汽车发动机凸轮轴制造关键技术

赵建强

摘要：凸轮轴的生产制造是项专业技术，它的发展也是中国自主汽车发动机发展的一个缩影，从最初的一无所知到逐步掌握整体式凸轮轴制造技术，再到目前都在研究甚至部分中国企业已掌握组合式凸轮轴制造技术，这些技术的积累是在大量的实践中总结得来的，是民族制造业宝贵的结晶。

关键词：整体式;组合式;关键技术

1、凸轮轴系统构成和工作原理

滑动式凸轮轴系统由两部分组成，一个是机械部分，即滑动式凸轮轴。另外一部分是电磁驱动器。滑动式凸轮轴是由中间的芯轴、凸轮块及其他连接部件组成。凸轮块和芯轴是采用花键连接，凸轮块可以在芯轴上滑动。一个凸轮块上有两组凸轮，每组凸轮上各有一个高角度凸轮和一个低角度凸轮。在凸轮块的两端各有一个螺旋沟槽。

2、整体式凸轮轴

整体式凸轮轴在汽油机上主要使用的是铸铁凸轮轴，铸铁凸轮轴按硬化工艺进行分类，当前存在三种形式：1、冷激;2、球铁淬硬。前两种工艺形式占据了国内铸铁凸轮轴市场的绝大数份额，也是我们研究的重点。

2.1 冷激铸铁凸轮轴

冷激铸铁凸轮轴是目前在汽油机上应用最广泛的工艺形式，市场占有率约占7成，具有工艺成熟、成本低、耐磨等优点，同种结构凸轮轴，冷激铸铁凸轮轴成本是最低的。这也是国内多数主机厂选择该工艺凸轮轴的最主要原因。冷激铸铁凸轮轴的关键技术有2.2 方面：冷激铸造、凸轮磨削。

2.2.1冷激铸造技术

通过使用冷铁，使凸轮铸件各部位冷却速度不同，得到不同的金相组织，冷激面可得到硬化耐磨的白口层，非冷激部位得到一定强度和韧性的灰口层（珠光体+石墨），两者之间为麻口层（珠光体+石墨+渗碳体）

①材料成分

冷激凸轮轴采用材料一般为合金灰铸铁，成分包含C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、Cu，成分及用量是获得理想基体组织和优良使用性能的重要保障。合金用量目前无行业标准，需根据自身研究与经验自行配比。

C一般在3.2～3.7%，Si一般在1.6～2.4%，碳量增加，能够减小白口深度、增大白口层硬度，但碳量过高，容易造成组织疏松。当碳量处于一般规定范围时，通过硅量降低冷激白口深度和縮短麻口深度。

Mn一般为0.6～0.9%，S一般为1500℃，浇注温度控制在1400～1420℃，某汽车公司产品采用的铁液温度为1520℃。

②冷铁

冷铁形状一般呈马鞍型，夹角一般小于图纸凸轮主升程段夹角，宽度一般略大于凸轮厚度1.5～2mm，高度一般在25～30mm。冷铁的安放工艺应便捷并有定位装置，保证固定。

2.2.2 凸轮磨削技术

凸轮磨削的精度直接影响发动机性能参数、机械损耗和排放，存在下列工艺难点：

①加工精度要求高，某汽车公司产品凸轮的尺寸精度要求为：主升程段精度为±0.03mm，缓冲段和基圆段精度为±0.015mm，粗糙度为Ra0.4。尺寸精度、粗糙度都通过磨削实现，要求非常高;

②凸轮轮廓复杂，各磨削点移动速度、线速度差异非常大，特别是现在带有凹轮廓的凸轮，对磨削工艺提出了很大要求;

③凸轮各段硬度不同，主升程段最高，缓冲段其次，基圆最低，给磨削带来了一定难度;

2.3 球铁淬硬凸轮轴

球铁淬硬凸轮轴主要应用于大功率汽油机上，其抗接触疲劳能力优于冷激凸轮轴较多，所以当接触应力较大时会选择采用球铁淬硬凸轮轴，其凸轮硬化是通过在加工过程中对凸轮进行淬火实现，所以其关键技术包括：凸轮淬火、凸轮磨削。凸轮磨削与冷激凸轮轴较类似，不再赘述。通过对球铁凸轮轴毛坯进行表面高或中频淬火、回火，使得凸轮表面获得回火马氏体加少量碳化物等组成的硬化耐磨层。目前淬火方式应用较多的是高频感应淬火，技术关键点在于：感应器的设计。通过试验可以发现凸轮主升程段和基圆段是易过热区，缓冲段是难加热区，为使凸轮在加热过程中各部位均匀一致，不同区域则必须采用不同的间隙，因此加热感应器的形状设计就尤为重要，其决定了凸轮热后硬度的均匀性和硬化层分布。

3、组合式凸轮轴

组合式凸轮轴是将芯轴、凸轮等若干部件分开制造，再装配成一体。较传统整体式凸轮轴，组合式凸轮轴具有轻量化、材料利用合理、成本更低（后期可达成）的优势，组合式凸轮轴是按凸轮片与轴体装配工艺进行分类，目前国内主流装配工艺有：1、钢球胀紧式;2、滚花式。

3.1 钢球胀紧式凸轮轴

使带有一定过盈量的钢球通过中空轴体，在钢球的挤压作用下轴体发生扩径塑性变形，凸轮发生弹性变形，钢球通过后轴体与凸轮间产生压应力，实现承载扭矩，称为钢球胀紧式凸轮轴，其制造关键技术包含：凸轮片加工、钢球胀紧技术。

3.1.1 凸轮片加工

不同于整体式凸轮轴，组合式凸轮轴采用分体加工，凸轮片作为一个单体零件工艺流程为：①坯体的成型加工;②表面的硬化;③内孔的加工。凸轮轮廓的磨削加工是在凸轮套装上轴体并实行胀紧后进行，工艺与整体式较类似，不再赘述。

3.1.2 钢球胀紧技术

钢球胀紧技术是保证凸轮抗扭扭矩达成设计要求的核心技术，其关键点在于：确定胀紧钢球的大小以及相对应的塑性变形大小。

3.2 滚花式凸轮轴

滚花式凸轮轴就是凸轮与轴体采用滚花连接，用滚花刀依次在中空轴体上滚挤出齿尖与轴线平行或垂直的三角形齿，然后在常温下依次将内圆为圆形或多边形的凸轮片压入轴体中，并保证位置和角度。类似的，其关键技术包含：凸轮片加工、滚花连接技术。

3.2.1 凸轮片加工

结构方面，滚花式的凸轮与胀紧式基本一致，不同点在于凸轮内腔除了可制成圆形外也可制成多边形。多边形结构优点是当轴体滚花不均匀或圆度有偏差时，仍能很好地装配，保证尺寸精度，缺点是由于咬合面积小于圆形，其抗扭连接强度低。某汽车公司产品目前采用矩形槽形式，槽数一般设置为均步24个，槽深0.1～0.2mm。

3.2.2 滚花连接技术

滚花连接技术原理在于轴体三角形齿滚挤过程中产生冷作硬化，齿硬度高于凸轮，压入过程中凸轮片内壁发生塑性变形，三角形齿与凸轮相互咬合，达到牢固连接实现抗扭的目的。4结语

凸轮轴是发动机5C件之一，是配气系统关键零件，作为发动机三大摩擦副零件之一，要求其具有一定的强度和韧性，且凸轮表面有良好的耐磨和抗冲击性能。随着发动机技术的不断革新以及汽车排放法规的逐渐严格，凸轮轴的结构形式、制造工艺也在不断创新与丰富，呈现了多元化的局面。

参考文献

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