凸輪軸機加工工藝質量控制探討

周海峰，馮 波

（上海大眾汽車有限公司，上海201805）

凸輪軸機加工工藝質量控制探討

周海峰，馮 波

（上海大眾汽車有限公司，上海201805）

分析了凸輪軸粗加工階段的軸頸徑向跳動對后道工序的不良影響和控制公差的意義。探討了凸輪精磨碰到的表面粗糙度、毛刺、振紋和表面磨削裂紋工藝質量控制問題。

凸輪軸徑向跳動表面粗糙度毛刺

1 前言

凸輪軸是發動機主要的五大零件之一，屬于典型的細長型軸類零件，剛性差。其機加工工藝具有一般軸類零件的加工特點，同時由于凸輪形狀的特殊性，凸輪軸機加工工藝又具有其自身特點。

從凸輪軸使用的材料來分，目前在轎車發動機領域中，主要有以下3種類別：

1）灰口鑄鐵凸輪軸：毛坯材料使用灰口鑄鐵，凸輪表面經過重熔淬火或激光淬火以達到必要的硬度，提高凸輪表面的耐磨性。灰口鑄鐵凸輪軸毛坯成本較低，但加工工藝復雜，凸輪表面必須經過熱處理。

2）冷激鑄鐵凸輪軸：毛坯在鑄造過程中，凸輪部分使用冷激鑄造的工藝，使凸輪部分材料形成馬氏體，保證凸輪具備一定的耐磨性。加工工藝中可以省略熱處理工序，一般用于中低檔的經濟型發動機。

3）套裝凸輪軸：套裝凸輪軸的凸輪使用粉末冶金工藝預制，凸輪表面硬度達到HRC50~55，然后采用液壓膨脹的方法將凸輪套到一根中空的鋼管中，形成凸輪軸毛坯。使用套裝凸輪軸不需要熱處理工藝，并且毛坯的尺寸精度高，機加工工藝大大簡化，當然毛坯的成本比較昂貴，套裝凸輪軸是目前凸輪軸零件的工藝發展趨勢。

在凸輪軸的機加工工藝中，軸頸徑向跳動是從粗加工到精加工貫穿整個凸輪軸加工過程的工藝質量控制重點，而凸輪邊緣毛刺、凸輪表面粗糙度、表面振紋、表面裂紋是工藝質量控制的難點。本文以大眾EA113系列發動機的1.8T凸輪軸的加工工藝為例，探討凸輪軸軸頸跳動工藝質量控制和凸輪磨削質量控制，這兩類凸輪軸加工工藝中具有共性的問題。

2 凸輪軸加工工藝過程

大眾EA113系列發動機中的1.8T凸輪軸使用灰口鑄鐵毛坯，一套1.8T凸輪軸由一根進氣凸輪軸與一根排氣凸輪軸組成，參見圖1。進氣與排氣凸輪軸的加工工藝路線相同，由于進氣凸輪軸與排氣凸輪軸尺寸不同，使用不同的刀具和加工程序，凸輪軸加工工藝路線如圖2所示。

圖1 1.8T進氣和排氣凸輪軸

圖2 凸輪軸加工工藝路線圖

3 凸輪軸軸頸徑向跳動的工藝控制

在凸輪軸加工工藝中，軸頸徑向跳動控制一般放在軸頸車削和軸頸磨削這兩道工序。從工藝質量控制角度分析，軸頸車削時的徑向跳動控制比軸頸磨削時的徑向跳動控制更重要，這主要有兩方面的原因：第一，凸輪軸軸頸車削后的徑向跳動偏差會直接影響后道工序的加工尺寸和加工質量；第二，從設備能力來說，車床比磨床更難控制軸頸徑向跳動，對磨削來說凸輪軸軸頸徑向跳動可以控制在0.03 mm以下，而車削一般只能將凸輪軸軸頸跳動控制在0.1 mm以下。

凸輪軸軸頸徑向跳動偏差主要從以下四個方面影響零件的質量控制。

3.1 凸輪粗磨時對凸高測量的誤差

在凸輪粗磨過程中，一般采用液壓中心架支承凸輪軸軸頸，以提高磨削時的工件剛度，中心架的中心誤差可以調整到Φ0.01 mm以內，即磨削時由于中心架的良好支承可以克服軸頸徑向跳動。磨削完成后，前道工序加工時產生的軸頸徑向跳動又會恢復。

使用半徑方法測量凸輪凸高時，軸頸徑向跳動會直接傳遞到凸輪凸高的測量值上，形成測量誤差，如圖2所示。軸頸徑向跳動偏差越大，使用半徑方法測量凸高尺寸時誤差越大。要消除粗磨時凸輪凸高的測量誤差，使用半徑方法測量時，應該盡量控制軸頸的徑向跳動尺寸，但一般還會有±0.05 mm的誤差。而采用直徑方法測量凸輪凸高，可以消除測量誤差，參見圖4。

