汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸加工工藝設(shè)計及質(zhì)量控制研究

王林峰

摘 要：凸輪軸作為關(guān)鍵性零部件，關(guān)乎到汽車發(fā)動機(jī)的性能表現(xiàn)，因此對凸輪軸的質(zhì)量與性能提出了較高要求。本文對汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸的加工工藝進(jìn)行分析，了解其設(shè)計原則以及工藝特征，隨后提出了完整的工藝設(shè)計流程。從生產(chǎn)線布置、定位基準(zhǔn)選擇、加工劃分、凸輪形面加工等，并提出定位鍵優(yōu)化改善、控制鍵槽裂紋、主動測量與自然補(bǔ)償?shù)确绞饺嫣岣咄馆嗇S加工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動機(jī) 凸輪軸 質(zhì)量控制 工藝設(shè)計

1 引言

近年來我國汽車行業(yè)迅速發(fā)展，發(fā)動機(jī)生產(chǎn)廠商獲得了前所未有的生產(chǎn)動力。而在汽車發(fā)動機(jī)中最為重要的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)就是凸輪軸的存在。由于凸輪軸特殊的材料以及工藝要求，在加工過程中需要對其質(zhì)量進(jìn)行控制，并盡可能的實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約，避免不合理環(huán)節(jié)布置，從而對凸輪軸生產(chǎn)線進(jìn)行合理規(guī)劃，確保其形成良好的生產(chǎn)效果。基于凸輪軸在發(fā)動機(jī)中的性能表現(xiàn)，則需要確保其在實(shí)際加工制造過程中表現(xiàn)出更加精良的工藝特征以及質(zhì)量成果。

2 汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸加工工藝分析

2.1 工藝設(shè)計原則

凸輪軸不僅是組成汽車發(fā)動機(jī)的重要零部件，其使用性能與產(chǎn)品質(zhì)量對汽車發(fā)動機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行也有著直接影響?？茖W(xué)合理設(shè)計汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸加工工藝，有利于更好地把控凸輪加工精度和加工成本，并保障汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸加工效益。汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸加工工藝設(shè)計原則，應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)要求：

（1）工藝設(shè)計合理性，并在工藝設(shè)計優(yōu)化的基礎(chǔ)上融合其他現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)手段，增強(qiáng)產(chǎn)品核心競爭優(yōu)勢。

（2）國內(nèi)外可靠且具有影響力廠家的先進(jìn)設(shè)備優(yōu)先考慮，以此保障汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸加工工藝水平。

（3）既要體現(xiàn)工藝設(shè)計先進(jìn)性，也要兼具經(jīng)濟(jì)性，做到在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上最大程度地節(jié)約工藝成本。

（4）各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的安全性與操作便捷性是汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸加工工藝設(shè)計中需要給予高度重視的問題。

（5）基于經(jīng)濟(jì)條件允許的前提下，堅持柔性生產(chǎn)原則，根據(jù)凸輪軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理設(shè)計其加工工藝，盡可能減少凸輪軸在加工過程中對其精度的干擾影響。

2.2 工藝特征

2.2.1 易變形

工件剛度較低是汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸加工過程中主要存在的問題，特別是細(xì)長軸加工，在切削加工環(huán)節(jié)，由于會受到外部作用力影響而產(chǎn)生變形情況，其中凸輪與齒輪在加工時的變形情況尤為明顯。變形問題若未能在凸輪軸加工環(huán)節(jié)得到妥善解決，不僅會影響余量在后續(xù)工序中的分配，也會因變形問題過于嚴(yán)重而阻礙后續(xù)加工無法正常開展，增加工件報廢幾率，變形后的凸輪軸在實(shí)際中使用，其性能也會大大降低。

因此，針對凸輪軸在加工過程中的變形問題，需要對原有加工工序進(jìn)行細(xì)化和完善，合理分離粗精加工工序，其目的是在精加工環(huán)節(jié)處理粗加工環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的變形問題，修正存在變形問題的工件，并靈活運(yùn)用各種輔助工具優(yōu)化分段加工，以此提高汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸加工精度[1]。

