一（yī）、凸輪軸加工材料以及外形

      凸輪軸作為汽車發動機上配氣（qì）機構的重要組成（chéng）零件，用於控製發動機缸體上氣門閥杆的開合。不同形式的凸輪軸的應用和區分通常在發動機的設計（jì）開發（fā）階段都已經確定。

      目前，國內的各大汽車生產廠家以及汽車零配件供應廠家已從由國（guó）外直接進口逐漸轉變成（chéng）采購（gòu）國外進口設備（bèi），在本土實現生產。由於凸輪輪廓（kuò）屬於異型（xíng）曲麵，所（suǒ）以加工工藝和方（fāng）案也（yě）較為複雜，尤其是凸輪表麵的加工質量和型線誤（wù）差，直接決定了凸輪軸在發動機進氣（qì）和排氣（qì）工作循環中是否會產生（shēng）進氣（qì）閥和（hé）凸輪，排氣閥和凸輪之間的衝擊和振動（dòng），影響汽車發動機在工作中的平穩性。

      鑒於以上因素，對於凸輪軸材料的選擇也具有（yǒu）多樣性，適應（yīng）於機械加工領域的凸輪軸按照（zhào）材料和結構形式可以如下分類:

      1.凸輪軸的材料與結構（gòu）

      (1)鑄鐵凸輪軸通常采用（yòng）球（qiú）墨鑄鐵，典型的應用比如東風發（fā）動機某品牌4缸/6缸發動機內均采用冷激球（qiú）墨鑄鐵為4B以及6B係列凸輪軸製成（chéng）凸輪毛坯件，其硬（yìng）度≥50HRC;國產標誌某一品牌（pái）4缸發動機凸輪軸，按照PSAB511110(法國標致雪鐵龍公（gōng）司內部標準)選用鑄鐵GLA1，含碳量在3.2%～3.7%，對於該鑄鐵材（cái）料表麵進行360°全方位冷激澆鑄（zhù）處理（lǐ）後（hòu），要（yào）求凸輪桃尖部分表麵冷激硬化層厚（hòu）度達到16mm，硬度≥50HRC，其他部分表麵冷激硬化層的厚度也應達到8mm，硬度187～235HBW。而國產柴（chái）動力6缸柴油機內凸輪軸，采（cǎi）用（yòng）國產QT600-3球墨（mò）鑄鐵（tiě），通（tōng）過整（zhěng）體正（zhèng）火使得其鑄造狀態下基（jī）體的混合組織變成（chéng）珠（zhū）光體（tǐ）基體，從而提高其強度和耐磨性能，其基體正（zhèng）火後硬度可以達（dá）到229～302HBW，而凸輪型麵和主軸頸（jǐng）進行高頻淬火使得其表麵硬度達到45HRC，這（zhè）是一種較典型的國產鑄鐵凸輪軸（zhóu）熱加工工（gōng）藝。鑄鐵（tiě）凸輪軸的適用範圍為承（chéng）受較小負載的發動（dòng）機，通常使用於輕型轎車領域（yù），而且其製（zhì）造加工成本（běn）低於（yú）鍛鋼凸輪軸。鑄鐵凸輪軸可滿（mǎn）足機械負載的情況下優先使用鑄（zhù）鐵凸輪軸（zhóu）。其重量輕（qīng）於鍛鋼（gāng）材料。

      (2)鍛鋼凸（tū）輪軸國內常用合金滲碳鋼或（huò）者合金調質鋼，部分表麵淬火，或者感應淬（cuì）火。例如15Cr、20Cr、20Mn2或者20鋼，對於其支撐主軸頸進行滲碳淬火，或者碳氮共滲淬火，硬化層深度為0.8～1.5mm，表麵硬（yìng）度可達到58～63HRC;同（tóng）樣也可以采用低合金調質鋼，如45Mn2或者45鋼，除（chú）了基（jī）體作調質或者正火處理，對於主軸頸和（hé）凸輪型麵同樣需（xū）要進（jìn）行表麵淬火，淬硬深度在1.5～6mm，這樣表（biǎo）麵硬度可以達到（dào）58～63HRC;國外（wài）在鋼製凸輪的應用情（qíng）況如馬勒氣門傳動鏈公司采用的德國牌號合金結構鋼100Cr6，並且鑄造成為空心結構以減輕其重量。

      鍛鋼凸（tū）輪軸的使用前提是如果鑄造（zào）凸輪軸無法承受零件的機（jī）械載（zǎi）荷要求。而且，在（zài）重型貨（huò）車柴油機凸輪軸的材料選用上通常采用鍛鋼（gāng）凸輪軸。