圖3 用半徑方法測量凸輪凸高

圖4 用直徑方法測量凸輪凸高

3.2 重熔淬火質量

影響凸輪重熔淬火質量的要素之一是凸輪與淬火針之間的間隙。按工藝要求，合理的間隙應該控制在1.3~1.5 mm，軸頸的徑向跳動會使原先調整好的針距產生隨機變化，影響重熔淬火質量。如果實際針距變大，會容易產生淬火斷層；如果實際針距變小，則容易產生淬火表面塌陷現象。

3.3 凸輪軸軸頸精磨質量

凸輪軸軸頸精磨一般在軸的兩端采用兩頂針定位和夾緊，中間采用加液壓中心架支承，提高工件的磨削剛度。如前所述，磨床的液壓中心架中心線精度可以調整到Φ0.01 mm以內，所以車削時和前道工序產生的軸頸徑向跳動完全可以在軸頸磨削工序得到修正，如果軸頸徑向跳動過大，反映在軸頸精磨表面質量上，表現為軸頸在軸向的磨削寬度上的不均勻性（如圖5）。而軸頸表面軸向寬度上的不均勻性會產生軸頸溝槽圓弧面的破壞和軸頸邊緣毛刺，因為砂輪的寬度或軸向進給長度總是受限制的。

3.4 影響成品凸輪軸的鍵槽對稱度尺寸控制

圖5 軸向磨削寬度不均勻

在凸輪軸加工工藝中，鍵槽的銑削加工總是在精加工工序之前完成，從凸輪軸加工工藝路線圖可以看出，軸頸車削工序完成之后是銑削鍵槽，加工鍵槽時一般采用車削以后的軸頸外圓作為徑向定位基準，該工序的對稱度測量檢具的測量基準也是軸頸外圓。由于存在前面第3.3小節講到的軸頸精磨后能夠有效糾正車削時產生的軸頸徑向跳動偏差，軸頸精磨以后的外圓中心與車削時的外圓中心不會重合，它們之間的偏差就是軸頸精磨后糾正軸頸車削徑向跳動偏差產生的，示意圖如圖6。

圖6 軸頸徑向跳動對軸頸精磨后的鍵槽對稱度測量偏差影響

由于凸輪軸軸頸精磨后的外圓是成品凸輪軸測量鍵槽的測量基準，車削外圓中心與磨削外圓中心的偏差會影響到鍵槽對稱度的控制。軸頸跳動對銑削時鍵槽對稱度尺寸的影響與車削時產生的軸頸徑向跳動的方向有關，與鍵槽對稱中心平面垂直的徑向跳動誤差對成品凸輪軸的鍵槽對稱度實際測量值影響最大。要減小銑削和軸頸精磨這兩道工序對鍵槽對稱度尺寸的影響，一個直接方法是控制車削時的軸頸徑向跳動，另一個方法就是在銑削工序中測量鍵槽對稱度的檢具采用兩頂針孔作為測量基準，因為軸頸精磨時以中心孔定位的這樣可以減少基準不一致對鍵槽對稱度尺寸的誤差。

4 凸輪磨削表面質量控制

凸輪表面質量控制是凸輪軸機加工工藝質量控制的重點和難點。隨著磨削技術的進步，如CBN砂輪的應用和數控技術的提高，凸輪磨削的幾何尺寸的控制已經比較可靠，如凸輪凸高尺寸和凸輪輪廓的磨削誤差，而凸輪表面質量因素，如凸輪表面粗糙度凸輪邊緣毛刺、表面振紋、表面裂紋則是凸輪磨削工藝的質量控制難點。

4.1 凸輪表面粗糙度控制

隨著現代發動機強化程度的不斷提高，對發動機零部件的機加工精度要求也越來越高。如大眾EA827系列發動機的凸輪軸凸輪表面粗糙度要求為Rz≤6.3 μm，而EA113系列發動機的1.8T凸輪軸的凸輪表面粗糙度要求提高到Rz≤3 μm，而且為了控制工藝成本，要求在精磨后凸輪表面的粗糙度就能達到技術要求，不需要再進行拋光處理，這對凸輪精磨表面粗糙度的控制帶來了難度。

凸輪軸凸輪精磨工藝的發展趨勢是采用高壓油冷卻的CBN砂輪高速磨削，大眾1.8T凸輪軸加工就是采用這種工藝。CBN砂輪磨削凸輪時砂輪線速度達到90 m/s以上，高壓冷卻油壓力達到4.5 MPa以上，砂輪一次修正后可以磨削2 000~2 400個凸輪（凸輪磨削余量0.45~0.5 mm）。采用CBN砂輪磨削，影響凸輪表面粗糙度的主要因素是修正時金剛輪轉速與砂輪轉速的比值，在工件材料、修正進給速度和冷卻條件不變的情況下，金剛輪與砂輪轉速比與磨削表面粗糙度的關系見圖7。凸輪表面粗糙度值與砂輪每次修正后的耐用度呈反比關系，并且凸輪表面粗糙度值太高，容易在凸輪表面產生燒傷和擠壓裂紋。

圖7 金剛輪與砂輪線速度比對表面粗糙度的影響

4.2 凸輪磨削邊緣毛刺的工藝控制

大眾EA113系列發動機中的1.8T凸輪軸，凸輪表面和凸輪倒角是通過修整成形的CBN砂輪一次磨削完成，凸輪磨削后兩側邊緣產生的毛刺直接影響零件清潔度。在解決凸輪邊緣毛刺的過程中，我們提出了CBN砂輪有效磨削寬度的概念。

