设计－研究Ｉ汽车发动机凸轮轴制造关键技术 ｄｏｉ：ｌＯ．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００５－２５５０．２０１７．０１．００８ 收稿日期：２０１６—１１－２８ 汽车发动机凸轮轴制造关键技术 王斌 ，周黎明 ，毛胜男 （１．东风汽车公司技术中心，武汉４３００５８；２．神龙汽车有限公司，武汉４３００５８） 摘要：随着汽车发动机技术的发展，凸轮轴的结构从整体式到组合式呈现了多元化的局 面。本文重点研究了汽车发动机整体式、组合式凸轮轴多种制造工艺的关键技术，对汽车发动 机凸轮轴的制造有很好的借鉴作用。 关键词：整体式；组合式；关键技术 中图分类号：ＴＫ４１６＋．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５—２５５０（２０１７）０１—００６０—０５ Ｋｅｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅ Ｃａｍｓｈａｆｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ＷＡＮＧ Ｂｉｎ１，ＺＨＯＵ Ｌｉ—ｍｉｎｇ ，ＭＡＯ Ｓｈｅｎｇ－ｎａｎ （１．Ｄｏｎｇ￣ｎｇ Ｍｏｔｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｗｕｈａｎ４３００５８，Ｃｈｉｎａ；２．Ｄｏｎｇ￣ｎｇ Ｐｅｕｇｅｏｔ Ｃｉｔｒｏｅｎ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｐａｎｙ ＬＴＤ，Ｗｕｈａｎ４３００５８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｅｎｇｉｎｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆｏｒｍｓ ｈａｖｅ ａｐｐｅａｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｍ ｓｈａｆｔ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｅｎｇｉｎｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｃａｍ ｓｈａｆｔ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａ ｇｏｏｄ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｅｎｇｉｎｅ ｃａｍｓｈａｆｔ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ；ｃｏｍｂｉｎｅｄ；ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 王斌 毕业于西南交通大学，本科 造关键技术下文将依次进行阐述。 一、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 学历；现任东风汽车公司技术 中心工程师；主要研究方向： 汽车发动机零件制造技术。 凸轮轴，如图１，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；３、氩弧重熔硬化。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 凸轮轴是发动机５ｃ件之一，是配气系统关键 的重点 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，按 凸轮轴结构形式，可分为整体式和组合式，对其制 图１整体式铸铁凸轮轴 ６０ 汽车科技，ＡＵＴＯ ＳＣＩ—ＴＥＣＨ ２０１７年第１期 １冷激铸铁凸轮轴 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 缓和剂作用，对白口深度和硬度作用较小，但对 某汽车公司冷激凸轮轴采用的合金用量为： Ｃ：３．２％－３．５％。Ｓｉ：１．８％－２－２％． Ｍｎ：０．６％～０．９％，Ｐ≤０．１％，Ｓ≤０．１％， 冷激铸铁凸轮轴是目前在汽油机上应用最广 基体有一定的细化晶粒和提高强度作用。 Ｃｒ：０－４％～０．６％，Ｍｏ：０．２％－０．４％， Ｎｉ：０．２％～０．４％，Ｃｕ：０．７％－１．０％。 凸轮轴的关键技术有２方面：冷激铸造、凸轮磨 削。 １．１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（即莱氏体，图２），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）。 图２冷激层金相组织 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、Ｍ０、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缩短 麻口深度。 Ｍｎ一般为０．６～０．９％，ｓ一般为＜０．１５％，Ｍｎ和 ｓ是碳化物的稳定剂，超过一定浓度会使白口层发 脆，含量需要严控。 Ｐ一般为＜０．１５％，Ｐ能降低白口硬度，并产生 白口碎裂倾向，要严格控制含量。ｃｒ和Ｍｏ都有增 加白口层深度的作用，但ｃｒ能使组织变粗，Ｍｏ能 细化晶粒，所以ｃｒ和Ｍｏ一般配合使用。Ｎｉ和ｃｕ起 ２）铸造工艺参数 试验表明，铁液温度越高，浇注温度越高， 白口深度越大；一般要求铁液温度＞１５００￣Ｃ，浇注 温度控制在１４００～１４２０￣Ｃ，某汽车公司产品采用的 铁液温度为ｌ５２０ 。 ３）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 １．５～２ｒａｍ，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。 １．２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±Ｏ．０３ｍｍ，缓 冲段和基圆段精度为±０．０１５ｒａｍ，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～定难度； 图３凸轮结构 ④轴类件磨削会产生弯曲变形，加工工艺性 差； 设计－研究ｌ汽车发动机凸轮轴制造关键技术 ⑤磨削易发生烧伤，产生裂纹，特别是主升 是难加热区，为使凸轮在加热过程中各部位均匀 程段，其磨削速度高，温度高，凸轮硬度高，且 一致，不同区域则必须采用不同的间隙，因此加 凸轮形状导致冷却液不易进入磨削区域，因此容 热感应器的形状设计就尤为重要，其决定了凸轮 易产生磨削烧伤，表面探伤可发现细微裂纹，这 热后硬度的均匀性和硬化层分布。 是凸轮轴绝对不允许的。 目前凸轮磨削均采用先进的高速强力磨削工 ＝、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， 艺，其区别于传统的外圆磨削，拥有非常高的切 削速度、高硬度的ＣＢＮ砂轮以及专用的伺服控制系 统机床。磨削工艺参数及程序编制是保证加工质 量的关键，凸轮磨削工艺参数包括磨削速度、进 给速度、切削深度。 ①磨削速度确定一般采用１０区转速法：基圆 作为１区，升程段均分为９个区，一共１０个区，基 圆段角速度设为ｗ ，２～ｌ０区转速依次设为 Ｗ ＝ｗ ×ｉ，ｎ＝２～１０，ｉ－０．１～１．５，从而达到各区恒 线速磨削的目的，降程段同理。各转速区转变 时，速度均匀过渡，不发生速度突变。 ②切削深度一般设置为２～５ｍｍ；凸轮磨削一 般无进给，进给速度为０。 在工艺参数确定后进行程序编制，编制完成 后首先需要进行计算机切削模拟，校核合格后方 可在机床上正式加工。当然，除了工艺参数和程 序编制的工作，凸轮在实际磨削过程中还会产生 较多细节问题，这些问题的解决或避免需要大量 实践经验。 ２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。 ２．１凸轮淬火技术 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 ６２ 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。 图４组合式凸轮轴 ３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问产生压 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。 ①坯体的成型加工；凸轮材料目前常用的是 粉末冶金料、Ｇｒｌ５和２０Ｃｒ等，对应的制造工艺分别 是粉末冶金和精锻，如表１： 表１凸轮片材料、工艺与适用类型 序号 材料 制造工艺 推荐适用类型 １ 粉冶料一铁基合金 粉末冶金 平面挺柱 ２ Ｇｒ１５、２０Ｃｒ 精锻 滚子摇臂 设计－研究ｌ汽车发动机凸轮轴制造关键技术 ４．２滚花连接技术 滚花连接技术原理在于轴体ｉ角形齿滚挤过 程中产生冷作硬化，齿硬度高于凸轮， 入过程 图１ ２滚花 中凸轮片内壁发生塑性变形，三角形齿与凸轮相 互咬合．达到牢阎连接实现抗扭的目的。 滚花连接技术关键在于滚花的加一Ｉ ，如冈 ｌ １，注意点如下： 图１３压装 ① 角齿形夹角和齿高是滚花连接‘１ 艺性和 ５结语 强度的关键，齿形夹角多大，齿咬入凸轮片就相 凸轮轴的生产制造是项专业技术，它的发展 对冈难，夹角过小，则齿厚较薄，容易折断；齿 也是中国自主汽车发动机发展的一个缩影，从最 高过高，则压装力较大，齿高过小，则抗扭能力 初的一无所知到逐步掌握整体式ｎ轮轴制造技 小 所以滚花三角齿形的角度和高度必须根据凸 术，再到目前都在研究共至部分中国企业已掌握 轮材料进行多次Ｔ艺试验，以确定最优方案。 组合式凸轮轴制造技术，这些技术的积累是在大 ②滚花齿必须加ｒ 成平直，并保证与轴线平 量的实践中总结得来的，是民族制造业宝贵的结 行度要求，齿形如果不平行于轴线，则在 装过 晶 ． 科巾凸轮片会顺着齿形方向发生偏转，从而凸轮 片的相位角度发生偏转，气门开启相位发牛变 参考文献： 化，对发动机性能产生恶劣影响。 …成都汽车配件总厂．ＱＣ／Ｔ ５４４—２（）（ 气车发动机 凸轮轴技术条件ｆＳ１．中华人民共和国汽车行业标 ；住，２ｆ）０１． 【２１赵书城．冷激铸铁凸轮轴铸造技术 中国铸造装 备与技术，２（）…（３）：３—６． 【３１张弛，杨慎华．装配式凸轮轴滚花连接机理及连 接强度研究ＵＪ．塑性工程学报，２（）ｆ）５，１２（１）：【Ｊ（１— ９２． 【４】张弛，徐沛娟，李月英，等．滚花装配式凸轮轴 关键技术Ｚｅｇ Ｌｌ１．新技术新工艺，２（）（１９，７：６１—６４． 图１ １滚花齿形 我们通过试验验证，目前滚花连接技术凸轮 轴气门凸轮的最大静态扭矩能达￣ｊＪｌ４５０Ｎ・ｎｌ 、 桀汽车公司产品目前采用的滚花加ｌ Ｉ 艺 黄竹学，李长河，蔡光起．超高速磨削技术及其 在汽车零部件加工中的应用［Ｊ１．汽车工艺与材料， ２（）（）７，７：４６－４８． 是：① 端夹持轴体，下端顶尖定位；②芯轴不 动，单花键闭柱滚刀围绕芯轴旋转加工；⑧依次 加 完轴体上所有滚花位置。 凸轮的装配一ｒ艺是：①凸轮片内孔拉矩形 槽；②滚花刀依次在中空轴体上滚挤出轴向■角 形齿；③自动压装机上进行装配。 ………… … …ｉ 专家推荐 … … 焦振功： 本文为一般性技术综述类文章，文字通 畅，可阅读性强 …………… ……… ……………．……… … ……… …… ｉ