內(nèi)高壓成形技術在汽車配氣凸輪軸加工中的應用研究

劉勁松 聶鳳明 康 戰(zhàn) 張廣平

(長春設備工藝研究所超精密加工技術研究室,吉林 長春 130012)

發(fā)動機功率密度的提高,要求配氣凸輪軸的轉(zhuǎn)速也要相應提高,這就要求配氣凸輪軸不僅要質(zhì)量輕、潤滑良好,而且耐磨性要好。因此,配氣凸輪軸的結(jié)構(gòu)有所改進,采用耐磨金屬和加工性能良好的金屬組合、中孔通油潤滑的凸輪軸結(jié)構(gòu)被廣泛應用于發(fā)動機設計中。這種結(jié)構(gòu)可以使配氣凸輪軸桃形部分應用耐磨性能更好的合金材料,可以使?jié)櫥吐犯雍喗荨⒕o湊,提高配氣凸輪軸的耐磨性能。發(fā)動機空心凸輪軸傳統(tǒng)制造工藝是采用圓鋼棒料、鍛造毛坯或鑄造毛坯,其加工工序為:實心毛坯→車削外形→鉆中心孔→粗磨→精磨。對于鑄造凸輪軸,由于鑄造組織性能不均勻,使細長中心孔鉆削更加困難,經(jīng)常發(fā)生鉆偏或鉆頭卡斷現(xiàn)象,耗費機加工時間,效率低,成本高。高壓脹緊組裝成型技術,是將整體制造工藝復雜的凸輪軸分解為凸輪單元和鋼管,然后再通過精確控制高壓液體脹接的方式組合為整體,裝配效率高、易于控制、適合批量生產(chǎn)。既解決了鉆孔難題,又為引入液體脹接提供通道,同時作為凸輪軸潤滑油油路,使整個潤滑過程變得流暢、高效。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

1.1 國外技術發(fā)展水平

國外高強度復雜結(jié)構(gòu)成形、組裝成型技術、高效特種加工技術以及薄壁件精密加工技術等廣泛應用于軍用和民用車輛制造領域,提高了車輛的結(jié)構(gòu)強度和性能,同時大大減小車體的重量。

在薄壁異形管的加工中,國外大多采用內(nèi)高壓成型技術加工,一次成形,加工效率高,一致性好。發(fā)達國家把空腔車體結(jié)構(gòu)件設計成薄壁空腹復雜結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)強度達到了設計的安全性要求,同時減輕了車體的重量、減小了材料的浪費。目前,發(fā)達國家的車體結(jié)構(gòu)基本上沒有采用等截面的簡單構(gòu)造。

復雜結(jié)構(gòu)組裝成型技術領域,美國福特(Ford)、通用(GM)、克萊斯勒(Chrysler),法國雷諾(Renault),德國大眾(VW),意大利菲亞特(Fiat)等汽車公司的發(fā)動機均采用了薄壁空腹復雜結(jié)構(gòu)件和組合式空心凸輪軸。組合式空心凸輪軸制造技術的發(fā)展經(jīng)歷了三代。第一代熱裝法,裝配間隙要求嚴格,鋼管和凸輪內(nèi)孔需要精確加工,效率低,10 min左右裝配一根,相位角控制困難,扭矩可靠性差。還有一種膠粘法也有同樣的問題。圖1所示為英國 Ball Burnishing Machine Tools公司開發(fā)制造的此類凸輪軸。第二代鋼珠擠脹法,凸輪內(nèi)孔加工出鍵槽或不加工鍵槽,鋼珠通過鋼管內(nèi)擠壓鋼管形成連接。該方法工藝復雜,設備昂貴。圖2所示為美國Torrington公司采用該方法制造的,供應北美和歐洲轎車、輕型卡車內(nèi)燃機的組合式空心凸輪軸。目前國際上的凸輪軸裝配方法大多停留在鋼珠擠脹法。第三代為高壓脹緊組裝技術,是近年來新開發(fā)的一項新興技術,現(xiàn)已用于Audi V6－2.5TDI等發(fā)動機凸輪軸制造,見圖3。該凸輪軸為德國開姆尼茨大學參與研發(fā),采用軸承鋼管材切割,成形出凸輪,然后淬火,再通過管材內(nèi)部高壓液體進行脹緊組裝。