在1.8T凸輪軸投產試制過程中就碰到了類似問題，在生產過程中發現排氣凸輪軸磨削后在一側倒角處產生毛刺。精磨凸輪使用成形CBN砂輪，X向往復進給、C向匹配旋轉完成磨削過程，凸輪兩端的倒角由砂輪輪廓保證，磨削排氣凸輪軸時安裝兩片砂輪。根據經驗判斷，認為產生毛刺的原因是由于砂輪的有效磨削寬度小于凸輪車削后形成的寬度引起的，見圖8。凸輪精磨CBN砂輪安裝后的有效磨削寬度由修磨參數確定，一般修磨誤差在0.01 mm。

圖8 砂輪有效磨削寬度

凸輪兩側車削后的軸向測量基準為止推擋，且凸輪車削后的軸向寬度就是成品的寬度要求，我們根據相鄰的兩個軸向尺寸計算出排氣軸凸輪車削后的工藝寬度。凸輪精磨的有效磨削寬度和排氣軸凸輪兩側車削工藝寬度數據如表所示。

表1 凸輪寬度和有效磨削寬度對比

又對凸輪兩側車削加工后的工件進行實際抽樣測量凸輪寬度，凸輪寬度尺寸分布范圍參見表2。車削后的凸輪寬度符合檢驗規范，但實際值確實大于AF80凸輪精磨工序的有效磨削寬度。

表2 車削后凸輪軸寬度尺寸范圍

根據實際情況，分別對下列兩個改進工藝方案進行驗證，這樣新的精磨有效磨削寬度參見表3。

表3 改進后的凸輪磨削寬度

（1）改進凸輪兩側車削工序：在不影響刀具耐用度的情況下控制凸輪的車削寬度，向名義值的下公差靠攏。

（2）改進精磨凸輪工序：修改砂輪修磨參數，增加有效磨削寬度，將排氣砂輪的輪廓倒角高度由0.456 mm改為0.549 mm。

從長遠來看，措施（1）只是臨時應急，而措施（2）更為有效。措施（2）基本不影響車削凸輪兩側現在的加工工藝，符合我公司操作時保持最大實體的機加工習慣。落實這兩項措施后，排氣軸凸輪精磨再也沒有出現凸輪邊緣毛刺。

4.3 凸輪表面磨削振紋和磨削裂紋的控制

評價凸輪輪廓幾何精度有兩個指標，一個是凸輪升程誤差，另一個是凸輪角上每5°的最大誤差增量。1.8T凸輪軸的凸輪輪廓幾何精度為凸輪升程誤差±0.05 mm，凸輪角上每5°的最大誤差增量為±0.02 mm，凸輪表面磨削振紋的定量評價也是用凸輪升程誤差和凸輪角上的每5°的最大誤差增量。

從生產線實際積累的質量控制經驗來看，造成凸輪表面磨削振紋的主要因素是設備的系統剛度不足。凸輪表面磨削不同于普通外圓磨削，它在磨削凸輪升程表面時整個的磨削過程是一個變角速度過程，對磨床砂輪主軸進給控制和工件頭架旋轉控制來說，始終處在一個加速和減速的變化過程中，這就對設備的系統剛度提出了更高的要求。

在實際生產中，1.8T排氣凸輪軸磨削時產生表面裂紋。凸輪表面磨削裂紋一般是由于凸輪磨削過程中，前兩次大余量磨削產生過大的擠壓壓力造成表面裂紋。我們做過這樣的改進試驗，原來的凸輪磨削分段數為4，在其它磨削條件不變的情況下，將磨削段數增加到6，就有效地消除了表面磨削振紋。改進前后數據參見表4。

此外，凸輪軸表面磨削裂紋還與砂輪直徑的有關：砂輪直徑較大時不易產生磨削裂紋。歸根結底，砂輪直徑的大小也會影響到磨削時對工件的擠壓壓力，砂輪直徑大，擠壓壓力就小，這也可以解釋為什么砂輪修正得粗糙些不易產生表面磨削裂紋。

5 小結

本文分析總結了凸輪軸機加工工藝中，軸頸徑向跳動的工藝質量控制和凸輪軸表面磨削質量控制。同時，闡述了對上述兩項凸輪軸機加工工藝質量控制的理論思考，希望能對相關零件的工藝分析和質量控制有稍許的借鑒意義。

Discussion on Quality Control of Camshaft Machining

Zhou Haifeng,Feng Bo
(Shanghai Volkswagen Automotive Company Limited,Shanghai 201805,China)

Impact of run-out of initially machined journal of camshaft on next machining and purpose of controlling run-out are analyzed.And how to control surface roughness,burr, chatter mark and grinding crack in camshaft finish grinding is discussed.

camshaft,radial run-out,surface roughness,burr

來稿日期：2009-01-12

周海峰（1980-），男，碩士研究生，主要研究方向為車輛工程發動機制造工藝。