汽車發動機凸輪軸加工工藝設計及質量控制研究

王林峰

摘 要：凸輪軸作為關鍵性零部件，關乎到汽車發動機的性能表現，因此對凸輪軸的質量與性能提出了較高要求。本文對汽車發動機凸輪軸的加工工藝進行分析，了解其設計原則以及工藝特征，隨后提出了完整的工藝設計流程。從生產線布置、定位基準選擇、加工劃分、凸輪形面加工等，并提出定位鍵優化改善、控制鍵槽裂紋、主動測量與自然補償等方式全面提高凸輪軸加工質量。

關鍵詞：汽車發動機 凸輪軸 質量控制 工藝設計

1 引言

近年來我國汽車行業迅速發展，發動機生產廠商獲得了前所未有的生產動力。而在汽車發動機中最為重要的關鍵性結構就是凸輪軸的存在。由于凸輪軸特殊的材料以及工藝要求，在加工過程中需要對其質量進行控制，并盡可能的實現成本節約，避免不合理環節布置，從而對凸輪軸生產線進行合理規劃，確保其形成良好的生產效果。基于凸輪軸在發動機中的性能表現，則需要確保其在實際加工制造過程中表現出更加精良的工藝特征以及質量成果。

2 汽車發動機凸輪軸加工工藝分析

2.1 工藝設計原則

凸輪軸不僅是組成汽車發動機的重要零部件，其使用性能與產品質量對汽車發動機安全穩定運行也有著直接影響。科學合理設計汽車發動機凸輪軸加工工藝，有利于更好地把控凸輪加工精度和加工成本，并保障汽車發動機凸輪軸加工效益。汽車發動機凸輪軸加工工藝設計原則，應遵循以下幾點要求：

（1）工藝設計合理性，并在工藝設計優化的基礎上融合其他現代先進技術手段，增強產品核心競爭優勢。

（2）國內外可靠且具有影響力廠家的先進設備優先考慮，以此保障汽車發動機凸輪軸加工工藝水平。

（3）既要體現工藝設計先進性，也要兼具經濟性，做到在不影響產品質量的基礎上最大程度地節約工藝成本。

（4）各生產環節的安全性與操作便捷性是汽車發動機凸輪軸加工工藝設計中需要給予高度重視的問題。

（5）基于經濟條件允許的前提下，堅持柔性生產原則，根據凸輪軸結構特點，合理設計其加工工藝，盡可能減少凸輪軸在加工過程中對其精度的干擾影響。

2.2 工藝特征

2.2.1 易變形

工件剛度較低是汽車發動機凸輪軸加工過程中主要存在的問題，特別是細長軸加工，在切削加工環節，由于會受到外部作用力影響而產生變形情況，其中凸輪與齒輪在加工時的變形情況尤為明顯。變形問題若未能在凸輪軸加工環節得到妥善解決，不僅會影響余量在后續工序中的分配，也會因變形問題過于嚴重而阻礙后續加工無法正常開展，增加工件報廢幾率，變形后的凸輪軸在實際中使用，其性能也會大大降低。

因此，針對凸輪軸在加工過程中的變形問題，需要對原有加工工序進行細化和完善，合理分離粗精加工工序，其目的是在精加工環節處理粗加工環節所產生的變形問題，修正存在變形問題的工件，并靈活運用各種輔助工具優化分段加工，以此提高汽車發動機凸輪軸加工精度[1]。

2.2.2 加工難度大

凸輪、齒輪等均屬于形狀結構極為復雜的加工工件，解決凸輪、齒輪復雜表面加工問題是提高其加工精度的關鍵，在實際加工過程中，不僅對尺寸精度、位置精度以及形狀等有著嚴重要求，所采用的加工工藝也要保證最終產品質量。顯然這一來工件的加工不適合運用常規加工工藝處理其復雜的工件表面。

