汽車發動機凸輪軸制造關鍵技術

趙建強

摘要：凸輪軸的生產制造是項專業技術，它的發展也是中國自主汽車發動機發展的一個縮影，從最初的一無所知到逐步掌握整體式凸輪軸制造技術，再到目前都在研究甚至部分中國企業已掌握組合式凸輪軸制造技術，這些技術的積累是在大量的實踐中總結得來的，是民族制造業寶貴的結晶。

關鍵詞：整體式;組合式;關鍵技術

1、凸輪軸系統構成和工作原理

滑動式凸輪軸系統由兩部分組成，一個是機械部分，即滑動式凸輪軸。另外一部分是電磁驅動器。滑動式凸輪軸是由中間的芯軸、凸輪塊及其他連接部件組成。凸輪塊和芯軸是采用花鍵連接，凸輪塊可以在芯軸上滑動。一個凸輪塊上有兩組凸輪，每組凸輪上各有一個高角度凸輪和一個低角度凸輪。在凸輪塊的兩端各有一個螺旋溝槽。

2、整體式凸輪軸

整體式凸輪軸在汽油機上主要使用的是鑄鐵凸輪軸，鑄鐵凸輪軸按硬化工藝進行分類，當前存在三種形式：1、冷激;2、球鐵淬硬。前兩種工藝形式占據了國內鑄鐵凸輪軸市場的絕大數份額，也是我們研究的重點。

2.1 冷激鑄鐵凸輪軸

冷激鑄鐵凸輪軸是目前在汽油機上應用最廣泛的工藝形式，市場占有率約占7成，具有工藝成熟、成本低、耐磨等優點，同種結構凸輪軸，冷激鑄鐵凸輪軸成本是最低的。這也是國內多數主機廠選擇該工藝凸輪軸的最主要原因。冷激鑄鐵凸輪軸的關鍵技術有2.2 方面：冷激鑄造、凸輪磨削。

2.2.1冷激鑄造技術

通過使用冷鐵，使凸輪鑄件各部位冷卻速度不同，得到不同的金相組織，冷激面可得到硬化耐磨的白口層，非冷激部位得到一定強度和韌性的灰口層（珠光體+石墨），兩者之間為麻口層（珠光體+石墨+滲碳體）

①材料成分

冷激凸輪軸采用材料一般為合金灰鑄鐵，成分包含C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、Cu，成分及用量是獲得理想基體組織和優良使用性能的重要保障。合金用量目前無行業標準，需根據自身研究與經驗自行配比。

C一般在3.2～3.7%，Si一般在1.6～2.4%，碳量增加，能夠減小白口深度、增大白口層硬度，但碳量過高，容易造成組織疏松。當碳量處于一般規定范圍時，通過硅量降低冷激白口深度和縮短麻口深度。

Mn一般為0.6～0.9%，S一般為1500℃，澆注溫度控制在1400～1420℃，某汽車公司產品采用的鐵液溫度為1520℃。

②冷鐵

冷鐵形狀一般呈馬鞍型，夾角一般小于圖紙凸輪主升程段夾角，寬度一般略大于凸輪厚度1.5～2mm，高度一般在25～30mm。冷鐵的安放工藝應便捷并有定位裝置，保證固定。

2.2.2 凸輪磨削技術

凸輪磨削的精度直接影響發動機性能參數、機械損耗和排放，存在下列工藝難點：

①加工精度要求高，某汽車公司產品凸輪的尺寸精度要求為：主升程段精度為±0.03mm，緩沖段和基圓段精度為±0.015mm，粗糙度為Ra0.4。尺寸精度、粗糙度都通過磨削實現，要求非常高;

②凸輪輪廓復雜，各磨削點移動速度、線速度差異非常大，特別是現在帶有凹輪廓的凸輪，對磨削工藝提出了很大要求;

③凸輪各段硬度不同，主升程段最高，緩沖段其次，基圓最低，給磨削帶來了一定難度;

