一、凸輪軸加工材料以及外形
凸輪軸作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上配氣機(jī)構(gòu)的重要組成零件，用于控制發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上氣門閥桿的開合。不同形式的凸輪軸的應(yīng)用和區(qū)分通常在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)階段都已經(jīng)確定。
目前，國內(nèi)的各大汽車生產(chǎn)廠家以及汽車零配件供應(yīng)廠家已從由國外直接進(jìn)口逐漸轉(zhuǎn)變成采購國外進(jìn)口設(shè)備，在本土實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)。由于凸輪輪廓屬于異型曲面，所以加工工藝和方案也較為復(fù)雜，尤其是凸輪表面的加工質(zhì)量和型線誤差，直接決定了凸輪軸在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣和排氣工作循環(huán)中是否會(huì)產(chǎn)生進(jìn)氣閥和凸輪，排氣閥和凸輪之間的沖擊和振動(dòng)，影響汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在工作中的平穩(wěn)性。
鑒于以上因素，對于凸輪軸材料的選擇也具有多樣性，適應(yīng)于機(jī)械加工領(lǐng)域的凸輪軸按照材料和結(jié)構(gòu)形式可以如下分類:
1.凸輪軸的材料與結(jié)構(gòu)
(1)鑄鐵凸輪軸通常采用球墨鑄鐵，典型的應(yīng)用比如東風(fēng)發(fā)動(dòng)機(jī)某品牌4缸/6缸發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)均采用冷激球墨鑄鐵為4B以及6B系列凸輪軸制成凸輪毛坯件，其硬度≥50HRC;國產(chǎn)標(biāo)志某一品牌4缸發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸，按照PSAB511110(法國標(biāo)致雪鐵龍公司內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn))選用鑄鐵GLA1，含碳量在3.2%～3.7%，對于該鑄鐵材料表面進(jìn)行360°全方位冷激澆鑄處理后，要求凸輪桃尖部分表面冷激硬化層厚度達(dá)到16mm，硬度≥50HRC，其他部分表面冷激硬化層的厚度也應(yīng)達(dá)到8mm，硬度187～235HBW。而國產(chǎn)柴動(dòng)力6缸柴油機(jī)內(nèi)凸輪軸，采用國產(chǎn)QT600-3球墨鑄鐵，通過整體正火使得其鑄造狀態(tài)下基體的混合組織變成珠光體基體，從而提高其強(qiáng)度和耐磨性能，其基體正火后硬度可以達(dá)到229～302HBW，而凸輪型面和主軸頸進(jìn)行高頻淬火使得其表面硬度達(dá)到45HRC，這是一種較典型的國產(chǎn)鑄鐵凸輪軸熱加工工藝。鑄鐵凸輪軸的適用范圍為承受較小負(fù)載的發(fā)動(dòng)機(jī)，通常使用于輕型轎車領(lǐng)域，而且其制造加工成本低于鍛鋼凸輪軸。鑄鐵凸輪軸可滿足機(jī)械負(fù)載的情況下優(yōu)先使用鑄鐵凸輪軸。其重量輕于鍛鋼材料。
(2)鍛鋼凸輪軸國內(nèi)常用合金滲碳鋼或者合金調(diào)質(zhì)鋼，部分表面淬火，或者感應(yīng)淬火。例如15Cr、20Cr、20Mn2或者20鋼，對于其支撐主軸頸進(jìn)行滲碳淬火，或者碳氮共滲淬火，硬化層深度為0.8～1.5mm，表面硬度可達(dá)到58～63HRC;同樣也可以采用低合金調(diào)質(zhì)鋼，如45Mn2或者45鋼，除了基體作調(diào)質(zhì)或者正火處理，對于主軸頸和凸輪型面同樣需要進(jìn)行表面淬火，淬硬深度在1.5～6mm，這樣表面硬度可以達(dá)到58～63HRC;國外在鋼制凸輪的應(yīng)用情況如馬勒氣門傳動(dòng)鏈公司采用的德國牌號合金結(jié)構(gòu)鋼100Cr6，并且鑄造成為空心結(jié)構(gòu)以減輕其重量。
