发动机凸轮轴磨削工艺分析

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1、Technical Exchange 技术交流 冷加工 2010 年第 19 期 2525 www. metalworking1950. com 发动机凸轮轴磨削工艺分析 柯尔柏斯来福临机械 ( 上海)有限公司北京分公司(柯尔柏斯来福临机械 ( 上海)有限公司北京分公司( 100015100015)喻畅)喻畅 一、凸轮轴加工材料以及外形 凸轮轴作为汽车发动机上配气机构的重要组成零 件，用于控制发动机缸体上气门阀杆的开合。不同形式 的凸轮轴的应用和区分通常在发动机的设计开发阶段都 已经确定。 目前，国内的各大汽车生产厂家以及汽车零配件供 应厂家已从由国外直接进口逐渐转变成采购国外进口设 备，在本

2、土实现生产。由于凸轮轮廓属于异型曲面，所 以加工工艺和方案也较为复杂，尤其是凸轮表面的加工 质量和型线误差，直接决定了凸轮轴在发动机进气和排 气工作循环中是否会产生进气阀和凸轮，排气阀和凸轮 之间的冲击和振动，影响汽车发动机在工作中的平稳性。 鉴于以上因素，对于凸轮轴材料的选择也具有多样 性，适应于机械加工领域的凸轮轴按照材料和结构形式 可以如下分类: 1. 凸轮轴的材料与结构 ( 1)铸铁凸轮轴通常采用球墨铸铁，典型的应用 比如东风发动机某品牌 4 缸/6 缸发动机内均采用冷激球 墨铸铁为 4B 以及 6B 系列凸轮轴制成凸轮毛坯件，其硬 度50HRC;国产标志某一品牌 4 缸发动机凸轮轴，

3、按 照 PSA B511110 ( 法国标致雪铁龙公司内部标准)选用 铸铁 GLA1，含碳量在 3. 2% 3. 7%，对于该铸铁材料 表面进行 360全方位冷激浇铸处理后，要求凸轮桃尖部 分表面冷激硬化层厚度达到 16mm，硬度50HRC，其 他部分表面冷激硬化层的厚度也应达到 8mm，硬度 187 235HBW。而国产柴动力 6 缸柴油机内凸轮轴，采用 国产 QT6003 球墨铸铁，通过整体正火使得其铸造状 态下基体的混合组织变成珠光体基体，从而提高其强度 和耐 磨 性 能，其 基 体 正 火 后 硬 度 可 以 达 到 229 302HBW，而凸轮型面和主轴颈进行高频淬火使得其表 面硬度

4、达到 45HRC，这是一种较典型的国产铸铁凸轮轴 热加工工艺。 铸铁凸轮轴的适用范围为承受较小负载的发动机， 通常使用于轻型轿车领域，而且其制造加工成本低于锻 钢凸轮轴。铸铁凸轮轴可满足机械负载的情况下优先使 用铸铁凸轮轴。其重量轻于锻钢材料。 ( 2)锻钢凸轮轴国内常用合金渗碳钢或者合金调 质钢，部 分 表 面 淬 火，或 者 感 应 淬 火。例 如 15Cr、 20Cr、20Mn2 或者 20 钢，对于其支撑主轴颈进行渗碳 淬火，或者碳氮共渗淬火，硬化层深度为 0. 8 1. 5mm， 表面硬度可达到 58 63HRC;同样也可以采用低合金调 质钢，如 45Mn2 或者 45 钢，除了基体

5、作调质或者正火 处理，对于主轴颈和凸轮型面同样需要进行表面淬火， 淬硬深度在 1. 5 6mm，这样表面硬度可以达到 58 63HRC;国外在钢制凸轮的应用情况如马勒气门传动链 公司采用的德国牌号合金结构钢 100Cr6，并且铸造成为 空心结构以减轻其重量。 锻钢凸轮轴的使用前提是如果铸造凸轮轴无法承受 零件的机械载荷要求。而且，在重型货车柴油机凸轮轴 的材料选用上通常采用锻钢凸轮轴。 ( 3)装配凸轮轴也就是凸轮轴杆与一组硬质合金 凸轮组装，或者是凸轮轴和一组淬火凸轮组装。典型的 应用如一汽大众公司某乘用车品牌 4 缸发动机所用凸轮 轴，按照德国大众公司的设计采用组合结构，凸轮轴轴 杆采用

6、DIN EN 10305 2 列出的 E355 + C 低合金无缝钢 管，相当于国内钢号的 Q345 ( GB/T1591 1994) ;而且 采用粉末冶金烧结正时端，小头端采用易切结构钢 44Mn28 制成，而 8 个凸轮则是采用德国合金结构钢 100Cr6，相当于国内的 45Cr，或者 GCr15，其耐磨性和 接触疲劳强度高，淬火和回火后硬度高，综合性能好。 在国外，诸如大众汽车，欧宝汽车等知名汽车厂家，这 种装配型凸轮轴得到了广泛的应用，由于低合金无缝钢 技术交流 Technical Exchange 2626 2010 年第 19 期 www. metalworking1950. co