國外凸輪軸高壓脹裝技術的發(fā)展方向,一是采用粉末冶金和復合材料凸輪單元,提高凸輪制造精度和凸輪的耐磨性,減小裝配后的精磨量;二是采用鋁合金軸管,進一步降低凸輪軸的重量。凸輪軸高壓脹緊組裝成型技術還在不斷發(fā)展并繼續(xù)擴大應用范圍,無疑將成為凸輪軸制造的主流技術。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)凸輪軸的加工主要沿用傳統(tǒng)的工藝方法,即采用圓鋼棒料車削出凸輪外形或整體鍛造加工技術,凸輪軸內(nèi)孔采用鉆削工藝。上海通用配套廠引進鍵連接裝配方法,重慶某廠用熱裝法為國外制造少量組合式空心凸輪軸。

哈爾濱工業(yè)大學近年開展了凸輪軸脹裝技術的基礎理論和試驗研究,對凸輪軸脹裝過程關鍵工藝參數(shù)優(yōu)化、模具設計技術等進行了研究,并試制了汽車四缸微型發(fā)動機鑄鐵組合式空心凸輪軸(見圖4),所研制的凸輪軸樣件長330mm,軸管直徑18mm,可傳遞扭矩大于20 N·m,采用的壓力為180MPa。

總之,該項技術在國內(nèi)還剛剛起步,空心凸輪軸組裝成形技術在發(fā)動機凸輪軸生產(chǎn)方面得到初步應用。

2 研究內(nèi)容和主要技術指標

2.1 研究內(nèi)容

本專題針對汽車配氣凸輪軸進行高壓脹緊組裝成型技術研究,滿足汽車輕量化對工藝技術的需求,主要研究內(nèi)容如下:

(1)凸輪軸高壓脹緊組裝成型技術。

(2)高壓密封技術。

2.2 主要技術指標

配氣凸輪軸毛坯凸輪角向位置誤差小于±1°,軸向位置誤差小于±0.3mm,抗扭強度大于200 N·m。

3 實施方案、技術路線

3.1 實施方案

采用模具控制外形及凸輪單元定位,空心軸內(nèi)腔充入超高壓介質(zhì)使空心軸與凸輪單元緊密貼合,通過液壓伺服系統(tǒng),控制工件的徑向脹出和軸向收縮,避免空心軸發(fā)生脹裂。

凸輪軸高壓脹裝研究方案如圖5所示。通過理論計算、數(shù)值模擬提出關鍵工藝參數(shù),預測不同工藝參數(shù)的脹裝效果,然后結(jié)合單元脹裝試驗和扭矩測試,給出優(yōu)化的工藝參數(shù)和脹裝結(jié)構(gòu)尺寸,再有針對性地進行凸輪軸整軸的高壓脹裝試驗研究,從而減少試驗量,縮短研制周期;將試制的凸輪軸進行疲勞試驗,總結(jié)和完善脹裝工藝,給出典型脹裝凸輪軸的工藝規(guī)范。

3.2 技術路線

3.2.1 凸輪軸整軸內(nèi)高壓裝配模具設計

模具的精度、強度是保證脹接凸輪軸精度的關鍵因素,但是異形件內(nèi)力的作用將影響到形狀的彈性變形和以后的內(nèi)應力的變形,所以通過理論計算、校核保證模具的強度;研究高壓油的加壓方式,確定加壓時間和壓力大小的關系,調(diào)整加壓速度,確定合理的工藝參數(shù)。

采用鑲塊式模具,便于加工、修整和調(diào)試。端部模塊進行淬火處理,保證密封和承壓性能。凸輪約束模塊內(nèi)腔采用線切割獲得輪廓形狀,保證凸輪與模具的間隙。墊板采用導向槽控制所有模塊之間的同軸度。為便于脹接后凸輪軸取出,軸管定位模具和凸輪定位模具均采用分體結(jié)構(gòu),上下模之間采用導柱保證同軸,避免錯位。因模具超長,采用鑄造工藝制造了加長的上下底板,滿足閉合高度要求,承擔合模力(如圖6)。

3.2.2 配氣凸輪軸結(jié)構(gòu)設計

凸輪軸高壓脹緊組裝成型技術基本工藝過程是將多個帶有內(nèi)孔的凸輪單元及其它元件套在鋼管上(見圖7),將高壓液體通過端部密封沖頭的中心孔引入管孔,通過一次增壓將各元件同時裝配連接在鋼管上。該過程需精確控制被脹接管材的合理塑性變形和凸輪必要的彈性變形,從而實現(xiàn)高效、可控的連接過程。