鍛鋼凸輪軸的使用前提是如果鑄造凸輪軸無法承受零件的機(jī)械載荷要求。而且，在重型貨車柴油機(jī)凸輪軸的材料選用上通常采用鍛鋼凸輪軸。
(3)裝配凸輪軸也就是凸輪軸桿與一組硬質(zhì)合金凸輪組裝，或者是凸輪軸和一組淬火凸輪組裝。典型的應(yīng)用如一汽大眾公司某乘用車品牌4缸發(fā)動(dòng)機(jī)所用凸輪軸，按照德國大眾公司的設(shè)計(jì)采用組合結(jié)構(gòu)，凸輪軸軸桿采用DINEN10305－2列出的E355+C低合金無縫鋼管，相當(dāng)于國內(nèi)鋼號的Q345(GB/T1591－1994);而且采用粉末冶金燒結(jié)正時(shí)端，小頭端采用易切結(jié)構(gòu)鋼44Mn28制成，而8個(gè)凸輪則是采用德國合金結(jié)構(gòu)鋼100Cr6，相當(dāng)于國內(nèi)的45Cr，或者GCr15，其耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度高，淬火和回火后硬度高，綜合性能好。在國外，諸如大眾汽車，歐寶汽車等知名汽車廠家，這種裝配型凸輪軸得到了廣泛的應(yīng)用，由于低合金無縫鋼管的使用，使得凸輪軸整體的結(jié)構(gòu)重量得到降低，并且具有良好的焊接性能，材料利用設(shè)計(jì)合理并且具有比普通碳素鋼更低的冷脆臨界溫度，適用于北方高寒地區(qū)。但是其機(jī)械加工工藝較為復(fù)雜，需要高精度的機(jī)床以便適應(yīng)加工需要。
裝配凸輪軸的應(yīng)用范圍為使用于相對并非很大負(fù)載的發(fā)動(dòng)機(jī)，其重量輕于整體式的鑄鐵凸輪軸，而且相對于鑄鐵材料，組合式的凸輪軸更耐磨。但是其價(jià)格通常高于鑄鐵凸輪軸15%。
2.凸輪軸的尺寸
凸輪軸的長度也根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)型號的不同有一個(gè)較大的變動(dòng)范圍，在機(jī)械設(shè)備的選取上，不同的加工制造商都由各自的產(chǎn)品型號定義，而基本的定義參數(shù)取決于在磨床上可以裝夾工件的長度以及磨削長度。以下給出凸輪軸尺寸范圍基本定義。
(1)小型凸輪軸通常指發(fā)動(dòng)機(jī)噴油泵中采用的小型凸輪軸，最大長度在150～200mm。
(2)中型凸輪軸通常指普通乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)中的進(jìn)氣排氣凸輪軸，最大長度在500～600mm。例如國產(chǎn)雪鐵龍乘用車4缸發(fā)動(dòng)機(jī)系列凸輪軸，凸輪軸長度在390mm左右，而其另一品牌4缸發(fā)動(dòng)機(jī)使用的凸輪軸，其長度在424～434mm。而位于重慶一家汽車零部件配套加工廠為柳州五菱和長安汽車提供的4缸發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸，即便采用了每組兩進(jìn)一排凸輪的結(jié)構(gòu)，其凸輪軸長度也控制在411mm。
針對目前國產(chǎn)以及合資生產(chǎn)的轎車行業(yè)，轎車需求量日益增大，中型凸輪軸加工數(shù)量多、批量大，目前已經(jīng)成為制造生產(chǎn)企業(yè)加工的主要目標(biāo)。
(3)大型凸輪軸通常定義為重型貨車發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)氣排氣凸輪軸，也可以包括內(nèi)燃機(jī)用凸輪軸以及大型船用柴油機(jī)內(nèi)使用的凸輪軸。其最大長度可以達(dá)到1.6m～1.8m，比較典型的大型凸輪軸，例如國外知名的顏巴赫集團(tuán)生產(chǎn)的內(nèi)燃機(jī)中的凸輪軸，其長度有880mm以及1.29m左右。而戴姆勒克萊斯勒重型貨車以及德國歐曼汽車的凸輪軸其長度通常在1m左右。而在船舶制造領(lǐng)域，柴油機(jī)凸輪軸的長度最小也在1.3m左右。
目前，隨著中國政府對于基礎(chǔ)設(shè)施以及能源工業(yè)的投入，對于大型柴油機(jī)自主加工零部件的需求也逐漸增大。