以凸輪加工為例，以符合使用要求為加工標準，在具體加工流程中，必須要保證相位角準確性，凸輪曲線升程與氣門開啟與關閉時升降過程的運動規律相一致，由于曲線上各點到回轉中心半徑變化是相對的，利用常規靠模機床加工凸輪時，加工半徑變化必然直接影響切削速度和切削力度，再加上處于旋轉狀態下的工件所產生的慣性力也會形成瞬間變化，進而導致凸輪加工完成后，其曲線形狀與預期設計不一致，該問題即為曲線的升程誤差，是影響凸輪軸使用性能與提升汽車發動機凸輪軸加工難度大的主要因素。

3 汽車發動機凸輪軸加工工藝設計

3.1 布置生產線

對汽車發動機凸輪軸進行工藝設計，首先，需要對生產線進行科學合理的布置，常見以U型進行設計。在過道兩旁的中間位置安裝加工設備，確保操作面板以及下料開口的實際朝向中間過道，促使上下料口之間應用滑道進行連接，確保各序設備形成良好的銜接效果。

這樣的生產線布置方式能夠保證盡可能節約占地面積，并維持更加暢通的物料流通效果，避免在加工過程中工作人員往返走動，確保每一人員能夠同時控制多臺設備進行同步加工生產，降低人力資源浪費，提高生產效率。根據當前實際加工情況而言，每一班組工人為5人，同步照看設備最高可達到15臺。在每一工作人員負責對應的加工設備時，同時也需要做好發動機凸輪軸的定量檢驗以及自檢工作[2]。

與此同時，需要最終負責質量檢驗的人員對整體操作工序進行檢驗，確保合理布置生產線，形成緊湊加工生產效果，全面提高生產加工勞動效率。生產線上同步使用高架線方式，便于進行水、電、氣等結構的維修，確保每一加工設備后留有電氣接口，并在兩側分別布置排水溝，形成良好的排水效果。整體生產加工車間作為地基，便于安裝移動加工設備，更換產品時能夠盡可能節約人力資源，實現柔性生產效果。

3.2 選擇定位基準

結合以往在實際生產加工中所涉及到的軸類零部件而言，設計基準一般情況選擇軸類零部件的軸線結構。為了盡可能在多次循環裝夾過程中降低工件定位誤差，則需要確保形成高精度的凸輪軸加工表現。一般情況下，在定位基準中選用的方式則是對軸類零部件的兩頂尖孔進行定位，這樣的方式能夠避免在后續加工過程中由于轉換定位基準造成定位誤差。

同時，也便于使用兩頂尖孔為后續加工制造提供更加精準的定位基準線，確保形成基準統一的加工原則。便于完成裝夾作業更為安全可靠，且對加工工藝流程進行簡化，促使發動機凸輪軸在實際加工中所需涉及到的夾具結構處于更為相近的狀態，盡可能節約制造不同夾具所產生的時間，并在一次裝夾中完成更多表面的加工處理。這樣的方式能夠滿足大量生產加工需求，便于利用高效專用機床完成大批量生產，并確保凸輪軸個表面加工精度有所提高。基于結構特征而言，凸輪軸相較于一般類別的軸類零部件具有一定差異性。

3.3 加工階段劃分

汽車發動機凸輪軸具有較高的加工精度要求，因此不可能在單一工序內完成整體加工，需要逐步進行加工作業，因此需要劃分工藝流程。以某型號的汽車發動機凸輪軸加工為例，分為三個階段，包括粗加工、半精加工以及精加工。首先來講，在粗加工階段中，需要進行粗磨凸輪支撐軸頸以及齒輪外圓軸頸的粗磨加工。在半精加工時，該階段主要負責精磨齒輪外圓軸頸以及各支承軸頸，確保以完善的加工基礎，滿足后續支撐軸頸齒輪加工作業需求。在精加工階段中，需要負責齒輪斜加工以及支撐軸頸精磨加工，該階段的切削量與加工余量相對較小，具有較高精度表現[3]。