2.3 球鐵淬硬凸輪軸

球鐵淬硬凸輪軸主要應用于大功率汽油機上，其抗接觸疲勞能力優于冷激凸輪軸較多，所以當接觸應力較大時會選擇采用球鐵淬硬凸輪軸，其凸輪硬化是通過在加工過程中對凸輪進行淬火實現，所以其關鍵技術包括：凸輪淬火、凸輪磨削。凸輪磨削與冷激凸輪軸較類似，不再贅述。通過對球鐵凸輪軸毛坯進行表面高或中頻淬火、回火，使得凸輪表面獲得回火馬氏體加少量碳化物等組成的硬化耐磨層。目前淬火方式應用較多的是高頻感應淬火，技術關鍵點在于：感應器的設計。通過試驗可以發現凸輪主升程段和基圓段是易過熱區，緩沖段是難加熱區，為使凸輪在加熱過程中各部位均勻一致，不同區域則必須采用不同的間隙，因此加熱感應器的形狀設計就尤為重要，其決定了凸輪熱后硬度的均勻性和硬化層分布。

3、組合式凸輪軸

組合式凸輪軸是將芯軸、凸輪等若干部件分開制造，再裝配成一體。較傳統整體式凸輪軸，組合式凸輪軸具有輕量化、材料利用合理、成本更低（后期可達成）的優勢，組合式凸輪軸是按凸輪片與軸體裝配工藝進行分類，目前國內主流裝配工藝有：1、鋼球脹緊式;2、滾花式。

3.1 鋼球脹緊式凸輪軸

使帶有一定過盈量的鋼球通過中空軸體，在鋼球的擠壓作用下軸體發生擴徑塑性變形，凸輪發生彈性變形，鋼球通過后軸體與凸輪間產生壓應力，實現承載扭矩，稱為鋼球脹緊式凸輪軸，其制造關鍵技術包含：凸輪片加工、鋼球脹緊技術。

3.1.1 凸輪片加工

不同于整體式凸輪軸，組合式凸輪軸采用分體加工，凸輪片作為一個單體零件工藝流程為：①坯體的成型加工;②表面的硬化;③內孔的加工。凸輪輪廓的磨削加工是在凸輪套裝上軸體并實行脹緊后進行，工藝與整體式較類似，不再贅述。

3.1.2 鋼球脹緊技術

鋼球脹緊技術是保證凸輪抗扭扭矩達成設計要求的核心技術，其關鍵點在于：確定脹緊鋼球的大小以及相對應的塑性變形大小。

3.2 滾花式凸輪軸

滾花式凸輪軸就是凸輪與軸體采用滾花連接，用滾花刀依次在中空軸體上滾擠出齒尖與軸線平行或垂直的三角形齒，然后在常溫下依次將內圓為圓形或多邊形的凸輪片壓入軸體中，并保證位置和角度。類似的，其關鍵技術包含：凸輪片加工、滾花連接技術。

3.2.1 凸輪片加工

結構方面，滾花式的凸輪與脹緊式基本一致，不同點在于凸輪內腔除了可制成圓形外也可制成多邊形。多邊形結構優點是當軸體滾花不均勻或圓度有偏差時，仍能很好地裝配，保證尺寸精度，缺點是由于咬合面積小于圓形，其抗扭連接強度低。某汽車公司產品目前采用矩形槽形式，槽數一般設置為均步24個，槽深0.1～0.2mm。

3.2.2 滾花連接技術

滾花連接技術原理在于軸體三角形齒滾擠過程中產生冷作硬化，齒硬度高于凸輪，壓入過程中凸輪片內壁發生塑性變形，三角形齒與凸輪相互咬合，達到牢固連接實現抗扭的目的。4結語

凸輪軸是發動機5C件之一，是配氣系統關鍵零件，作為發動機三大摩擦副零件之一，要求其具有一定的強度和韌性，且凸輪表面有良好的耐磨和抗沖擊性能。隨著發動機技術的不斷革新以及汽車排放法規的逐漸嚴格，凸輪軸的結構形式、制造工藝也在不斷創新與豐富，呈現了多元化的局面。

參考文獻

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