3.凸輪的型面狀態(tài)
除上述凸輪軸的尺寸結(jié)構(gòu)外，凸輪的型面的設(shè)計(jì)也影響著凸輪軸的加工工藝，以及磨削方案的設(shè)計(jì)，主要的凸輪形式劃分如下:
(1)圓柱形凸輪凸輪兩側(cè)帶有倒角或者凸輪兩側(cè)不帶倒角，此種凸輪型面在汽車制造廠中最為普遍，例如武漢神龍汽車有限公司作開發(fā)的乘用車4缸發(fā)動(dòng)機(jī)TU5JP4系列凸輪軸和EW系列凸輪軸都是屬于圓柱形凸輪，而且凸輪的兩側(cè)并無倒角。
(2)異型表面凸輪包含凸輪兩側(cè)或者一側(cè)帶有凹心;凸輪一側(cè)帶有切線輪廓;橢圓形和其他多邊形等異型表面。比如東風(fēng)康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司某品牌4缸/6缸發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)4B以及6B系列凸輪軸，凸輪兩側(cè)型線帶有微小凹心。而且在凸輪的縱向截面上凸輪帶有凸起，且兩側(cè)也有臺(tái)肩。而德國MAN公司的重卡凸輪軸，在凸輪的設(shè)計(jì)上則是單邊具有凹心結(jié)構(gòu)。大眾公司等項(xiàng)目凸輪軸也采用帶有凹心的凸輪軸，不但可以減少油耗，而且可以采用滾子→杠桿閥→驅(qū)動(dòng)技術(shù)。
二、凸輪軸磨削工藝
1.傳統(tǒng)凸輪軸磨削工藝
傳統(tǒng)的凸輪軸磨削工藝即采用剛玉砂輪磨削凸輪軸，對于凸輪型面采用靠模的完成表面的磨削加工，該磨削加工方法的磨削線速度通常在50m/s左右。該種加工方式的特點(diǎn)如下:
(1)砂輪磨料針對凸輪軸材料的特點(diǎn)(目前多采用鑄鐵或者鋼制)，傳統(tǒng)的磨削工藝上通常使用剛玉砂輪即可以完成凸輪軸的磨削加工。使用較多的剛玉材料包括白剛玉、鉻剛玉(又為玫瑰色剛玉)、棕剛玉。上述三種剛玉材料實(shí)際上已經(jīng)可以滿足目前基本所有材料的機(jī)械加工。而對于高合金鋼等含釩而且硬度較高的材料，采用單晶剛玉即可以滿足其高標(biāo)準(zhǔn)的形狀和尺寸精度加工要求。
(2)凸輪型面磨削傳統(tǒng)的液壓磨床上較多采用仿形磨削的方式。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)商通常針對其發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)其凸輪型線表，對凸輪的基圓，升降程輪廓以及凸輪底部最高部分的輪廓按照分度列出具體的型面數(shù)據(jù)。在仿形磨削過程中，首先按照加工的型線表繪制最終加工成品的仿形樣板或者仿形工件，加工過程中仿形刀架上的觸頭沿著樣板輪廓作仿形運(yùn)動(dòng)，通過液壓缸或者其他傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)刀架作X軸方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而加工出凸輪的表面型面。
(3)凸輪軸頸磨削采用剛玉砂輪進(jìn)行外圓磨削，有兩種方式，在產(chǎn)量低，品種多的情況下可以使用單片砂輪逐次磨削主軸頸;而針對產(chǎn)量大、品種少的情況，可以采用多砂輪磨床，一次磨削所有的主軸頸。
對于采用傳統(tǒng)剛玉仿形方式磨削凸輪軸的方式，優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)分析如附表所列:
2.CBN砂輪磨削凸輪軸工藝
自從1969年通用電氣將CBN(立方氮化硼)這一名詞作為高硬度磨削材料開發(fā)的革命性成果引入市場，CBN磨料的使用也推動(dòng)了磨削工藝的開發(fā)以及相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)。