對于一定結(jié)構(gòu)的鍛造或鑄造凸輪軸,要采用脹裝技術制造,首先必須根據(jù)其使用要求和零件結(jié)構(gòu)進行組合式空心凸輪軸的結(jié)構(gòu)設計,并對設計的結(jié)構(gòu)采用有限元模擬進行結(jié)構(gòu)強度、剛度分析,確保新結(jié)構(gòu)能夠滿足汽車發(fā)動機的使用要求。

通過數(shù)值模擬預測凸輪軸脹裝過程中凸輪外形變化,并根據(jù)凸輪單元毛坯輪廓加工余量和凸輪單元與模具的間隙預測裝配后凸輪單元的最大相位角偏差,從而調(diào)節(jié)間隙和余量,達到控制相位角的目的。

所研制凸輪軸原為整體鍛造結(jié)構(gòu),如圖8所示,其軸頸部分直徑僅為φ32mm,總長度達1190mm;中心孔分為兩段,較長的一段直徑為φ19mm,長1090mm,較短的一段直徑φ13mm,長100mm,傳統(tǒng)工藝需要通過兩端鉆孔獲得該中心孔,其鉆削難度很大。

根據(jù)該凸輪軸的強度和剛度要求,將該凸輪軸設計為圖9所示的組合式空心凸輪軸。由12個凸輪單元、1個環(huán)形擋圈和鋼管組成,其中進氣凸輪6件,排氣凸輪6件,第七軸頸擋圈1個。為了保證脹接工藝性,需脹接的擋圈由原結(jié)構(gòu)中的4mm加寬到10mm,為了保證第七軸頸的定位,最外端擋圈將由軸管局部鐓粗獲得,而不采用脹接。該凸輪軸危險截面位于第七軸頸最外端擋圈的外側(cè),而此處結(jié)構(gòu)尺寸與原始鍛造凸輪軸結(jié)構(gòu)相同,其強度可滿足使用性能要求。

根據(jù)凸輪軸強度和機械加工要求,凸輪軸管材將采用45拉拔鋼管,正火處理。凸輪單元采用40Cr鋼加工出輪廓和內(nèi)孔,再進行淬火后進行脹接試驗。

3.2.3 密封技術研究

對于裝配過程管端的高壓密封及壓力控制,通過單元脹裝實驗進行沖頭密封結(jié)構(gòu)研究,提出適合本項目凸輪軸的密封方法;采用高壓傳感器測量增壓器的壓力,并反饋給控制系統(tǒng),實現(xiàn)脹裝壓力的控制。

4 組合式凸輪軸內(nèi)壓脹接工藝參數(shù)的理論計算

4.1 最佳脹接壓力確定

內(nèi)高壓脹接過程可以按圖10的簡化形式來描述。即:隨著內(nèi)壓的升高,可分為軸管變形階段(a到b)、軸管和凸輪同時變形階段(b到 c)、卸壓回彈階段(d)。

根據(jù)筒形件受內(nèi)壓的應力應變狀態(tài),再考慮到軸管和凸輪之間存在初始間隙δ0,軸管與凸輪接觸時已發(fā)生形變強化,可以推導出各階段的應力、應變計算方程。

可假定軸管為理想彈塑性線性強化材料,凸輪為理想彈塑性材料,并服從Mises屈服準則,材料模型如圖11所示,脹接分析過程中忽略軸管和凸輪的軸向應變,即設εz=0。可推導出使凸輪達到彈性極限的內(nèi)壓為

式中:peo為使凸輪達到彈性極限的內(nèi)壓(成形壓力);σsi為軸管材料屈服應力;σso為套環(huán)材料屈服應力;δ0為脹接前初始間隙;Eit為軸管材料塑性模量。ri、ro為軸管內(nèi)、外半徑;Ri、Ro為套環(huán)內(nèi)、外半徑。

進而可推導出卸壓后軸管與凸輪間的殘余接觸壓力為

式中:pr為殘余接觸壓力;pi為軸管與套環(huán)接觸過程的內(nèi)壓力;Ki=ro/ri,Ko=Ro/Ri;c為與軸管和套環(huán)材料、幾何尺寸相關常數(shù)。