3.4 加工凸輪形面

加工凸輪軸設計工藝時，需要考慮到最為關鍵的難點環節，加工凸輪形面時，需要根據現階段常見的加工工藝進行選擇，包括車削以及磨削兩種。我國國內現階段在加工凸輪形面時，主要以粗加工方式為主，選擇車床車削進行加工，但與此同時，也存在著磨削加工與銑削加工的方式。如在加工車間準備兩套靠模完成凸輪軸的磨床作業，使用處于既定直徑范圍內的砂輪使用第一靠模完成加工作業。發現砂輪磨損嚴重時，可自動轉換靠模，使用第二靠模完成作業。

通過控制砂輪直徑確保凸輪軸外形結構就較高精度表現，不僅能夠提高加工質量，同時也能夠達到砂輪利用最大化。而本文中所涉及到的該型號發動機凸輪軸使用精鑄方法完成毛坯的制造加工。具有較高精度表現且毛坯實際切削量相對較小，因此加工工藝選擇為磨削加工，對凸輪形面的加工處理進行有效簡化。確保在凸輪磨床上完成凸輪形面的精磨削以及粗磨削加工，在兩尖頂上安裝工件，并根據槽件位置增加輔助支撐，確保提高加工精度。

加工凸輪軸形面時，以立方氮化棚模床方式進行處理，確保能夠對形狀進行快速變換，提高磨削加工處理速度。一般情況下，機床剛度相對較大，所能夠承受的工作負荷與之形成正比。因此，利用計算機設備對機床磨削程度進行數控編程，從而對凸輪軸進行磨削加工，確保其從根本上解決靠模精度影響。

4 汽車發動機凸輪軸質量控制

4.1 改善定位鍵

中心孔以及槽鍵作為定位基準，將影響到無靠模凸輪模床的加工質量。在加工過程中，控制質量效果夾緊面需要設置為直徑22mm外圓，通過卡盤固定工作臺確保直徑32mm以及47.5mm位置處獲得良好的剛性支撐。在完成夾緊作業時，首先需要在中心架上放置工件，使用斜齒輪中心孔向尖頂頂入，并在卡盤中放入工件小頭。轉動工件促使定位鍵與鍵槽之間形成良好的嵌合狀態，借助于液壓系統促使卡盤扇形三爪抓緊22mm外圓，并由剛性支撐將32mm與47.5mm的外圓頂住[4]。

相較于傳統凸輪軸加工磨床而言，帶靠模形式的加工過程中，盡管定位鍵并非重要定位元件，但是其在實際加工過程中，卻能夠起到重要的驅動作用。促使定位鍵與鍵槽之間形成良好嵌合狀態，帶動卡盤形成整體性加工轉動效果，從而對凸輪軸完成削磨加工作業。定位鍵的準確效果將會對凸輪軸的角位移產生直接影響作用，從而對后續凸輪軸在發動機應用過程中所體現出的性能狀態產生影響。

磨床結構的設計選擇無靠模模式，促使鍵與鍵臂之間相互連接，并確保與卡盤形成良好的銜接效果，帶動主軸進行同步轉動。若鍵與鍵臂之間獨立應用，在運行一段時間后則會發現，凸輪角度與升程難以形成更為穩定的參數值，呈現出明顯的超差現象。基于此，則可以斷定定位鍵與鍵臂之間出現變形或是斷裂等問題。如表1所示為某汽車發動機凸輪軸加工廠商在半年內更換定位鍵與鍵臂的情況。

根據上表中的情況，需要進一步改造定位鍵與鍵臂，解決定位鍵臂與鍵之間連接軸的受力情況，采取一體化結構，確保符合當前發動機凸輪軸加工生產需求，解決裝配精度問題，并且以更小體積的定位鍵滿足加工質量精度要求，經過改進后一體化的鍵臂能夠達到97％以上的合格率表現。