      (3)裝配凸輪軸也就是凸輪軸杆與一組硬質合金凸輪組裝，或者是凸（tū）輪軸和（hé）一組淬火凸輪組裝。典型的應用如一汽大眾公司某乘（chéng）用車品牌4缸發動機所用凸（tū）輪軸，按照德國大眾公司的設計采用組（zǔ）合（hé）結構，凸輪軸軸（zhóu）杆采用DINEN10305－2列出的E355+C低合金無縫鋼管，相當於國內鋼號的Q345(GB/T1591－1994);而且采用粉末冶金燒結正時（shí）端，小頭端采用易切結構鋼（gāng）44Mn28製成（chéng），而8個凸輪則是采用德國合金結構鋼100Cr6，相當於國內的45Cr，或者GCr15，其（qí）耐磨（mó）性和接觸（chù）疲勞強度高，淬火和回火後硬度高，綜合性能好。在國外，諸如（rú）大眾汽車，歐寶汽車等知名汽車廠家，這種裝配（pèi）型凸（tū）輪（lún）軸得到（dào）了廣泛的應（yīng）用，由於（yú）低合金無縫鋼管的使用，使得凸輪軸整體的結構重量得到降低，並且具有良好的焊接性能，材料利用設計合理（lǐ）並且（qiě）具（jù）有比普通碳素鋼更低的冷脆臨界溫度，適用於（yú）北（běi）方高寒地區。但是其機械加工工藝較為複雜，需要高精度的機床以便適應加工需要（yào）。

      裝配凸輪軸的（de）應用範圍為使用於（yú）相對並（bìng）非很大（dà）負載的發動機，其（qí）重量輕於整（zhěng）體式的鑄鐵凸輪軸，而且相對於鑄鐵材料，組合式的凸（tū）輪軸更（gèng）耐磨。但（dàn）是其價格通常高（gāo）於鑄鐵凸（tū）輪軸15%。

      2.凸輪軸的尺（chǐ）寸

      凸輪軸的長度也根據發動機型號的不同有一個較大的變（biàn）動範圍，在機械設備的選取上，不同（tóng）的加工製造商都由各自（zì）的產品型號定義，而（ér）基本的定（dìng）義參數取決於在磨床上可以裝夾工件的長度以（yǐ）及磨削長度。以（yǐ）下給出凸輪軸尺寸（cùn）範圍基本定義。

      (1)小型凸輪軸通常指發動（dòng）機噴油泵中采（cǎi）用（yòng）的小型凸輪軸，最大長度在150～200mm。

      (2)中型凸輪軸（zhóu）通常指普通（tōng）乘用（yòng）車發動機中的進氣排氣凸輪軸，最大長度在500～600mm。例如國產雪（xuě）鐵龍乘用車4缸發動機係列凸輪軸，凸輪軸長度（dù）在390mm左右，而其另一品牌4缸發動機使用的凸輪軸，其長度在424～434mm。而位於重慶一家汽車零部件配套加工廠為柳州（zhōu）五菱和長安汽車提供的4缸發動（dòng）機凸輪軸，即便采用了每組兩進一排凸輪的（de）結構，其凸輪軸長度也控製在411mm。

      針對目前國產以及（jí）合資生產的轎車行業，轎（jiào）車需求量日益增大（dà），中型凸輪軸加工數量多、批量大，目前已經成為製造生產企業（yè）加工的主要目標。

      (3)大型凸輪軸通常定義為重型貨車發動機中進氣排氣（qì）凸輪軸，也可以包括內燃機用凸（tū）輪軸以及大型船用柴油機內使用（yòng）的凸輪軸（zhóu）。其最大長度可以達（dá）到1.6m～1.8m，比較典型的大型（xíng）凸輪軸，例如國外（wài）知名的顏巴赫集團生產的內燃機中（zhōng）的凸輪軸，其長度有880mm以及1.29m左右。而戴姆勒（lè）克（kè）萊斯勒重型貨車以及德國（guó）歐（ōu）曼汽車的凸（tū）輪軸其長度通常在1m左右（yòu）。而在船舶製（zhì）造領域，柴油機凸輪軸（zhóu）的長度最小（xiǎo）也在1.3m左右。

      目前，隨著中國（guó）政府對於基礎設（shè）施以及能源（yuán）工業的投入（rù），對於大（dà）型（xíng）柴油（yóu）機自主加工零部件的需求也逐漸增大。

      3.凸輪的型麵狀態

      除上述凸輪軸的尺寸結構外，凸輪的型麵的設計也影響著凸輪軸的（de）加工工藝（yì），以及磨削方案的設計，主要的凸輪形式劃分如（rú）下:

      (1)圓柱形凸輪凸輪兩側帶有倒角（jiǎo）或者凸輪兩側不帶倒角，此（cǐ）種凸輪型麵在汽車製造廠中最為普遍，例如武漢神龍汽（qì）車有限（xiàn）公司作開發（fā）的乘用車4缸發動機TU5JP4係列凸輪軸和EW係列凸輪軸（zhóu）都是屬於圓柱形凸（tū）輪，而且凸（tū）輪的兩側並無倒角。

      (2)異型表麵凸輪包含凸輪兩（liǎng）側或者一側帶有凹心（xīn）;凸輪一側帶（dài）有切線輪廓;橢圓形和其（qí）他（tā）多邊形等異型表麵。比如（rú）東風康明斯發動（dòng）機有限公司某品牌4缸/6缸發動機內（nèi）4B以及6B係列凸（tū）輪軸，凸輪兩側型線帶有微小凹心。而且在凸輪的縱向截麵上凸（tū）輪帶（dài）有凸（tū）起，且兩側也（yě）有台肩。而德國MAN公司（sī）的（de）重卡凸輪軸（zhóu），在凸輪的設計上則是單邊具有凹心結構。大眾公司等項目凸輪軸也（yě）采用帶有凹（āo）心的凸輪軸，不但可以（yǐ）減少油耗，而且可以采用滾子→杠杆閥→驅動技術。

      二、凸輪（lún）軸磨削工藝

      1.傳統凸輪軸磨削工藝

      傳統的凸輪軸磨削工藝即采用剛玉砂輪磨削凸輪軸，對於（yú）凸輪型（xíng）麵采用靠模的（de）完成表（biǎo）麵的磨削（xuē）加工，該磨削加工方法的磨削線速度通常在50m/s左右。該（gāi）種加工（gōng）方式的特點如下:

      (1)砂輪磨（mó）料針對凸輪軸（zhóu）材料（liào）的特點(目前多采用鑄鐵（tiě）或者鋼製)，傳統的磨削工藝上通（tōng）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（yòu）為玫瑰色剛玉)、棕剛玉。上述三（sān）種剛玉材料實際上已經可以滿足目前基本所有材（cái）料的機械加（jiā）工。而對於高合金鋼（gāng）等含釩（fán）而且硬度較高的（de）材料，采用單晶（jīng）剛玉即可以滿足其高（gāo）標準的形狀和尺寸精度加工要求（qiú）。

      (2)凸輪型麵磨（mó）削傳（chuán）統（tǒng）的（de）液壓磨床上較多采用仿形磨削的方式。汽車發動機（jī）的開發商通常針對其發動機進排氣的（de）結構形式設計其凸輪型線表（biǎo），對凸（tū）輪的基圓，升降程（chéng）輪廓以及凸輪底部最高部分的輪廓按照（zhào）分（fèn）度列出具體的型麵數據。在（zài）仿形磨（mó）削過程中，首先按照加工的（de）型線表繪製最終加工成品的仿形樣（yàng）板或者仿形工件，加工過程中仿形刀（dāo）架上的觸頭（tóu）沿（yán）著（zhe）樣板輪（lún）廓作仿形運動，通過液壓缸或者其（qí）他傳動係統帶動刀架作X軸方向的進給運動，從（cóng）而加工（gōng）出凸（tū）輪的表麵型（xíng）麵。

      (3)凸輪軸頸磨削采用剛（gāng）玉砂輪進行外圓磨削，有兩種方式，在產量低，品種多的情況下可以使用單（dān）片砂輪逐次磨削主軸頸;而針對產量大、品種少（shǎo）的情況，可（kě）以采用多砂輪磨床，一次磨削所有的主軸頸（jǐng）。

      對於采用傳統剛玉仿形方式磨削凸輪（lún）軸的方（fāng）式（shì），優點和缺點分析（xī）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的革命性成（chéng）果引入市場，CBN磨料的使用也推動了磨削工藝的（de）開發以及相關設備的設（shè）計。

      (1)CBN磨料CBN磨料是借助於高壓高溫技術合成的超硬材料，其（qí）硬度（dù）(約4700N/mm2)可達到金剛石硬度(大約7000N/mm2)的一（yī）半以上，其硬度同時也接近碳化矽材料的兩倍(碳化矽（guī）磨（mó）粒的硬度（dù）為2500～2700N/mm2)。隨著材料的研究和開發，多晶體立方氮化硼的麵世也解決了早（zǎo）期單晶體碳化矽材料磨粒易碎脫落的問題，並且具有了很好的（de）切削性能和使用壽命。立方氮化硼（péng）材料既可以應用於加工硬度相對不高，但是韌性高的（de）金屬材料，其硬度（dù）在50HRC以（yǐ）上（shàng）;也可（kě）以應用於硬（yìng）度很高的含碳合金，例如工具鋼、特種鋼和（hé）高速鋼。