(1)CBN磨料CBN磨料是借助于高壓高溫技術(shù)合成的超硬材料，其硬度(約4700N/mm2)可達(dá)到金剛石硬度(大約7000N/mm2)的一半以上，其硬度同時(shí)也接近碳化硅材料的兩倍(碳化硅磨粒的硬度為2500～2700N/mm2)。隨著材料的研究和開發(fā)，多晶體立方氮化硼的面世也解決了早期單晶體碳化硅材料磨粒易碎脫落的問題，并且具有了很好的切削性能和使用壽命。立方氮化硼材料既可以應(yīng)用于加工硬度相對不高，但是韌性高的金屬材料，其硬度在50HRC以上;也可以應(yīng)用于硬度很高的含碳合金，例如工具鋼、特種鋼和高速鋼。
由于剛玉砂輪在磨削過程中磨粒脫落和消耗量大，更換安裝調(diào)試時(shí)間長，以及停機(jī)維護(hù)時(shí)間長這些問題的出現(xiàn)，因此，當(dāng)今在大批量生產(chǎn)中剛玉砂輪磨削方式已經(jīng)逐漸被CBN砂輪磨削工藝所取代。尤其是針對諸如汽車行業(yè)中的產(chǎn)品系列化，批量大，而且重復(fù)生產(chǎn)性較高的產(chǎn)業(yè)，CBN砂輪的優(yōu)勢日益明顯。在國內(nèi)的汽車制造廠家中，也逐漸形成選用CBN砂輪磨削技術(shù)來進(jìn)行關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的制造和加工，其加工效率和切削性能得到了汽車制造廠家的一至認(rèn)可。
(2)CBN磨床采用CBN磨床針對凸輪軸磨削，各個(gè)磨床廠家對于砂輪主軸驅(qū)動(dòng)的配置基本上采用三相電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。對于汽車行業(yè)的凸輪軸加工磨床而言，其砂輪主軸的轉(zhuǎn)速均可達(dá)到7000～8000r/min，即便各個(gè)廠家所選用的砂輪直徑有所不同，可以獲得的砂輪圓周表面最大線速度也可以達(dá)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圓磨削加工中降低表面粗糙度值。
控制系統(tǒng)的選用方面，歐美廠家通常使用FANUC或者SIEMENS系統(tǒng)，而亞洲的磨床廠家也會(huì)有自行開發(fā)的控制系統(tǒng)。各機(jī)床廠家在對控制系統(tǒng)的選用和二次開發(fā)上也是各自利用了其軟件平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，針對工件的型廓開發(fā)了"面向工件的編程軟件系統(tǒng)"，但從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和軟件的功能性方面評價(jià)，SIEMENS840D和FANUC12i的控制軟件平臺(tái)在CBN磨床程序開發(fā)領(lǐng)域具有非常好的口碑。
(3)凸輪軸磨削(CBN磨床)如上所述，凸輪軸的型廓可以分成兩類表面:①軸頸磨削，即普通外圓表面磨削加工。②凸輪型面輪廓磨削，即異型輪廓表面磨削。而異型輪廓通常按照現(xiàn)場實(shí)際狀態(tài)又可以細(xì)分成為鼓型輪廓表面，帶凹心的輪廓表面。
對于軸頸的磨削，也就是普通外圓表面，采用CBN磨床進(jìn)行磨削加工時(shí)，由于表面磨削線速度較高，而且對于軸頸磨削也采用了在線直徑測量系統(tǒng)，磨削過程中，測量系統(tǒng)檢測反饋的數(shù)據(jù)可以對下一根凸輪軸軸頸的加工有修正作用，這樣可以所獲得的工件的圓度測量指標(biāo)會(huì)更好。
而對于異型表面的磨削，通常磨床廠家會(huì)按照客戶方所提供的升程表，對于磨削過程作模擬分析，而分析得到的參數(shù)可以對磨削過程中所設(shè)置的參數(shù)作指導(dǎo)，如磨削凸輪的進(jìn)給量、砂輪主軸的轉(zhuǎn)速，以及工件的轉(zhuǎn)速等參數(shù)。
針對鼓形輪廓的凸輪，磨削工藝設(shè)計(jì)就相對簡單，在不進(jìn)行大批量生產(chǎn)，而且不考慮加工時(shí)間節(jié)拍的前提下，采用單臺(tái)且僅僅具有單砂輪架和單砂輪主軸的磨床就可以完成所有鼓形凸輪型面輪廓的磨削。
