对生产线进行科学合理的布置，常见以U型进行设计。在过道两旁的中间位置安装加工设备，确保操作面板以及下料开口的实际朝向中间过道，促使上下料口之间应用滑道进行连接，确保各序设备形成良好的衔接效果。

这样的生产线布置方式能够保证尽可能节约占地面积，并维持更加畅通的物料流通效果，避免在加工过程中工作人员往返走动，确保每一人员能够同时控制多台设备进行同步加工生产，降低人力资源浪费，提高生产效率。根据当前实际加工情况而言，每一班组工人为5人，同步照看设备最高可达到15台。在每一工作人员负责对应的加工设备时，同时也需要做好发动机凸轮轴的定量检验以及自检工作[2]。

与此同时，需要最终负责质量检验的人员对整体操作工序进行检验，确保合理布置生产线，形成紧凑加工生产效果，全面提高生产加工劳动效率。生产线上同步使用高架线方式，便于进行水、电、气等结构的维修，确保每一加工设备后留有电气接口，并在两侧分别布置排水沟，形成良好的排水效果。整体生产加工车间作为地基，便于安装移动加工设备，更换产品时能够尽可能节约人力资源，实现柔性生产效果。

3.2 选择定位基准

结合以往在实际生产加工中所涉及到的轴类零部件而言，设计基准一般情况选择轴类零部件的轴线结构。为了尽可能在多次循环装夹过程中降低工件定位误差，则需要确保形成高精度的凸轮轴加工表现。一般情况下，在定位基准中选用的方式则是对轴类零部件的两顶尖孔进行定位，这样的方式能够避免在后续加工过程中由于转换定位基准造成定位误差。

同时，也便于使用两顶尖孔为后续加工制造提供更加精准的定位基准线，确保形成基准统一的加工原则。便于完成装夹作业更为安全可靠，且对加工工艺流程进行简化，促使发动机凸轮轴在实际加工中所需涉及到的夹具结构处于更为相近的状态，尽可能节约制造不同夹具所产生的时间，并在一次装夹中完成更多表面的加工处理。这样的方式能够满足大量生产加工需求，便于利用高效专用机床完成大批量生产，并确保凸轮轴个表面加工精度有所提高。基于结构特征而言，凸轮轴相较于一般类别的轴类零部件具有一定差异性。

3.3 加工阶段划分

汽车发动机凸轮轴具有较高的加工精度要求，因此不可能在单一工序内完成整体加工，需要逐步进行加工作业，因此需要划分工艺流程。以某型号的汽车发动机凸轮轴加工为例，分为三个阶段，包括粗加工、半精加工以及精加工。首先来讲，在粗加工阶段中，需要进行粗磨凸轮支撑轴颈以及齿轮外圆轴颈的粗磨加工。在半精加工时，该阶段主要负责精磨齿轮外圆轴颈以及各支承轴颈，确保以完善的加工基础，满足后续支撑轴颈齿轮加工作业需求。在精加工阶段中，需要负责齿轮斜加工以及支撑轴颈精磨加工，该阶段的切削量与加工余量相对较小，具有较高精度表现[3]。

3.4 加工凸轮形面

加工凸轮轴设计工艺时，需要考虑到最为关键的难点环节，加工凸轮形面时，需要根据现阶段常见的加工工艺进行选择，包括车削以及磨削两种。我国国内现阶段在加工凸轮形面时，主要以粗加工方式为主，选择车床车削进行加工，但与此同时，也存在着磨削加工与铣削加工的方式。如在加工车间准备两套靠模完成凸轮轴的磨床作业，使用处于既定直径范围内的砂轮使用第一靠模完成加工作业。发现砂轮磨损严重时，可自动转换靠模，使用第二靠模完成作业。

通过控制砂轮直径确保凸轮轴外形结构就较高精度表现，不仅能够提高加工质量，同时也能够达到砂轮利用最大化。而本文中所涉及到的该型号发动机凸轮轴使用精铸方法完成毛坯的制造加工。具有较高精度表现且毛坯实际切削量相对较小，因此加工工艺选择为磨削加工，对凸轮形面的加工处理进行有效简化。确保在凸轮磨床上完成凸轮形面的精磨削以及粗磨削加工，在两尖顶上安装工件，并根据槽件位置增加辅助支撑，确保提高加工精度。

加工凸轮轴形面时，以立方氮化棚模床方式进行处理，确保能够对形状进行快速变换，提高磨削加工处理速度。一般情况下，机床刚度相对较大，所能够承受的工作负荷与之形成正比。因此，利用计算机设备对机床磨削程度进行数控编程，从而对凸轮轴进行磨削加工，确保其从根本上解决靠模精度影响。

4 汽车发动机凸轮轴质量控制

4.1 改善定位键

中心孔以及槽键作为定位基准，将影响到无靠模凸轮模床的加工质量。在加工过程中，控制质量效果夹紧面需要设置为直径22mm外圆，通过卡盘固定工作台确保直径32mm以及47.5mm位置处获得良好的刚性支撑。在完成夹紧作业时，首先需要在中心架上放置工件，使用斜齿轮中心孔向尖顶顶入，并在卡盘中放入工件小头。转动工件促使定位键与键槽之间形成良好的嵌合状态，借助于液压系统促使卡盘扇形三爪抓紧22mm外圓，并由刚性支撑将32mm与47.5mm的外圆顶住[4]。

