盧 杉

（焦作大學機電學院，河南 焦作 454003）

1.產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

汽車工業(yè)是裝備制造業(yè)的重要組成部分，也是一個國際性、技術(shù)性強的行業(yè)，產(chǎn)業(yè)體系十分龐大，具有產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度高、產(chǎn)品鏈條長、帶動能力強、技術(shù)含量高等特點。我國汽車整車生產(chǎn)廠家所需的關(guān)鍵汽車零部件主要依賴于進口，加上我國長期重視整車生產(chǎn)、輕視零部件的制造，同時，汽車零部件廠家的研發(fā)基礎(chǔ)和能力同發(fā)達國家水平差距較大，我國汽車產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展受制于汽車零部件的研發(fā)和制造。近年來，國家出臺了相關(guān)產(chǎn)業(yè)、技術(shù)政策，明確引導和支持汽車關(guān)鍵總成及零部件的研發(fā)，以此支撐和促進我國汽車工業(yè)的持續(xù)、健康、快速發(fā)展。

2.項目來源

作為發(fā)動機三大關(guān)鍵摩擦副之一的凸輪軸，是發(fā)動機重要的驅(qū)動和控制機構(gòu)，起到了舉足輕重的作用。在發(fā)動機的配氣機構(gòu)中，凸輪軸加工質(zhì)量的好壞直接影響到柴油機的各缸工作次序及配氣定時要求，進而影響到發(fā)動機的進、排氣性能。因此，其必須具有足夠的加工精度、強度、剛性、韌性和耐磨性。

凸輪軸的質(zhì)量除與材質(zhì)、熱處理和強化等有關(guān)外，機械加工也是一個重要環(huán)節(jié)。凸輪軸的材料及其加工工藝均有特殊要求，合理的加工工藝對于控制凸輪質(zhì)量、降低加工成本、減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)以及合理布置凸輪軸生產(chǎn)線具有很大的現(xiàn)實意義。

大長徑比12缸發(fā)動機凸輪軸（長徑比大于35：1）如圖1所示，是為如圖2所示的博杜安M26柴油發(fā)動機系列產(chǎn)品中的12缸發(fā)動機配套開發(fā)的新產(chǎn)品。博杜安M26柴油發(fā)動機是中國濰柴動力收購法國造機公司博杜安電機公司推出的一種新系列陸用和船用柴油機，其運用了當前世界柴油發(fā)動機的最新設計理念和制造技術(shù)，發(fā)動機的排放、燃油經(jīng)濟性、升功率、體積功率比等技術(shù)指標，都達到了世界先進水平。

圖2 博杜安M26柴油12缸發(fā)動機

3.大長徑比凸輪軸研究現(xiàn)狀

常見凸輪軸加工工藝流程如下：毛坯→校準→粗加工 （車銑復合加工中心加工）→調(diào)質(zhì)熱處理→半精加工 （車銑復合加工中心加工）→中頻淬火機床→精加工 (車銑復合加工中心、數(shù)控凸輪軸磨床)→光整→探傷→清洗凸輪軸檢測儀。

大長徑比凸輪軸屬于細長軸類零件，剛性差、易變形，并且形狀復雜。凸輪具有很高的輪廓精度、相位角度和良好的耐磨性能且整體剛性好，加工難度大。在凸輪軸的加工過程中，有兩個主要因素影響其加工精度。

3． 1 易變形特性

從細長軸的角度來說，突出的問題就是工件本身的剛度較低，切削時會產(chǎn)生較大的受力變形，其表面殘余應力也會引起變形。尤其是在加工凸輪和齒輪時，這種變形會更為顯著。

凸輪軸在加工過程中的變形，不僅影響到后續(xù)工序加工中的余量分配是否均勻，而且變形過大會導致后序加工無法進行，甚至造成中途報廢。凸輪軸加工后的變形，將直接影響到裝配后凸輪軸的使用性能。

因此，在安排工藝過程時，必須針對工件易變性這一特點采取必要的措施。不僅要把各主要表面的粗精加工工序分開，以使粗加工時產(chǎn)生的變形在精加工中得到修整，半精加工中產(chǎn)生的變形在精加工中得到修正，還必須在加工過程中增設輔助支撐等措施，這是保證凸輪軸加工精度所必須解決的問題。

3． 2 加工難度大

從形狀復雜的角度來說，突出的問題是凸輪、齒輪這些復雜表面的加工。對于這些表面，不僅有尺寸精度要求，還有形狀、位置精度要求，如采用普通的加工設備和一般表面常規(guī)加工方法，顯然是無法保證其加工質(zhì)量和精度的。

例如對于凸輪的加工，從滿足使用要求的角度來說，既要求其相位角準確又要求凸輪曲線升程滿足氣門開啟和關(guān)閉時升降過程的運動規(guī)律。但注意到凸輪曲線上的各點相對其回轉(zhuǎn)中心的半徑是變化的，當選用一般的靠模機床加工時，由于加工半徑的變化，勢必引起切削速度和切削力的變化，加之工件旋轉(zhuǎn)時的慣性力和靠模彈簧張力的瞬間變化，將會使加工后的凸輪曲線產(chǎn)生形狀誤差，即曲線的升程誤差，從而直接影響凸輪軸的使用性能。