7、m 冷加工 管的使用，使得凸轮轴整体的结构重量得到降低，并且 具有良好的焊接性能，材料利用设计合理并且具有比普 通碳素钢更低的冷脆临界温度，适用于北方高寒地区。 但是其机械加工工艺较为复杂，需要高精度的机床以便 适应加工需要。 装配凸轮轴的应用范围为使用于相对并非很大负载 的发动机，其重量轻于整体式的铸铁凸轮轴，而且相对 于铸铁材料，组合式的凸轮轴更耐磨。但是其价格通常 高于铸铁凸轮轴 15%。 2. 凸轮轴的尺寸 凸轮轴的长度也根据发动机型号的不同有一个较大 的变动范围，在机械设备的选取上，不同的加工制造商 都由各自的产品型号定义，而基本的定义参数取决于在 磨床上可以装夹工件的长度以及磨削长

8、度。以下给出凸 轮轴尺寸范围基本定义。 ( 1)小型凸轮轴通常指发动机喷油泵中采用的小 型凸轮轴，最大长度在 150 200mm。 ( 2)中型凸轮轴通常指普通乘用车发动机中的进 气排气凸轮轴，最大长度在 500 600mm。例如国产雪 铁龙乘用车 4 缸发动机系列凸轮轴，凸轮轴长度在 390mm 左右，而其另一品牌 4 缸发动机使用的凸轮轴， 其长度在 424 434mm。而位于重庆一家汽车零部件配 套加工厂为柳州五菱和长安汽车提供的 4 缸发动机凸轮 轴，即便采用了每组两进一排凸轮的结构，其凸轮轴长 度也控制在 411mm。 针对目前国产以及合资生产的轿车行业，轿车需求 量日益增大，中型凸

9、轮轴加工数量多、批量大，目前已 经成为制造生产企业加工的主要目标。 ( 3)大型凸轮轴通常定义为重型货车发动机中进 气排气凸轮轴，也可以包括内燃机用凸轮轴以及大型船 用柴油机内使用的凸轮轴。其最大长度可以达到 1. 6m 1. 8m，比较典型的大型凸轮轴，例如国外知名的颜巴 赫集团生产的内燃机中的凸轮轴，其长度有 880mm 以 及 1. 29m 左右。而戴姆勒克莱斯勒重型货车以及德国欧 曼汽车的凸轮轴其长度通常在 1m 左右。而在船舶制造 领域，柴油机凸轮轴的长度最小也在1. 3m左右。 目前，随着中国政府对于基础设施以及能源工业的 投入，对于大型柴油机自主加工零部件的需求也逐渐增 大。 3

10、. 凸轮的型面状态 除上述凸轮轴的尺寸结构外，凸轮的型面的设计也 影响着凸轮轴的加工工艺，以及磨削方案的设计，主要 的凸轮形式划分如下: ( 1)圆柱形凸轮凸轮两侧带有倒角或者凸轮两侧 不带倒角，此种凸轮型面在汽车制造厂中最为普遍，例 如武汉神龙汽车有限公司作开发的乘用车 4 缸发动机 TU5JP4 系列凸轮轴和 EW 系列凸轮轴都是属于圆柱形凸 轮，而且凸轮的两侧并无倒角。 ( 2)异型表面凸轮包含凸轮两侧或者一侧带有凹 心;凸轮一侧带有切线轮廓;椭圆形和其他多边形等异 型表面。比如东风康明斯发动机有限公司某品牌 4 缸/6 缸发动机内 4B 以及 6B 系列凸轮轴，凸轮两侧型线带有 微小凹

11、心。而且在凸轮的纵向截面上凸轮带有凸起，且 两侧也有台肩。而德国 MAN 公司的重卡凸轮轴，在凸 轮的设计上则是单边具有凹心结构。大众公司等项目凸 轮轴也采用带有凹心的凸轮轴，不但可以减少油耗，而 且可以采用滚子杠杆阀驱动技术。 二、凸轮轴磨削工艺 1. 传统凸轮轴磨削工艺 传统的凸轮轴磨削工艺即采用刚玉砂轮磨削凸轮 轴，对于凸轮型面采用靠模的完成表面的磨削加工，该 磨削加工方法的磨削线速度通常在 50m/s 左右。该种加 工方式的特点如下: ( 1)砂轮磨料针对凸轮轴材料的特点 ( 目前多采 用铸铁或者钢制) ，传统的磨削工艺上通常使用刚玉砂 轮即可以完成凸轮轴的磨削加工。使用较多的刚玉材料

