內(nèi)高壓成形技術(shù)在汽車配氣凸輪軸加工中的應(yīng)用研究

劉勁松 聶鳳明 康 戰(zhàn) 張廣平

(長春設(shè)備工藝研究所超精密加工技術(shù)研究室,吉林 長春 130012)

發(fā)動機(jī)功率密度的提高,要求配氣凸輪軸的轉(zhuǎn)速也要相應(yīng)提高,這就要求配氣凸輪軸不僅要質(zhì)量輕、潤滑良好,而且耐磨性要好。因此,配氣凸輪軸的結(jié)構(gòu)有所改進(jìn),采用耐磨金屬和加工性能良好的金屬組合、中孔通油潤滑的凸輪軸結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)中。這種結(jié)構(gòu)可以使配氣凸輪軸桃形部分應(yīng)用耐磨性能更好的合金材料,可以使?jié)櫥吐犯雍喗?、緊湊,提高配氣凸輪軸的耐磨性能。發(fā)動機(jī)空心凸輪軸傳統(tǒng)制造工藝是采用圓鋼棒料、鍛造毛坯或鑄造毛坯,其加工工序?yàn)?實(shí)心毛坯→車削外形→鉆中心孔→粗磨→精磨。對于鑄造凸輪軸,由于鑄造組織性能不均勻,使細(xì)長中心孔鉆削更加困難,經(jīng)常發(fā)生鉆偏或鉆頭卡斷現(xiàn)象,耗費(fèi)機(jī)加工時(shí)間,效率低,成本高。高壓脹緊組裝成型技術(shù),是將整體制造工藝復(fù)雜的凸輪軸分解為凸輪單元和鋼管,然后再通過精確控制高壓液體脹接的方式組合為整體,裝配效率高、易于控制、適合批量生產(chǎn)。既解決了鉆孔難題,又為引入液體脹接提供通道,同時(shí)作為凸輪軸潤滑油油路,使整個(gè)潤滑過程變得流暢、高效。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

1.1 國外技術(shù)發(fā)展水平

國外高強(qiáng)度復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形、組裝成型技術(shù)、高效特種加工技術(shù)以及薄壁件精密加工技術(shù)等廣泛應(yīng)用于軍用和民用車輛制造領(lǐng)域,提高了車輛的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和性能,同時(shí)大大減小車體的重量。

在薄壁異形管的加工中,國外大多采用內(nèi)高壓成型技術(shù)加工,一次成形,加工效率高,一致性好。發(fā)達(dá)國家把空腔車體結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)成薄壁空腹復(fù)雜結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到了設(shè)計(jì)的安全性要求,同時(shí)減輕了車體的重量、減小了材料的浪費(fèi)。目前,發(fā)達(dá)國家的車體結(jié)構(gòu)基本上沒有采用等截面的簡單構(gòu)造。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)組裝成型技術(shù)領(lǐng)域,美國福特(Ford)、通用(GM)、克萊斯勒(Chrysler),法國雷諾(Renault),德國大眾(VW),意大利菲亞特(Fiat)等汽車公司的發(fā)動機(jī)均采用了薄壁空腹復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和組合式空心凸輪軸。組合式空心凸輪軸制造技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三代。第一代熱裝法,裝配間隙要求嚴(yán)格,鋼管和凸輪內(nèi)孔需要精確加工,效率低,10 min左右裝配一根,相位角控制困難,扭矩可靠性差。還有一種膠粘法也有同樣的問題。圖1所示為英國 Ball Burnishing Machine Tools公司開發(fā)制造的此類凸輪軸。第二代鋼珠擠脹法,凸輪內(nèi)孔加工出鍵槽或不加工鍵槽,鋼珠通過鋼管內(nèi)擠壓鋼管形成連接。該方法工藝復(fù)雜,設(shè)備昂貴。圖2所示為美國Torrington公司采用該方法制造的,供應(yīng)北美和歐洲轎車、輕型卡車內(nèi)燃機(jī)的組合式空心凸輪軸。目前國際上的凸輪軸裝配方法大多停留在鋼珠擠脹法。第三代為高壓脹緊組裝技術(shù),是近年來新開發(fā)的一項(xiàng)新興技術(shù),現(xiàn)已用于Audi V6－2.5TDI等發(fā)動機(jī)凸輪軸制造,見圖3。該凸輪軸為德國開姆尼茨大學(xué)參與研發(fā),采用軸承鋼管材切割,成形出凸輪,然后淬火,再通過管材內(nèi)部高壓液體進(jìn)行脹緊組裝。