4.技術(shù)難題及研究方案

4.1 擬解決的技術(shù)難題

（1）在大長徑比（大于 35：1）情況下，凸輪軸底徑車削、軸頸磨削加工時如何避免顫動，保證加工尺寸以及加工表面粗糙度、跳動度符合圖紙要求。

（2）在大長徑比條件下，采用CBN砂輪對寬凸輪（30mm）進行隨動高速磨削時，研究磨削參數(shù)的優(yōu)化，表面不允許出現(xiàn)磨削燒傷，表面粗糙度Ra小于0.4；凸輪的全升程型線誤差小于0.06mm,相鄰誤差小于0.008mm。

（3）凸輪密集排列（間距小于 8mm）時，如何消除淬火時的相互影響 （下一個凸輪淬火時，前一個凸輪不被退火），保證淬火后各凸輪及軸頸的表面硬度及內(nèi)在組織的質(zhì)量。

4.2 研發(fā)路線

（1）前期準備階段，主要工作包括確立課題、市場調(diào)研、查閱相關(guān)資料。

（2）確定研制方案。擬定產(chǎn)品設計方案，按照設計方案和計劃進行實施。根據(jù)實際情況，進一步調(diào)整和完善計劃方案。

（3)具體設計階段，確定產(chǎn)品具體生產(chǎn)工藝，試生產(chǎn)。

(4)小批量試生產(chǎn)，工藝完善，對產(chǎn)品進行性能測試。

(5)投產(chǎn)階段，工藝完善，對產(chǎn)品進行性能測試。

(6)產(chǎn)品完成階段。批量生產(chǎn)，寫出研究報告，聘請專家鑒定。

5.采取的新技術(shù)

5.1 凸輪及軸頸連續(xù)中頻淬火自回火防干涉技術(shù)

凸輪軸工作應力高度集中于軸頸與凸輪上，提高凸輪軸強度的關(guān)鍵在于提高軸頸與凸輪疲勞強度。凸輪密集排列（間距小于8mm），為了消除淬火時的相互影響（下一個凸輪淬火時，前一個凸輪不被退火），保證淬火后各凸輪及軸頸的表面硬度及內(nèi)在組織的質(zhì)量，設計了在淬凸輪的感應圈有效圈上加裝硅鋼片導磁體，同時合理設計感應圈的高度及規(guī)定先淬凸輪、后淬軸承檔的工序，對相鄰兩側(cè)的凸輪起到了很好的屏蔽作用，克服了感應回火軟化現(xiàn)象。另外，考慮到國產(chǎn)設備在冷卻水系統(tǒng)中壓力比國外產(chǎn)品小，為了使感應器得到更好的冷卻，將冷卻水管設計成二進二出式，增加了冷卻水的流量。

新工藝改變了傳統(tǒng)軸頸與凸輪淬硬要求一致的特點，降低了軸頸的淬火要求，改善了孔系機加工工藝的可行性，解決了孔口裂紋的問題，同時提高了凸輪的淬硬層深度及表面硬度，可大大提高凸輪軸的運動副表面的疲勞強度和耐磨性。

5.2 凸輪軸隨動磨削技術(shù)

凸輪軸數(shù)控隨動磨削加工技術(shù)是按照凸輪輪廓曲線參數(shù)編制數(shù)控程序，利用數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)砂輪的徑向往復運動和工件回轉(zhuǎn)運動的精確聯(lián)動，無需機械靠模等輔助工具直接磨削凸輪的全數(shù)控、自動化方式新技術(shù)。

在大長徑比條件下，采用CBN砂輪對寬凸輪（30mm）進行隨動高速磨削時，研究磨削參數(shù)的優(yōu)化。需要選擇合適的磨削參數(shù)，主要有：

工件參數(shù)：凸輪位置參數(shù)、凸輪角度參數(shù)、凸輪基圓半徑參數(shù)、凸輪測量方法；

砂輪參數(shù)：砂輪直徑、砂輪寬度；

修整砂輪參數(shù)：砂輪修磨時進給位置、速度、修磨量、修磨次數(shù)等；

磨削參數(shù)：砂輪進給位置、速度、粗磨量、半精磨量、精磨量、C軸各轉(zhuǎn)速、凸輪補償量等。

與傳統(tǒng)的靠模仿形加工相比，凸輪軸數(shù)控隨動磨削加工技術(shù)能顯著地提高凸輪軸零件的磨削效率和磨削精度，同時具有很高的柔性。

5.3 自定心輔助中心托架

一般生產(chǎn)工藝中，液壓自定心中心架通過托架座設置于導軌上，刀具在走刀時，不能加工凸輪軸全程，只能加工一半長度凸輪軸，再翻轉(zhuǎn)過來加工另一半，會對零件的加工精度和表面質(zhì)量產(chǎn)生影響，同時使用非常不方便，不利于生產(chǎn)效率的提高。

在生產(chǎn)過程中，為了克服上述缺陷，研制了可便于一次車削加工全程的細長類凸輪軸的懸掛式中心輔助支架，如圖3所示。利用本懸掛式中心輔助支架，可實現(xiàn)一次車削加工細長類凸輪軸全程，保證加工尺寸以及加工表面粗糙度、跳動度符合圖紙要求。

圖3 液壓自定心中心架實物圖和原理圖

6.綜述

大長徑比（長徑比大于35：1）的12缸發(fā)動機凸輪軸是一種加工技術(shù)難度大、需求量巨大、工況條件要求嚴格的高新技術(shù)產(chǎn)品，采用合理的研發(fā)路線、先進的加工工藝，是生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的必要保障。

[1]朱天合，關(guān)洪濤，等.SAE1080鋼凸輪軸楔橫軋鍛造的工藝可行性研究［C］／／河南省汽車工程學會.第四屆河南省汽車工程科技學術(shù)研討會論文集.焦作：2007：119-122.

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