12、 包括白刚玉、铬刚玉 ( 又为玫瑰色刚玉) 、棕刚玉。上 述三种刚玉材料实际上已经可以满足目前基本所有材料 的机械加工。而对于高合金钢等含钒而且硬度较高的材 料，采用单晶刚玉即可以满足其高标准的形状和尺寸精 度加工要求。 ( 2)凸轮型面磨削传统的液压磨床上较多采用仿 形磨削的方式。汽车发动机的开发商通常针对其发动机 进排气的结构形式设计其凸轮型线表，对凸轮的基圆， 升降程轮廓以及凸轮底部最高部分的轮廓按照分度列出 具体的型面数据。在仿形磨削过程中，首先按照加工的 型线表绘制最终加工成品的仿形样板或者仿形工件，加 工过程中仿形刀架上的触头沿着样板轮廓作仿形运动， Technical Excha

13、nge 技术交流 冷加工 2010 年第 19 期 2727 www. metalworking1950. com 通过液压缸或者其他传动系统带动刀架作 X 轴方向的进 给运动，从而加工出凸轮的表面型面。 ( 3)凸轮轴颈磨削采用刚玉砂轮进行外圆磨削， 有两种方式，在产量低，品种多的情况下可以使用单片 砂轮逐次磨削主轴颈;而针对产量大、品种少的情况， 可以采用多砂轮磨床，一次磨削所有的主轴颈。 对于采用传统刚玉仿形方式磨削凸轮轴的方式，优 点和缺点分析如附表所列: 传统凸轮轴磨削工艺的优缺点分析 优点缺点 砂轮 刚玉砂轮成本低，国 内制造能力强 磨削过程中消耗大;加工环 境的污染重 工艺仿形结

14、构易于制造 仿形件磨损后对加工质量影 响大 机床机床价格低廉 无反馈系统，大批量生产稳 定性不足;而且生产效率低 2. CBN 砂轮磨削凸轮轴工艺 自从 1969 年通用电气将 CBN ( 立方氮化硼)这一 名词作为高硬度磨削材料开发的革命性成果引入市场， CBN 磨料的使用也推动了磨削工艺的开发以及相关设备 的设计。 ( 1)CBN 磨料CBN 磨料是借助于高压高温技术 合成的超硬材料，其硬度 ( 约 4 700 N/mm2)可达到金 刚石硬度 ( 大约 7 000N/mm2)的一半以上，其硬度同 时也接近碳化硅材料的两倍 ( 碳化硅磨粒的硬度为 2 500 2 700 N/mm2) 。 随

15、着材料的研究和开发，多晶体立方氮化硼的面世 也解决了早期单晶体碳化硅材料磨粒易碎脱落的问题， 并且具有了很好的切削性能和使用寿命。立方氮化硼材 料既可以应用于加工硬度相对不高，但是韧性高的金属 材料，其硬度在 50HRC 以上;也可以应用于硬度很高 的含碳合金，例如工具钢、特种钢和高速钢。 由于刚玉砂轮在磨削过程中磨粒脱落和消耗量大， 更换安装调试时间长，以及停机维护时间长这些问题的 出现，因此，当今在大批量生产中刚玉砂轮磨削方式已 经逐渐被 CBN 砂轮磨削工艺所取代。尤其是针对诸如 汽车行业中的产品系列化，批量大，而且重复生产性较 高的产业，CBN 砂轮的优势日益明显。在国内的汽车制 造厂

16、家中，也逐渐形成选用 CBN 砂轮磨削技术来进行 关键发动机零部件的制造和加工，其加工效率和切削性 能得到了汽车制造厂家的一至认可。 ( 2)CBN 磨床采用 CBN 磨床针对凸轮轴磨削， 各个磨床厂家对于砂轮主轴驱动的配置基本上采用三相 电动机直接驱动。对于汽车行业的凸轮轴加工磨床而 言，其砂轮主轴的转速均可达到 7 000 8 000r/min，即 便各个厂家所选用的砂轮直径有所不同，可以获得的砂 轮圆周表面最大线速度也可以达到120m/s 甚至150m/s。 采用高速磨削以及 CBN 磨料通常能在普通外圆磨削加工 中降低表面粗糙度值。 控制系统的选用方面，欧美厂家通常使用 FANUC 或者 SIEMENS 系统，而亚洲的磨床厂家也会有自行开 发的控制系统。各机床厂家在对控制系统的选用和二次 开发上也是各自利用了其软件平台的优点，针对工件的 型廓开发了 “面向工件的编程软件系统” ，但从系统的 稳定性和软件的功能性方面评价，SIEMENS 840D 和 FANUC 12i 的控制软件平台在 CBN 磨床程序开发领域具 有非常好的