      由於剛玉砂輪在磨（mó）削過程中磨粒脫落和消耗量大，更換安裝調試時間長，以及停機維護時間長這些問題的（de）出現，因此，當今在（zài）大批量生產中剛玉砂輪磨削方式已經逐漸被CBN砂輪磨削工藝所取代。尤其（qí）是針對（duì）諸如（rú）汽車行業中的產品係列化，批量大，而且重複生產性較高的產業，CBN砂輪的優勢日益明顯。在國內（nèi）的汽車製造廠家中，也逐漸（jiàn）形成選用CBN砂輪磨削技術來進行關鍵發動機零部件的製造（zào）和加工，其加工效率和切削性（xìng）能得到了汽車製造廠家（jiā）的一至認可。

      (2)CBN磨床采用CBN磨床針對凸（tū）輪軸磨削，各個磨床廠家對於（yú）砂輪主軸驅動的配置基本上（shàng）采用三相電（diàn）動機直接驅動。對於汽車行業的凸輪（lún）軸加工磨（mó）床而言，其砂輪主軸的轉（zhuǎn）速均可達到7000～8000r/min，即便各個廠（chǎng）家所選用的砂（shā）輪直徑有所不（bú）同，可以獲得的砂輪圓周表麵最大（dà）線速度（dù）也可以達到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（gōng）中降低表麵（miàn）粗糙度值。

      控製係統的選用方麵，歐美廠家通常使用FANUC或者SIEMENS係統，而亞洲的磨床廠家也（yě）會有自（zì）行開發的控製係統。各機（jī）床廠家在對控製係統的選用和二次開發（fā）上也是各自利用了其軟件平台的（de）優點，針對（duì）工件的型廓（kuò）開發了"麵向工件的編程軟件（jiàn）係統"，但從係統的（de）穩定性和軟件的功能性方麵評價，SIEMENS840D和FANUC12i的控製軟件平台在CBN磨床（chuáng）程序開發領（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（kě）以分成兩類（lèi）表麵（miàn）:①軸（zhóu）頸磨削，即（jí）普通外圓表麵磨削加工。②凸輪型麵輪廓磨削，即異型輪廓表麵磨削。而異型輪廓通常按（àn）照現場實際狀態又可以細分成為鼓型輪廓表麵，帶凹心的輪廓表麵。

      對於軸頸的磨削，也就是普通外圓表麵，采用CBN磨床進行（háng）磨削加工時，由於表（biǎo）麵磨（mó）削線速度較高，而且對於軸頸磨削也采用了在（zài）線直徑測量係統，磨削過程中，測量係統（tǒng）檢測反饋的數據可以（yǐ）對下一根凸輪軸軸頸的加工有修正（zhèng）作用，這樣可以所獲得的工件的圓度測（cè）量指標會更好。

      而對於異型（xíng）表麵的磨削，通常（cháng）磨床廠家會按照客戶方所提供的（de）升程表，對於磨削過程（chéng）作（zuò）模擬分（fèn）析，而分析得到的參（cān）數可（kě）以對磨（mó）削過程中所設置的參數作指導，如磨削凸輪的進給量、砂輪主軸的轉速，以（yǐ）及工（gōng）件的轉速（sù）等參數。

      針對鼓形輪廓的凸輪，磨削工藝設（shè）計就相對簡單，在不進行大批量生產（chǎn），而且不考慮加工時間節拍的前提下，采用單台且（qiě）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麵輪廓的磨削。

      對（duì）於（yú）帶有凹心的凸輪，各個廠家按照其設計方（fāng）式的不同，可以分別采用兩台（tái）磨床完成（chéng）或（huò）者帶（dài）B軸回轉的砂輪架，以及（jí）肖特公司所（suǒ）提（tí）出的帶有（yǒu）液壓翻轉（zhuǎn）機構的砂輪架模式在同一台磨床上完成凸輪（lún）基圓輪廓和凹心表麵的磨削（xuē）。這樣設計的目（mù）的在於減（jiǎn）少凸輪（lún）在不同機床上的搬運時間;減少凸輪軸的再次定位和裝夾時間;在采用同一定位基準和同一裝夾方式完成凸（tū）輪基圓和凹心磨（mó）削（xuē），從而獲得更好的表麵加工精度和加工效率。

