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1、凸轮机构摘要1、 凸轮机构是由凸轮，从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，一般为主动件，作等速回转运动或往复直线运动。如果是与凸轮轮廓接触，并传递动力和实现预定的运动规律的构件，一般做往复直线运动或摆动，则一般为从动件。凸轮机构在应用中的基本特点在于能使从动件获得较复杂的运动规律。本文主要介绍凸轮机构的分类、制造凸轮主要材料，以及具体说明三种传统的提高耐磨性的热处理方法：高频感应加热淬火，氮化处理，渗碳淬火。还有两种有效的热处理新方法：复合热处理，氮、硫、碳、氧多元共渗。最后通过优质碳素钢和球磨铸铁的现状及发展趋势来看出凸轮的发展前景。在球磨铸铁中主要通过
2、球化改进方法来体现其最新研究进展。关键词：凸轮，材料，热处理，研究进展。1.绪论凸轮机构是机械中一种常用的机构，它结构简单、紧凑，工作可靠，设计方便，利用不同的凸轮轮廓曲线能够使从动件实现任意复杂给定的运动规律。同时它兼有传动、导向及控制机构的各种功能等优点。凸轮机构在生产生活中有着极其重要的地位，而作为一种机构，材料的选择和其加工工艺，特别是热处理工艺更是影响着其使用性能，本文的意义及目的就在此。2. 凸轮机构的分类按形状分按动件形式分按高副接触分盘形凸轮移动凸轮圆柱凸轮断面凸轮尖顶从动件滚子从动件平底从动件力锁合：弹簧力、重力等几何锁合：等径凸轮、等宽凸轮3.凸轮机构在生活中的作用由于凸轮
3、机构结构简单、紧凑、设计方便。只要做出适当的凸轮轮廓，就能使从动杆得到任意预定的运动规律。虽然凸轮机构同样存在缺点，比如：凸轮为高副连接，压力较大，点，线接触易磨损；凸轮轮廓加工困难，费用较高；行程较大。但是它在生活中的应用非常广泛，在机床、纺织机械、轻工机械、印刷机械、机电一体化装配中更是得到了大量应用。可见凸轮对我们的影响有多深远。生活中随处可以见到凸轮的用处。比如：汽车内燃机配气构、自动机床的进刀机构、对开印刷机的共轭“凸轮”机构、胶印机中的偏心摆动式递纸机构、圆珠笔芯装配线上自动送进-联动凸轮机构、小型电影放映机中的联动凸轮抓片机构、绕线机机构、罐头封盖机构等等。4.凸轮机构所用材料凸
4、轮在工作过程中与滚子直接接触，因而凸轮型面受到滚子的接触应力作用。并且，由于滚子在凸轮型面不同区域角速度不同，引起滚子与凸轮型面间的滑动摩擦，在凸轮型面上产生很大的剪切应力，因而要求凸轮具有较高的硬度和良好的耐磨性。提高其硬度和耐磨性应从其材料选择和热处理两方面入手。4.1凸轮机构所用材料凸轮材料的选择及其热处理方法要根据凸轮的使用要求来确定。一般情下凸轮材料选用45、45Mn2、40Cr等牌号的优质结构碳素钢，表面淬火到5055HRC。对于要求更高的情况，可选用低碳钢，如15、20、20Mn2、20Cr等，进行渗碳处理后淬火到5863HRC，渗碳层厚度大约为0.81.2mm，此外，还可采用G
5、Cr15轴承钢淬硬到6064HRC。实践经验证明，比较重要的凸轮采用球墨铸铁QT600-3经过等温淬火到4550HRC，也可得到良好的耐磨性。当凸轮是形状复杂的弧面时，通常采用38CrMoAl进行氮化处理。 4.2凸轮表面硬化处理一般来说，表面越硬，磨损越少，因此可以通过提高凸轮表面硬度来提高凸轮的耐磨性，而提高凸轮表面硬度最有效的方法是表面硬化处理。下面着重讲一下凸轮的表面硬化处理。5. 热处理工艺一些凸轮轴材料及热处理工艺用途材料预备热处理最终热处理工艺硬度（HB）工艺层深（mm）硬度（HB）小拖拉机轿车吉普QT600-3合金铸铁45正火去应力退火调质229302241302187229贝
6、氏体等温淬火贝氏体等温淬火氮碳共渗感应淬火0.10.153.16.04350700HV颈5563齿4558载重车拖拉机45QT600-3正火去应力退火163197230280感应淬火贝氏体等温淬火2.55.5颈5563齿4558重型车20QT600-350去应力退火正火渗碳、淬火回火贝氏体等温淬火感应淬火、回火1.31.71.52.0586243515963大马力柴油机船20CrMnTi正火渗碳、淬火、回火1.72.25661机车50Mn退火去应力退火241285感应淬火 凸轮轴颈251.545862556245正火感应淬火、回火1.32.55055在热处理方法中，硬化方法可分为两个大类，即渗
7、碳淬火、氮化处理、渗硫处理等化学热处理方法和高频感应加热淬火、火焰淬火等物理热处理方法。表面硬化处理后最好在150-200条件下进行低温回火保持硬度不变，与只进行淬火处理相比，耐磨性要好很多。另外，在表面附着硫化层可提高耐磨性，氮化层既能增加硬度，又能提高耐磨性。5.1提高耐磨性的热处理方法 （1）高频感应加热淬火：主要是对中碳钢凸轮表面进行淬火硬化，提高表面耐磨性。是通过短时间处理容易得到高的硬度，而且变形很小的常用热处理方法。作为凸轮的表面硬化法，高频感应加热淬火的性能价格比较好。但是，在移动淬火时，轨道表面上将产生淬火痕迹。对沟槽凸轮进行高频感应加热淬火时，轨道面底部的淬火硬化较为困难。