4.2 鍵槽裂紋控制

凸輪軸作為汽車發動機中影響運行性能的主要配件，最為關鍵的結構則為凸輪，加工凸輪軸時，需要以鍵槽作為凸輪軸角向定位，確保凸輪桃尖最高點經過嚴格控制，避免對發動機性能產生影響。然而，在實際加工過程中卻發現，凸輪軸鍵槽頻繁出現裂紋現象，嚴重影響加工質量。

分析鍵槽定位情況，發現處于中心位置的驅動鍵插入深度符合標準，在接觸凸輪軸鍵槽側面之后，促使磨桃后的凸輪軸鍵槽變形情況不明顯，在這一工序環節中，驅動鍵負責傳遞扭矩。造成鍵槽定位不準確的情況，包括安裝不正、鍵槽間隙過大或是軸向位置定位不準確等，這樣的情況均可能會造成鍵槽裂紋。與此同時，包括受力不均勻可能會引發鍵槽局部變形，從而造成裂紋[5]。

產生裂紋后凸輪軸安全性能受到影響，在實際運行過程中，可能會造成發動機失靈。面對這樣的間槽裂紋問題，則需要采取相應的控制措施，通過高頻次檢驗中心孔深度，從原有的1/20抽樣檢測變為1/10抽樣檢測，達到高質量檢驗標準。并提高前序銑鍵槽對稱度，從0.5mm提高到0.025mm。重新測繪并使用新頭架進行加工，增加夾緊塊工作表面的鍍鋅層厚度。通過這樣的方式，在后續加工中依次解決了軸向定位問題，并降低裂紋出現可能。

4.3 主動測量與自然補償

零部件的高質量將會決定發動機產品的實際質量效果，以更高的加工技術保障確保通過完善的檢測方法提高零部件質量，才能夠為汽車發動機提供更好的安全性保障。尤其是凸輪軸這樣的關鍵性零部件，在生產中加工批量相對較大，既需要保障加工效率，同時也需要保障產品質量。因此，在設計工藝時，可以應用到更為先進的在線檢測技術，在加工生產中完成質量主動測量控制，通過檢測結果對后續加工過程進行干預，確保在生產線上的每一凸輪軸零部件均具有良好的質量保障，避免所生產的產品不合格。

采用自動測量方式，主要是在凸輪軸的加工生產過程中，測量軸頸外圓，用同一臺自動測量儀對凸輪軸角向位置以及生成進行測量，根據現場加工環境，以非接觸以及接觸兩種不同形式進行同步測量。借助于自動在線檢測系統以及氣動量儀，通過向前移動探頭完成工件外圓表面測量。記錄工件轉動過程中外圓直徑公差值以及跳動值，并向顯示屏傳遞相關參數，隨后向系統進行反饋。若達到警戒線參數值，則需縮小或加大信號量，促使砂輪在加工過程中向前或向后伸出一個參數的距離。則下一件將能夠按照標準參數進行加工生產，獲得尺寸誤差補償。

5 結束語

作為在汽車發動機中最為關鍵的零部件結構，凸輪軸的加工工藝設計關乎到發動機的性能表現。因此本文通過對工藝流程進行研究并提出了相應的質量控制辦法，以期借助于更加完善的工藝標準強化凸輪軸的質量表現。

參考文獻：

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[2]周康康，徐剛強，胡火明. 農用發動機凸輪軸凸輪表面缺陷檢測系統設計[J]. 河南科技，2021，40（29）：46-49.

[3]方傳升. 汽車發動機凸輪軸半圓鍵自動壓裝設備的研制[D].合肥工業大學，2018.

[4]邵亞東. 汽車發動機凸輪軸測量系統集成與控制研究[D].西安理工大學，2018.

[5]王斌，周黎明，毛勝男. 汽車發動機凸輪軸制造關鍵技術[J]. 汽車科技，2017，（01）：60-64.