相较于传统凸轮轴加工磨床而言，带靠模形式的加工过程中，尽管定位键并非重要定位元件，但是其在实际加工过程中，却能够起到重要的驱动作用。促使定位键与键槽之间形成良好嵌合状态，带动卡盘形成整体性加工转动效果，从而对凸轮轴完成削磨加工作业。定位键的准确效果将会对凸轮轴的角位移产生直接影响作用，从而对后续凸轮轴在发动机应用过程中所体现出的性能状态产生影响。

磨床结构的设计选择无靠模模式，促使键与键臂之间相互连接，并确保与卡盘形成良好的衔接效果，带动主轴进行同步转动。若键与键臂之间独立应用，在运行一段时间后则会发现，凸轮角度与升程难以形成更为稳定的参数值，呈现出明显的超差现象。基于此，则可以断定定位键与键臂之间出现变形或是断裂等问题。如表1所示为某汽车发动机凸轮轴加工厂商在半年内更换定位键与键臂的情况。

根据上表中的情况，需要进一步改造定位键与键臂，解决定位键臂与键之间连接轴的受力情况，采取一体化结构，确保符合当前发动机凸轮轴加工生产需求，解决装配精度问题，并且以更小体积的定位键满足加工质量精度要求，经过改进后一体化的键臂能够达到97％以上的合格率表现。

4.2 键槽裂纹控制

凸轮轴作为汽车发动机中影响运行性能的主要配件，最为关键的结构则为凸轮，加工凸轮轴时，需要以键槽作为凸轮轴角向定位，确保凸轮桃尖最高点经过严格控制，避免对发动机性能产生影响。然而，在实际加工过程中却发现，凸轮轴键槽频繁出现裂纹现象，严重影响加工质量。

分析键槽定位情况，发现处于中心位置的驱动键插入深度符合标准，在接触凸轮轴键槽侧面之后，促使磨桃后的凸轮轴键槽变形情况不明显，在这一工序环节中，驱动键负责传递扭矩。造成键槽定位不准确的情况，包括安装不正、键槽间隙过大或是轴向位置定位不准确等，这样的情况均可能会造成键槽裂纹。与此同时，包括受力不均匀可能会引发键槽局部变形，从而造成裂纹[5]。

产生裂纹后凸轮轴安全性能受到影响，在实际运行过程中，可能会造成发动机失灵。面对这样的间槽裂纹问题，则需要采取相应的控制措施，通过高频次检验中心孔深度，从原有的1/20抽样检测变为1/10抽样检测，达到高质量检验标准。并提高前序铣键槽对称度，从0.5mm提高到0.025mm。重新测绘并使用新头架进行加工，增加夹紧块工作表面的镀锌层厚度。通过这样的方式，在后续加工中依次解决了轴向定位问题，并降低裂纹出现可能。

4.3 主动测量与自然补偿

零部件的高质量将会决定发动机产品的实际质量效果，以更高的加工技术保障确保通过完善的检测方法提高零部件质量，才能够为汽车发动机提供更好的安全性保障。尤其是凸轮轴这样的关键性零部件，在生产中加工批量相对较大，既需要保障加工效率，同时也需要保障产品质量。因此，在设计工艺时，可以应用到更为先进的在线检测技术，在加工生产中完成质量主动测量控制，通过检测结果对后续加工过程进行干预，确保在生产线上的每一凸轮轴零部件均具有良好的质量保障，避免所生产的产品不合格。

采用自动测量方式，主要是在凸轮轴的加工生产过程中，测量轴颈外圆，用同一台自动测量仪对凸轮轴角向位置以及生成进行测量，根据现场加工环境，以非接触以及接触两种不同形式进行同步测量。借助于自动在线检测系统以及气动量仪，通过向前移动探头完成工件外圆表面测量。记录工件转动过程中外圆直径公差值以及跳动值，并向显示屏传递相关参数，随后向系统进行反馈。若达到警戒线参数值，则需缩小或加大信号量，促使砂轮在加工过程中向前或向后伸出一个参数的距离。则下一件将能够按照标准参数进行加工生产，获得尺寸误差补偿。

5 结束语

作为在汽车发动机中最为关键的零部件结构，凸轮轴的加工工艺设计关乎到发动机的性能表现。因此本文通过对工艺流程进行研究并提出了相应的质量控制办法，以期借助于更加完善的工艺标准强化凸轮轴的质量表现。

参考文献：

[1]薛鹏，杨燕楠，张利君. 发动机凸轮轴、曲轴信号不同步故障问题研究[J]. 内燃机与配件，2021，（21）：166-169.

[2]周康康，徐刚强，胡火明. 农用发动机凸轮轴凸轮表面缺陷检测系统设计[J]. 河南科技，2021，40（29）：46-49.

[3]方传升. 汽车发动机凸轮轴半圆键自动压装设备的研制[D].合肥工业大学，2018.

[4]邵亚东. 汽车发动机凸轮轴测量系统集成与控制研究[D].西安理工大学，2018.

[5]王斌，周黎明，毛胜男. 汽车发动机凸轮轴制造关键技术[J]. 汽车科技，2017，（01）：60-64.