8、（2）氮化处理：相对渗碳淬火、高频感应加热淬火等相比是低温处理，不产生相变，工件变形很小。其优点在于表面硬度很高，疲劳温度高，具有很高的耐磨性、耐烧伤性和耐腐蚀性。氮化处理有气体氮化、离子氮化、气体软氮化和盐浴软氮化。 （2）渗碳淬火：是凸轮获得强韧性和大耐磨性的传统热处理方法，有固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳和真空渗碳等。其中固体渗碳是指在木碳中放入碳酸钠或碳酸钡催化剂，把工件放在10%20%的渗碳剂中进行加热处理的方法。液体渗碳是指把工件放在熔融的NaCN和氧气中环境进行热处理的方法，这是最便宜的渗碳方法，但存在毒性很强的氰酸废液。气体渗碳是把渗碳性气体直接放入炉中或把液体投入炉中分解生成渗
9、碳气体对工件进行渗碳的方法。真空渗碳是在减压炉内导入渗碳气体进行渗碳的方法，这种方法缩短了渗碳时间，且不会产生氧化性气体，不生成氰化的晶粒边界，故作业环境无污染，但处理费用高，适用于高级工件的处理。以上三种方法已被广泛应用。另外再介绍两种有效的热处理新方法。（4）复合热处理不管是高频淬火还是氮化处理，单一的热处理不免有一些缺陷，因此为了弥补他们彼此的缺点，采用氮化高频淬火的复合热处理，其硬化层加深，表面为微细含氮马氏体，表面硬度高（），从而可以提高凸轮的使用寿命。（5）氮、硫、碳、氧多元共渗 为进一步提高凸轮的耐磨性，改善凸轮型面与滚子间的摩擦条件，尤其为降低型面突变处的剪切条件，在保证不破坏
10、渗氮层性能的前提下进行氮、硫、碳、氧多元共渗处理。用含有硫元素的混合液进行多元共渗后，硫以的形式存在于凸轮表层（），由于为密排六方晶格结构，变形抗力小、 受力易滑移，起固体润滑剂的作用，并能隔绝凸轮型面与滚子间的金属直接摩擦，大大改善凸轮型面与滚子间的摩擦条件，有效地减少凸轮与滚子间的滑动摩擦，从而减小了滚子对凸轮型面的剪切应力，避免了应力作用深度处剪切应力大于该材料临界强度而产生麻点和剥落，进一步提高了凸轮的耐磨性。6. 优质碳素钢和球磨铸铁的现状及发展趋势人类对凸轮机构的认识由来已久。但直到19世纪末，对凸轮机构还未曾有过系统地研究。随着工业化的发展，对高效的自动机械的需求大大增加，需要改
11、善内燃机配气机构的工作性能，所以直至20世纪初，凸轮机构的研究才开始受到重视。在20世纪40年代以后，由于内燃机转速增加，引起故障增多，才开始对配气凸轮机构进行深入研究。下面列举凸轮常用的两种材料优质碳素钢和球墨铸铁来说明其现状及发展趋势。6.1优质碳素钢优质碳素钢按其含碳量多少分为低碳钢（含碳量低在0.25%-0.5%之间）和高碳钢（含碳量大于0.5%）。按含锰量分为普通含锰量和高含锰量两大类。按钢中杂质S、P含量不同分为优质钢、高级优质钢、特级优质钢。 中国产业调研网发布的2018-2025年中国优碳钢行业发展现状调研与市场前景预测报告认为，在我国优碳钢企业中，一直以来，产业集中度低，缺乏
12、规模经济效益。近年来，由于市场竞争的不断加剧，企业间的兼并重组和品牌经营进程逐步加快，规模化经营初见成效。集团化和品牌连锁作为规模化经营的主要模式，在扩大和稳定客源、提高用户忠诚度、降低成本等方面有较大的优势。 我国优碳钢市场的发展暂时还面临着很多问题，但值得高兴的是越来越多的企业已经认识到了优碳钢市场所具有的巨大发展潜力和广阔发展前景，对其未来发展趋势也达成了较为统一的认识，相信会给整个优碳钢市场带来更大的生机与活力。中国优碳钢市场的产品越来越趋向于多元化，业界的技术水平越来越高，产品质量会稳步提高，竞争与市场将进一步合理化。随着国家对优碳钢市场的进一步规范，以及相关行业优惠政策的实施，优碳
13、钢市场将有巨大的发展空间。6.2球墨铸铁 球化改进方法球墨铸铁生产过程中，需向铁液中加入一定量的添加剂来完成脱硫、球化及孕育处理。对铁液进行球化处理是球墨铸铁生产与研究中极其重要的环节。多年来，国内外已经成功研究出多种球化处理方法，主要有插入法、冲入法、转包法、型内法、包盖法、喂线法等。目前仍有一些新的球化处理方法在研究之中，对球化处理方法有人曾经做过专门总结，但仍存在有比较性不强，选用或继续研究的目标不够明确等不足。但其中，包芯线喂线球化处理和型内球化法球化处理是两种比较高效的方法。7. 展望10多年来我国凸轮机构的研究所取得的成绩是十分显著的，特别是在理论研究方面以达到国际先进水平，但是在加工制造及应用研究上与国际先进水平还有较大的差距，国外生产的弧面凸轮已经达到2000r/min的速度，而国产的弧面凸轮还未达到该速度现在我国每两年一次的全国凸轮机构学术研讨会在规模、水平上日益发展，并逐步走向国际化，相信在今后的几年内，我国凸轮机构的研究、制造水平会越来越高。