      采用（yòng）肖特（tè）公司專利的液壓翻轉機構砂輪架或者帶B軸回轉的的砂（shā）輪架，其設計出發點（diǎn）都是考（kǎo）慮到一次裝夾狀（zhuàng）態下可獲得更高的加工精度。在（zài）這種設（shè）計思路下對於單個砂輪架上配置2個砂輪電主軸並（bìng）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（lún）完成凸輪型麵（miàn）大餘（yú）量切入式粗磨，以求快速切除凸輪毛坯上的大部分（fèn）餘量，縮短工件加工的節拍（pāi）時間，采用CBN砂輪粗切可實現半徑方向上最大5mm的（de）切削餘量;而采用小砂輪完（wán）成凸輪凹心表麵的磨削以及整個表麵的精（jīng）磨，達到凸輪表麵（miàn）質量要求，降低表麵粗糙度值，精磨後可以達到Ra=0.4μm。

      三、模塊化組合工藝

      1.工藝方案

      對於企業生產而言，工（gōng）藝方案的布置通常是位於（yú）第一位，其次才是選擇機床。在凸輪軸精加工工藝路線的製定上，其工藝方案大致有下麵兩種:

      (1)凸（tū）輪軸（zhóu）軸頸粗磨→凸輪型麵粗（cū）磨→凸輪軸軸頸精磨（mó）→凸輪型麵精磨。

      (2)凸輪軸（zhóu）軸頸粗磨→凸輪軸軸頸精磨→凸輪型麵粗磨→凸輪型麵精（jīng）磨。

      2.磨削（xuē）元素及組（zǔ）合

      各種工藝對應的機床配置就各有不同（tóng），按照模塊（kuài）化原理和設計方法，首先可（kě）以列出能夠用於（yú）外圓磨削和異型表麵磨削的各種基本元素（sù）:

      (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（yù）)。

      (2)凸輪磨削①剛玉磨床。②CBN磨床。

      如果按（àn）照單機工（gōng）藝排序，可以分別列出8種排列，但值得注意的是，針對汽車行業大批（pī）量生產，尤（yóu）其是凸輪型麵（miàn）磨削，剛（gāng）玉磨（mó）床由於其砂輪（lún）的易耗性，其市（shì）場占有量已經逐漸減少，目前95%以上的凸輪軸（zhóu）生產廠家都認同了CBN磨料的優點。那麽進行單（dān）機工藝路線編排可以選（xuǎn）擇的機床有三種:即外圓磨（mó）削中（zhōng）的CBN外圓磨床、無心磨床和凸輪磨削中的CBN磨床（chuáng）。

      而無心磨床雖然從價格上比CBN外圓磨床價格低，但（dàn）是涉及加（jiā）工品種變化的（de）前提，就必須要對（duì）於砂輪和導輪作工裝更換，而且無心磨床加工凸輪軸軸頸，軸頸對於兩端要求的端麵圓跳動精度(一般為0.02mm)的保證存在困難，所（suǒ）以即便采用無心磨床(剛玉)作軸頸的磨削，一般也僅（jǐn）僅將其用作粗磨（mó）軸頸，而軸頸的精磨則采用CBN外圓磨床而實（shí）現，而這種選擇也僅僅是在（zài）投資方（fāng）資金有（yǒu）限的前提在（zài）作為備選考慮，但其最大的問題就是柔性不足，適（shì）應性不強。而如選用無心磨床(CBN磨料)來做軸頸的磨削，就遠不如CBN外（wài）圓磨床經濟，也不如CBN外圓磨床靈（líng）活性強。

      最後，作為各（gè）個工藝元素的組合，同樣也可以考慮在同一機床平台上完成上述外（wài）圓磨削和凸輪磨（mó）削方案。最簡單的考慮（lǜ）就是增加動力部件砂輪主軸。通過在同一台機床上對於砂輪主軸（zhóu）的配置，以及砂（shā）輪形式配置，就可以（yǐ）將上述工藝要素（sù）集成（chéng）在同一平台，從而達到減少機床數量（liàng）、減少搬運、減少定位裝夾，提高生產效率，縮短加工節拍（pāi）的目的。該種組合的最佳（jiā）實施方法即設置雙砂輪架，每（měi）個砂輪架上配置多個砂輪，實現雙砂輪同步磨（mó）削軸頸和（hé）同步磨削凸輪型麵。而且（qiě）也可將有技術要求的軸（zhóu）肩表麵（miàn）的加（jiā）工也集成到單台機床工（gōng）藝中。