凸輪軸磨削加工的發(fā)展趨勢

廖禮鵬++彭錦華

摘 要：本文介紹了凸輪軸及凸輪軸所使用材料，通過對比了傳統(tǒng)靠模磨加工凸輪軸與CNC8325型超高速凸輪軸復(fù)合磨床加工凸輪軸中的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了凸輪軸的高速、超高速磨削加工技術(shù)將成為凸輪軸磨削加工零件的主要制造工藝方法及國內(nèi)外的凸輪軸磨削加工的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：凸輪軸 高速 超高速 磨削加工

中圖分類號：TG580.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（a）-0119-02

作為內(nèi)燃機(jī)發(fā)動機(jī)的重要零件之一凸輪軸，它的產(chǎn)量大、使用面廣，其加工的精度、表面的質(zhì)量、燒傷的程度直接決定著發(fā)動機(jī)的工作質(zhì)量和效率。凸輪軸的高速、超高速磨削加工技術(shù)對進(jìn)一步提高凸輪軸加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，使其達(dá)到高精度、低成本、高效率和智能化，具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 凸輪軸

凸輪軸作為發(fā)動機(jī)里的關(guān)鍵部件之一。它所起到的作用是根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的工作順序、配氣正時(shí)和升程規(guī)律來驅(qū)動氣門及時(shí)開啟和關(guān)閉。

1.1 構(gòu)造

凸輪軸由以下部分組成：一根與氣缸組尺寸一樣的圓柱形棒體、若干組凸輪，通過驅(qū)動氣門及時(shí)開啟和關(guān)閉。

凸輪軸輪廓型面一般有基圓段1、緩沖端2、加（減）速度3（4）、頂端5等五部分組成，如圖1所示。

1.2 位置

凸輪軸的位置通常有3類：下置式、中置式、上置式。

下置式凸輪軸容易布置，同時(shí)缸蓋的結(jié)構(gòu)也相對比較簡單，但有時(shí)會破壞氣門的運(yùn)動規(guī)律和氣門的定時(shí)啟閉，所以只能用于轉(zhuǎn)速較低的內(nèi)燃機(jī)。中置式凸輪軸推桿相對較短，由于該機(jī)構(gòu)的凸輪軸相距較遠(yuǎn)，一般采用一對正時(shí)鏈輪或者一對正時(shí)齒帶輪傳動。凸輪軸上置式配氣機(jī)構(gòu)是現(xiàn)代轎車上最常見的一種結(jié)構(gòu)，簡稱為OHC（Over-head Camshaft）。凸輪軸安放在氣缸蓋上，可以通過搖臂驅(qū)動氣門工作。由于凸輪軸距離曲軸遠(yuǎn)，需要采用鏈條或者齒帶輪進(jìn)行遠(yuǎn)距離驅(qū)動力傳遞，優(yōu)點(diǎn)是配氣機(jī)構(gòu)氣門的傳動組部件是最少的，往復(fù)的運(yùn)動質(zhì)量也最小，同時(shí)慣性也最低，非常適宜在高速的內(nèi)燃機(jī)中使用，缺點(diǎn)是該機(jī)構(gòu)是氣缸蓋結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜。

1.3 分類

凸輪軸按照數(shù)量來分，可以分為單頂置凸輪軸、雙頂置凸輪軸。單頂置凸輪軸就是只有一根凸輪軸，雙頂置凸輪軸就是有兩根凸輪軸。

1.4 傳動

目前常用的傳動機(jī)構(gòu)有鏈條式傳動、齒輪式及齒形帶式傳動等。

2 凸輪軸材料

凸輪軸的加工材料有鑄鐵、鍛鋼、鑄鋼、硬質(zhì)合金等。

2.1 鑄鐵凸輪軸

常見的鑄鐵凸輪軸有球墨鑄鐵凸輪經(jīng)過淬硬和冷激鑄鐵。冷激鑄鐵：在灰鐵表面用激光或氬弧重熔硬化，其中冷激鑄鐵凸輪軸由于使用的是冷鐵，從而可使的鑄件各個部位得到實(shí)際所需的金相組織。一方面凸輪的桃尖部分表面冷激硬化層厚度可以達(dá)到16mm，同時(shí)洛氏硬度大于50HRC，另一方面其余部分表面冷激硬化層的厚度也可達(dá)到8mm，凸輪軸表面硬度可達(dá)HB 187～235，所以冷激鑄鐵凸輪軸在汽車發(fā)動機(jī)里面使用的較多。

2.2 鑄鋼凸輪軸

在氣缸壓力很高的情況下，凸輪上承受的赫茲擠壓力過大，當(dāng)突破了冷硬鑄件及燒結(jié)凸輪軸所能承受的極限值時(shí)，就必須使用鑄鋼凸輪軸。

2.3 鍛鋼凸輪軸

我國常用的鍛鋼凸輪軸有以下類型，合金滲透鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼，在使用中如15Cr、45Mn2；國外鋼制的凸輪應(yīng)用的有100Cr6。在應(yīng)用中將其鑄造成為空心構(gòu)造以減輕其質(zhì)量。一般情況下，用在超出鑄造凸輪軸工作時(shí)所能承受零件的機(jī)械載荷的時(shí)候，如用在重型卡車上。