國外凸輪軸高壓脹裝技術(shù)的發(fā)展方向,一是采用粉末冶金和復(fù)合材料凸輪單元,提高凸輪制造精度和凸輪的耐磨性,減小裝配后的精磨量;二是采用鋁合金軸管,進(jìn)一步降低凸輪軸的重量。凸輪軸高壓脹緊組裝成型技術(shù)還在不斷發(fā)展并繼續(xù)擴(kuò)大應(yīng)用范圍,無疑將成為凸輪軸制造的主流技術(shù)。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)凸輪軸的加工主要沿用傳統(tǒng)的工藝方法,即采用圓鋼棒料車削出凸輪外形或整體鍛造加工技術(shù),凸輪軸內(nèi)孔采用鉆削工藝。上海通用配套廠引進(jìn)鍵連接裝配方法,重慶某廠用熱裝法為國外制造少量組合式空心凸輪軸。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)近年開展了凸輪軸脹裝技術(shù)的基礎(chǔ)理論和試驗(yàn)研究,對凸輪軸脹裝過程關(guān)鍵工藝參數(shù)優(yōu)化、模具設(shè)計(jì)技術(shù)等進(jìn)行了研究,并試制了汽車四缸微型發(fā)動機(jī)鑄鐵組合式空心凸輪軸(見圖4),所研制的凸輪軸樣件長330mm,軸管直徑18mm,可傳遞扭矩大于20 N·m,采用的壓力為180MPa。

總之,該項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)還剛剛起步,空心凸輪軸組裝成形技術(shù)在發(fā)動機(jī)凸輪軸生產(chǎn)方面得到初步應(yīng)用。

2 研究內(nèi)容和主要技術(shù)指標(biāo)

2.1 研究內(nèi)容

本專題針對汽車配氣凸輪軸進(jìn)行高壓脹緊組裝成型技術(shù)研究,滿足汽車輕量化對工藝技術(shù)的需求,主要研究內(nèi)容如下:

(1)凸輪軸高壓脹緊組裝成型技術(shù)。

(2)高壓密封技術(shù)。

2.2 主要技術(shù)指標(biāo)

配氣凸輪軸毛坯凸輪角向位置誤差小于±1°,軸向位置誤差小于±0.3mm,抗扭強(qiáng)度大于200 N·m。

3 實(shí)施方案、技術(shù)路線

3.1 實(shí)施方案

采用模具控制外形及凸輪單元定位,空心軸內(nèi)腔充入超高壓介質(zhì)使空心軸與凸輪單元緊密貼合,通過液壓伺服系統(tǒng),控制工件的徑向脹出和軸向收縮,避免空心軸發(fā)生脹裂。

凸輪軸高壓脹裝研究方案如圖5所示。通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬提出關(guān)鍵工藝參數(shù),預(yù)測不同工藝參數(shù)的脹裝效果,然后結(jié)合單元脹裝試驗(yàn)和扭矩測試,給出優(yōu)化的工藝參數(shù)和脹裝結(jié)構(gòu)尺寸,再有針對性地進(jìn)行凸輪軸整軸的高壓脹裝試驗(yàn)研究,從而減少試驗(yàn)量,縮短研制周期;將試制的凸輪軸進(jìn)行疲勞試驗(yàn),總結(jié)和完善脹裝工藝,給出典型脹裝凸輪軸的工藝規(guī)范。