對于帶有凹心的凸輪，各個(gè)廠家按照其設(shè)計(jì)方式的不同，可以分別采用兩臺(tái)磨床完成或者帶B軸回轉(zhuǎn)的砂輪架，以及肖特公司所提出的帶有液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的砂輪架模式在同一臺(tái)磨床上完成凸輪基圓輪廓和凹心表面的磨削。這樣設(shè)計(jì)的目的在于減少凸輪在不同機(jī)床上的搬運(yùn)時(shí)間;減少凸輪軸的再次定位和裝夾時(shí)間;在采用同一定位基準(zhǔn)和同一裝夾方式完成凸輪基圓和凹心磨削，從而獲得更好的表面加工精度和加工效率。
采用肖特公司專利的液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)砂輪架或者帶B軸回轉(zhuǎn)的的砂輪架，其設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)都是考慮到一次裝夾狀態(tài)下可獲得更高的加工精度。在這種設(shè)計(jì)思路下對于單個(gè)砂輪架上配置2個(gè)砂輪電主軸并且安裝2片砂輪，其直徑各有不同，分別為一大一小。在磨削過程中使用大砂輪完成凸輪型面大余量切入式粗磨，以求快速切除凸輪毛坯上的大部分余量，縮短工件加工的節(jié)拍時(shí)間，采用CBN砂輪粗切可實(shí)現(xiàn)半徑方向上最大5mm的切削余量;而采用小砂輪完成凸輪凹心表面的磨削以及整個(gè)表面的精磨，達(dá)到凸輪表面質(zhì)量要求，降低表面粗糙度值，精磨后可以達(dá)到Ra=0.4μm。
三、模塊化組合工藝
1.工藝方案
對于企業(yè)生產(chǎn)而言，工藝方案的布置通常是位于第一位，其次才是選擇機(jī)床。在凸輪軸精加工工藝路線的制定上，其工藝方案大致有下面兩種:
(1)凸輪軸軸頸粗磨→凸輪型面粗磨→凸輪軸軸頸精磨→凸輪型面精磨。
(2)凸輪軸軸頸粗磨→凸輪軸軸頸精磨→凸輪型面粗磨→凸輪型面精磨。
2.磨削元素及組合
各種工藝對應(yīng)的機(jī)床配置就各有不同，按照模塊化原理和設(shè)計(jì)方法，首先可以列出能夠用于外圓磨削和異型表面磨削的各種基本元素:
(1)外圓磨削①普通剛玉外圓磨床。②CBN外圓磨床。③無心磨床(CBN)。④無心磨床(剛玉)。
(2)凸輪磨削①剛玉磨床。②CBN磨床。
如果按照單機(jī)工藝排序，可以分別列出8種排列，但值得注意的是，針對汽車行業(yè)大批量生產(chǎn)，尤其是凸輪型面磨削，剛玉磨床由于其砂輪的易耗性，其市場占有量已經(jīng)逐漸減少，目前95%以上的凸輪軸生產(chǎn)廠家都認(rèn)同了CBN磨料的優(yōu)點(diǎn)。那么進(jìn)行單機(jī)工藝路線編排可以選擇的機(jī)床有三種:即外圓磨削中的CBN外圓磨床、無心磨床和凸輪磨削中的CBN磨床。
而無心磨床雖然從價(jià)格上比CBN外圓磨床價(jià)格低，但是涉及加工品種變化的前提，就必須要對于砂輪和導(dǎo)輪作工裝更換，而且無心磨床加工凸輪軸軸頸，軸頸對于兩端要求的端面圓跳動(dòng)精度(一般為0.02mm)的保證存在困難，所以即便采用無心磨床(剛玉)作軸頸的磨削，一般也僅僅將其用作粗磨軸頸，而軸頸的精磨則采用CBN外圓磨床而實(shí)現(xiàn)，而這種選擇也僅僅是在投資方資金有限的前提在作為備選考慮，但其最大的問題就是柔性不足，適應(yīng)性不強(qiáng)。而如選用無心磨床(CBN磨料)來做軸頸的磨削，就遠(yuǎn)不如CBN外圓磨床經(jīng)濟(jì)，也不如CBN外圓磨床靈活性強(qiáng)。
最后，作為各個(gè)工藝元素的組合，同樣也可以考慮在同一機(jī)床平臺(tái)上完成上述外圓磨削和凸輪磨削方案。最簡單的考慮就是增加動(dòng)力部件砂輪主軸。通過在同一臺(tái)機(jī)床上對于砂輪主軸的配置，以及砂輪形式配置，就可以將上述工藝要素集成在同一平臺(tái)，從而達(dá)到減少機(jī)床數(shù)量、減少搬運(yùn)、減少定位裝夾，提高生產(chǎn)效率，縮短加工節(jié)拍的目的。該種組合的最佳實(shí)施方法即設(shè)置雙砂輪架，每個(gè)砂輪架上配置多個(gè)砂輪，實(shí)現(xiàn)雙砂輪同步磨削軸頸和同步磨削凸輪型面。而且也可將有技術(shù)要求的軸肩表面的加工也集成到單臺(tái)機(jī)床工藝中。
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