根據(jù)凸輪軸軸管和凸輪的尺寸及材料性能,計算得到凸輪軸脹接壓力為280MPa。

4.2 合模力計算

根據(jù)脹接凸輪軸軸管總長度1210mm、內(nèi)徑21mm、脹接壓力280MPa,可計算得到凸輪軸脹接時內(nèi)壓形成的豎直方向作用力為7110kN,考慮到管材可承受的作用力,脹接所需合模力在3800kN左右。

4.3 軸向推力計算

內(nèi)壓脹接過程軸管端部需要進行密封,根據(jù)所需內(nèi)壓和軸管內(nèi)徑,以及密封結(jié)構(gòu)尺寸,可計算得到軸向推力約為360 kN。

5 脹裝凸輪軸整體成形試驗研究

采用整軸脹接模具,進行了凸輪軸整體脹接成形初步實驗。研究表明,所設計的模具能夠滿足該凸輪軸研制要求,達到了預期效果,軸管端部高壓密封可保證壓力提高到350MPa而不發(fā)生泄漏,壓力控制精度達1MPa。實際脹接該軸采用了330MPa的內(nèi)高壓壓力,確保了12個凸輪的高強度脹接。

經(jīng)過初步工藝試驗后,針對發(fā)動機配氣凸輪軸的結(jié)構(gòu)、尺寸,共脹裝了4根用于裝機試驗的試件(如圖12)。

表1 3#凸輪軸軸管直徑和凸輪外廓尺寸

對凸輪軸脹裝后的外形進行了詳細的測量分析。以3#軸的測試結(jié)果為例,如表1所示,可見12個凸輪兩側(cè)軸管變形情況和凸輪輪廓尺寸。脹接前軸管直徑為31.98mm,脹接后軸管直徑變?yōu)?2.82～33.10mm,軸管與凸輪內(nèi)壁完全貼合,形成設計的接觸面形狀,因此可保證凸輪的抗扭性能。同時,脹接后凸輪外廓長軸尺寸為54.42～54.78mm,凸輪短軸尺寸為41.34～41.5mm。由于模具設計時在精加工后的凸輪長軸52.7mm和短軸39mm基礎上加了單邊1.1mm的余量,說明脹接過程中凸輪外廓基本與模具貼合,即不會因凸輪與模具之間存在間隙導致凸輪相位角偏轉(zhuǎn),因此現(xiàn)有凸輪外廓加工余量足以保證凸輪軸的相位角要求。

對脹接后的凸輪軸進行取樣測試抗扭強度,研究表明抗扭強度均可達到350 N·m以上,滿足配氣凸輪軸抗扭強度200 N·m的使用要求。

6 結(jié)語

與傳統(tǒng)的加工方法相比,利用內(nèi)高壓成形技術加工配氣凸輪軸主要有以下幾方面優(yōu)點:

(1)凸輪單元脹接前事先加工了外形和內(nèi)孔,與鍛造凸輪軸相比可大大減少脹接后的磨削量,生產(chǎn)效率高、易于控制、適合批量生產(chǎn);

(2)內(nèi)高壓液力脹接技術將整體制造工藝復雜的凸輪軸零件,分解為制造工藝相對簡單的凸輪單元和軸,凸輪單元和軸分別采用耐磨材料和易加工材料,提高了凸輪軸的使用壽命,降低了加工難度;

(3)采用鋼管作為軸,既解決了鉆孔難題,又為引入液體脹接提供通道,同時作為凸輪軸潤滑油油路,使整個潤滑過程變得流暢、高效;

(4)凸輪單元與空心軸分體加工,可以分別控制凸輪與軸的加工精度,這樣不僅可以大幅度提高零件加工質(zhì)量,而且也擺脫了過去對整體凸輪軸同時加工在工藝方面的限制;

(5)凸輪軸脹接技術可以把凸輪單元用綜合機械性能高的貴重材料制成,然后再脹接在普通材料制成的空心軸上,這樣,不僅減輕了整體凸輪軸的重量,而且還節(jié)省了貴重材料,降低了制造成本,平均降低成本20%～40%;

總之,內(nèi)高壓成形技術在節(jié)約材料、結(jié)構(gòu)輕量化、加工難易度等方面具有其它加工方法無法比擬的優(yōu)越性。隨著汽車、航空、航天和機械行業(yè)對結(jié)構(gòu)整體性和輕量化的要求越來越高,近十年來,內(nèi)高壓成形技術得到了迅速發(fā)展,并繼續(xù)擴大應用范圍,內(nèi)高壓成形技術無疑將成為凸輪軸制造的主流技術,具有廣闊的應用前景。

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