3.2 技術(shù)路線

3.2.1 凸輪軸整軸內(nèi)高壓裝配模具設(shè)計(jì)

模具的精度、強(qiáng)度是保證脹接凸輪軸精度的關(guān)鍵因素,但是異形件內(nèi)力的作用將影響到形狀的彈性變形和以后的內(nèi)應(yīng)力的變形,所以通過理論計(jì)算、校核保證模具的強(qiáng)度;研究高壓油的加壓方式,確定加壓時(shí)間和壓力大小的關(guān)系,調(diào)整加壓速度,確定合理的工藝參數(shù)。

采用鑲塊式模具,便于加工、修整和調(diào)試。端部模塊進(jìn)行淬火處理,保證密封和承壓性能。凸輪約束模塊內(nèi)腔采用線切割獲得輪廓形狀,保證凸輪與模具的間隙。墊板采用導(dǎo)向槽控制所有模塊之間的同軸度。為便于脹接后凸輪軸取出,軸管定位模具和凸輪定位模具均采用分體結(jié)構(gòu),上下模之間采用導(dǎo)柱保證同軸,避免錯位。因模具超長,采用鑄造工藝制造了加長的上下底板,滿足閉合高度要求,承擔(dān)合模力(如圖6)。

3.2.2 配氣凸輪軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

凸輪軸高壓脹緊組裝成型技術(shù)基本工藝過程是將多個(gè)帶有內(nèi)孔的凸輪單元及其它元件套在鋼管上(見圖7),將高壓液體通過端部密封沖頭的中心孔引入管孔,通過一次增壓將各元件同時(shí)裝配連接在鋼管上。該過程需精確控制被脹接管材的合理塑性變形和凸輪必要的彈性變形,從而實(shí)現(xiàn)高效、可控的連接過程。

對于一定結(jié)構(gòu)的鍛造或鑄造凸輪軸,要采用脹裝技術(shù)制造,首先必須根據(jù)其使用要求和零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合式空心凸輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并對設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)采用有限元模擬進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度分析,確保新結(jié)構(gòu)能夠滿足汽車發(fā)動機(jī)的使用要求。

通過數(shù)值模擬預(yù)測凸輪軸脹裝過程中凸輪外形變化,并根據(jù)凸輪單元毛坯輪廓加工余量和凸輪單元與模具的間隙預(yù)測裝配后凸輪單元的最大相位角偏差,從而調(diào)節(jié)間隙和余量,達(dá)到控制相位角的目的。

所研制凸輪軸原為整體鍛造結(jié)構(gòu),如圖8所示,其軸頸部分直徑僅為φ32mm,總長度達(dá)1190mm;中心孔分為兩段,較長的一段直徑為φ19mm,長1090mm,較短的一段直徑φ13mm,長100mm,傳統(tǒng)工藝需要通過兩端鉆孔獲得該中心孔,其鉆削難度很大。

根據(jù)該凸輪軸的強(qiáng)度和剛度要求,將該凸輪軸設(shè)計(jì)為圖9所示的組合式空心凸輪軸。由12個(gè)凸輪單元、1個(gè)環(huán)形擋圈和鋼管組成,其中進(jìn)氣凸輪6件,排氣凸輪6件,第七軸頸擋圈1個(gè)。為了保證脹接工藝性,需脹接的擋圈由原結(jié)構(gòu)中的4mm加寬到10mm,為了保證第七軸頸的定位,最外端擋圈將由軸管局部鐓粗獲得,而不采用脹接。該凸輪軸危險(xiǎn)截面位于第七軸頸最外端擋圈的外側(cè),而此處結(jié)構(gòu)尺寸與原始鍛造凸輪軸結(jié)構(gòu)相同,其強(qiáng)度可滿足使用性能要求。