2.4 硬質(zhì)合金凸輪軸

硬質(zhì)合金凸輪軸屬于裝備凸輪軸中的一種，通常由凸輪軸桿和一組硬質(zhì)合金凸輪通過組裝而成。特點(diǎn)是機(jī)械加工工藝復(fù)雜，加工所要求的機(jī)床精度要求高，應(yīng)用范圍為非重負(fù)載的發(fā)動機(jī)，價(jià)格比鑄鐵凸輪軸高出15%左右。

3 凸輪軸的高速磨削加工技術(shù)

高速、超高速磨削加工技術(shù)是機(jī)械制造的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。凸輪軸的高速磨削加工是指在砂輪線速度（60m/s

（1）大幅度提高磨削效率，減少設(shè)備使用臺數(shù)。已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在砂輪線速度為200m/s的超高速磨削加工狀態(tài)下，金屬的切除率在磨削力不變時(shí)比在砂輪線速度為80m/s時(shí)磨削效率提高了約150%，磨削效率顯著提高。

（2）加工精度高、質(zhì)量易于控制。在傳統(tǒng)靠模磨加工凸輪軸中，不僅要求機(jī)床的精度高，同時(shí)對靠模的精度及分度機(jī)構(gòu)的精度等提出非常高的要求，而且凸輪各點(diǎn)磨削速度相差很大，很容易造成燒傷、振動、輪廓精度誤差等磨削的缺陷，而CNC8325型超高速凸輪軸復(fù)合磨床因數(shù)控系統(tǒng)精度較高，所以在加工時(shí)，很容易加工出高精度的凸輪軸，從而可以有效減少磨削缺陷。

（3）磨削力小。磨削加工中，在其它參數(shù)一定的條件下，隨著砂輪速度的逐漸提高，單位時(shí)間內(nèi)參與切削的磨粒數(shù)也隨之增加，從而每個磨粒切下的磨屑厚度也隨之變小，磨屑厚度變薄，單個磨粒承受的磨削力變小，因此總磨削力大大下降了。

（4）砂輪磨損小，提高砂輪使用壽命。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：在磨削力不變的條件下，砂輪線速度200m/s磨削砂輪壽命比砂輪線速度為80m/s提高1倍。

（5）實(shí)現(xiàn)了對難加工材料的加工。能加工陶瓷等硬脆材料，以塑性變形形式產(chǎn)生磨屑，磨削速度的增加對高塑性的材料也可以獲得良好的磨削效果，

（6）加工范圍變廣。CNC技術(shù)的特點(diǎn)是系統(tǒng)可以即時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算并定位出每個坐標(biāo)軸瞬間的運(yùn)動量，能夠加工曲線和曲面等復(fù)雜的零部件。

（7）數(shù)控系統(tǒng)還可以對加工位差、砂輪磨損引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。砂輪加工中存在磨損，但由于加工時(shí)系統(tǒng)能根據(jù)實(shí)際加工進(jìn)行磨損補(bǔ)償，加工精度得到可靠的保證。

（8）自動報(bào)警、監(jiān)控，操作簡單等多種功能，因此可無人看管加工。CNC8325型超高速凸輪軸復(fù)合磨床的控制系統(tǒng)，采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了高度的人機(jī)對話，只要把凸輪的各種參數(shù)輸入，按操作規(guī)程操作，NC程序就自動生成，只要執(zhí)行該程序，便可完成凸輪的磨削。同時(shí)只需要要改換一個程序，就能夠?qū)崿F(xiàn)其他工件的自動化，因而被稱為“柔性自動化”。該型號的凸輪軸復(fù)合磨床配備多種傳感器，可以自動監(jiān)控，因而可以減少工裝，節(jié)省勞動力，降低勞動強(qiáng)度，縮短生產(chǎn)品的生產(chǎn)周期?？傮w來說，CNC8325型超高速凸輪軸復(fù)合磨床擁有眾多仿形磨削無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，隨著時(shí)間的推移，傳統(tǒng)的機(jī)械靠模仿型凸輪軸磨削技術(shù)所占市場份額將越來越少，直至退出凸輪軸的加工歷史舞臺，被CNC凸輪磨削技術(shù)所淘汰。

4 結(jié)語

凸輪軸是汽車發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中重要的零件，凸輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工質(zhì)量好壞，直接影響發(fā)動機(jī)的性能。隨著科技的快速發(fā)展，凸輪軸的制造材料和工藝也快速發(fā)展著。而作為凸輪軸的新型生產(chǎn)技術(shù)，裝配式凸輪軸正越來越受到人們的關(guān)注。超高速凸輪軸復(fù)合磨床擁有眾多仿形磨削無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單、加工精度很高、質(zhì)量很容易控制，是凸輪軸加工的發(fā)展趨勢。

參考文獻(xiàn)

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