根據(jù)凸輪軸強(qiáng)度和機(jī)械加工要求,凸輪軸管材將采用45拉拔鋼管,正火處理。凸輪單元采用40Cr鋼加工出輪廓和內(nèi)孔,再進(jìn)行淬火后進(jìn)行脹接試驗(yàn)。

3.2.3 密封技術(shù)研究

對于裝配過程管端的高壓密封及壓力控制,通過單元脹裝實(shí)驗(yàn)進(jìn)行沖頭密封結(jié)構(gòu)研究,提出適合本項(xiàng)目凸輪軸的密封方法;采用高壓傳感器測量增壓器的壓力,并反饋給控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)脹裝壓力的控制。

4 組合式凸輪軸內(nèi)壓脹接工藝參數(shù)的理論計(jì)算

4.1 最佳脹接壓力確定

內(nèi)高壓脹接過程可以按圖10的簡化形式來描述。即:隨著內(nèi)壓的升高,可分為軸管變形階段(a到b)、軸管和凸輪同時(shí)變形階段(b到 c)、卸壓回彈階段(d)。

根據(jù)筒形件受內(nèi)壓的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),再考慮到軸管和凸輪之間存在初始間隙δ0,軸管與凸輪接觸時(shí)已發(fā)生形變強(qiáng)化,可以推導(dǎo)出各階段的應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)算方程。

可假定軸管為理想彈塑性線性強(qiáng)化材料,凸輪為理想彈塑性材料,并服從Mises屈服準(zhǔn)則,材料模型如圖11所示,脹接分析過程中忽略軸管和凸輪的軸向應(yīng)變,即設(shè)εz=0。可推導(dǎo)出使凸輪達(dá)到彈性極限的內(nèi)壓為

式中:peo為使凸輪達(dá)到彈性極限的內(nèi)壓(成形壓力);σsi為軸管材料屈服應(yīng)力;σso為套環(huán)材料屈服應(yīng)力;δ0為脹接前初始間隙;Eit為軸管材料塑性模量。ri、ro為軸管內(nèi)、外半徑;Ri、Ro為套環(huán)內(nèi)、外半徑。

進(jìn)而可推導(dǎo)出卸壓后軸管與凸輪間的殘余接觸壓力為

式中:pr為殘余接觸壓力;pi為軸管與套環(huán)接觸過程的內(nèi)壓力;Ki=ro/ri,Ko=Ro/Ri;c為與軸管和套環(huán)材料、幾何尺寸相關(guān)常數(shù)。

根據(jù)凸輪軸軸管和凸輪的尺寸及材料性能,計(jì)算得到凸輪軸脹接壓力為280MPa。

4.2 合模力計(jì)算

根據(jù)脹接凸輪軸軸管總長度1210mm、內(nèi)徑21mm、脹接壓力280MPa,可計(jì)算得到凸輪軸脹接時(shí)內(nèi)壓形成的豎直方向作用力為7110kN,考慮到管材可承受的作用力,脹接所需合模力在3800kN左右。

4.3 軸向推力計(jì)算

內(nèi)壓脹接過程軸管端部需要進(jìn)行密封,根據(jù)所需內(nèi)壓和軸管內(nèi)徑,以及密封結(jié)構(gòu)尺寸,可計(jì)算得到軸向推力約為360 kN。

5 脹裝凸輪軸整體成形試驗(yàn)研究

采用整軸脹接模具,進(jìn)行了凸輪軸整體脹接成形初步實(shí)驗(yàn)。研究表明,所設(shè)計(jì)的模具能夠滿足該凸輪軸研制要求,達(dá)到了預(yù)期效果,軸管端部高壓密封可保證壓力提高到350MPa而不發(fā)生泄漏,壓力控制精度達(dá)1MPa。實(shí)際脹接該軸采用了330MPa的內(nèi)高壓壓力,確保了12個(gè)凸輪的高強(qiáng)度脹接。

經(jīng)過初步工藝試驗(yàn)后,針對發(fā)動機(jī)配氣凸輪軸的結(jié)構(gòu)、尺寸,共脹裝了4根用于裝機(jī)試驗(yàn)的試件(如圖12)。

表1 3#凸輪軸軸管直徑和凸輪外廓尺寸

對凸輪軸脹裝后的外形進(jìn)行了詳細(xì)的測量分析。以3#軸的測試結(jié)果為例,如表1所示,可見12個(gè)凸輪兩側(cè)軸管變形情況和凸輪輪廓尺寸。脹接前軸管直徑為31.98mm,脹接后軸管直徑變?yōu)?2.82～33.10mm,軸管與凸輪內(nèi)壁完全貼合,形成設(shè)計(jì)的接觸面形狀,因此可保證凸輪的抗扭性能。同時(shí),脹接后凸輪外廓長軸尺寸為54.42～54.78mm,凸輪短軸尺寸為41.34～41.5mm。由于模具設(shè)計(jì)時(shí)在精加工后的凸輪長軸52.7mm和短軸39mm基礎(chǔ)上加了單邊1.1mm的余量,說明脹接過程中凸輪外廓基本與模具貼合,即不會因凸輪與模具之間存在間隙導(dǎo)致凸輪相位角偏轉(zhuǎn),因此現(xiàn)有凸輪外廓加工余量足以保證凸輪軸的相位角要求。

對脹接后的凸輪軸進(jìn)行取樣測試抗扭強(qiáng)度,研究表明抗扭強(qiáng)度均可達(dá)到350 N·m以上,滿足配氣凸輪軸抗扭強(qiáng)度200 N·m的使用要求。

6 結(jié)語

與傳統(tǒng)的加工方法相比,利用內(nèi)高壓成形技術(shù)加工配氣凸輪軸主要有以下幾方面優(yōu)點(diǎn):

(1)凸輪單元脹接前事先加工了外形和內(nèi)孔,與鍛造凸輪軸相比可大大減少脹接后的磨削量,生產(chǎn)效率高、易于控制、適合批量生產(chǎn);

(2)內(nèi)高壓液力脹接技術(shù)將整體制造工藝復(fù)雜的凸輪軸零件,分解為制造工藝相對簡單的凸輪單元和軸,凸輪單元和軸分別采用耐磨材料和易加工材料,提高了凸輪軸的使用壽命,降低了加工難度;

(3)采用鋼管作為軸,既解決了鉆孔難題,又為引入液體脹接提供通道,同時(shí)作為凸輪軸潤滑油油路,使整個(gè)潤滑過程變得流暢、高效;

(4)凸輪單元與空心軸分體加工,可以分別控制凸輪與軸的加工精度,這樣不僅可以大幅度提高零件加工質(zhì)量,而且也擺脫了過去對整體凸輪軸同時(shí)加工在工藝方面的限制;

(5)凸輪軸脹接技術(shù)可以把凸輪單元用綜合機(jī)械性能高的貴重材料制成,然后再脹接在普通材料制成的空心軸上,這樣,不僅減輕了整體凸輪軸的重量,而且還節(jié)省了貴重材料,降低了制造成本,平均降低成本20%～40%;

總之,內(nèi)高壓成形技術(shù)在節(jié)約材料、結(jié)構(gòu)輕量化、加工難易度等方面具有其它加工方法無法比擬的優(yōu)越性。隨著汽車、航空、航天和機(jī)械行業(yè)對結(jié)構(gòu)整體性和輕量化的要求越來越高,近十年來,內(nèi)高壓成形技術(shù)得到了迅速發(fā)展,并繼續(xù)擴(kuò)大應(yīng)用范圍,內(nèi)高壓成形技術(shù)無疑將成為凸輪軸制造的主流技術(shù),具有廣闊的應(yīng)用前景。

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