2.2.2 加工難度大

凸輪、齒輪等均屬于形狀結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜的加工工件，解決凸輪、齒輪復(fù)雜表面加工問題是提高其加工精度的關(guān)鍵，在實(shí)際加工過程中，不僅對尺寸精度、位置精度以及形狀等有著嚴(yán)重要求，所采用的加工工藝也要保證最終產(chǎn)品質(zhì)量。顯然這一來工件的加工不適合運(yùn)用常規(guī)加工工藝處理其復(fù)雜的工件表面。

以凸輪加工為例，以符合使用要求為加工標(biāo)準(zhǔn)，在具體加工流程中，必須要保證相位角準(zhǔn)確性，凸輪曲線升程與氣門開啟與關(guān)閉時升降過程的運(yùn)動規(guī)律相一致，由于曲線上各點(diǎn)到回轉(zhuǎn)中心半徑變化是相對的，利用常規(guī)靠模機(jī)床加工凸輪時，加工半徑變化必然直接影響切削速度和切削力度，再加上處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的工件所產(chǎn)生的慣性力也會形成瞬間變化，進(jìn)而導(dǎo)致凸輪加工完成后，其曲線形狀與預(yù)期設(shè)計不一致，該問題即為曲線的升程誤差，是影響凸輪軸使用性能與提升汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸加工難度大的主要因素。

3 汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸加工工藝設(shè)計

3.1 布置生產(chǎn)線

對汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸進(jìn)行工藝設(shè)計，首先，需要對生產(chǎn)線進(jìn)行科學(xué)合理的布置，常見以U型進(jìn)行設(shè)計。在過道兩旁的中間位置安裝加工設(shè)備，確保操作面板以及下料開口的實(shí)際朝向中間過道，促使上下料口之間應(yīng)用滑道進(jìn)行連接，確保各序設(shè)備形成良好的銜接效果。

這樣的生產(chǎn)線布置方式能夠保證盡可能節(jié)約占地面積，并維持更加暢通的物料流通效果，避免在加工過程中工作人員往返走動，確保每一人員能夠同時控制多臺設(shè)備進(jìn)行同步加工生產(chǎn)，降低人力資源浪費(fèi)，提高生產(chǎn)效率。根據(jù)當(dāng)前實(shí)際加工情況而言，每一班組工人為5人，同步照看設(shè)備最高可達(dá)到15臺。在每一工作人員負(fù)責(zé)對應(yīng)的加工設(shè)備時，同時也需要做好發(fā)動機(jī)凸輪軸的定量檢驗(yàn)以及自檢工作[2]。

與此同時，需要最終負(fù)責(zé)質(zhì)量檢驗(yàn)的人員對整體操作工序進(jìn)行檢驗(yàn)，確保合理布置生產(chǎn)線，形成緊湊加工生產(chǎn)效果，全面提高生產(chǎn)加工勞動效率。生產(chǎn)線上同步使用高架線方式，便于進(jìn)行水、電、氣等結(jié)構(gòu)的維修，確保每一加工設(shè)備后留有電氣接口，并在兩側(cè)分別布置排水溝，形成良好的排水效果。整體生產(chǎn)加工車間作為地基，便于安裝移動加工設(shè)備，更換產(chǎn)品時能夠盡可能節(jié)約人力資源，實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)效果。

3.2 選擇定位基準(zhǔn)

結(jié)合以往在實(shí)際生產(chǎn)加工中所涉及到的軸類零部件而言，設(shè)計基準(zhǔn)一般情況選擇軸類零部件的軸線結(jié)構(gòu)。為了盡可能在多次循環(huán)裝夾過程中降低工件定位誤差，則需要確保形成高精度的凸輪軸加工表現(xiàn)。一般情況下，在定位基準(zhǔn)中選用的方式則是對軸類零部件的兩頂尖孔進(jìn)行定位，這樣的方式能夠避免在后續(xù)加工過程中由于轉(zhuǎn)換定位基準(zhǔn)造成定位誤差。

同時，也便于使用兩頂尖孔為后續(xù)加工制造提供更加精準(zhǔn)的定位基準(zhǔn)線，確保形成基準(zhǔn)統(tǒng)一的加工原則。便于完成裝夾作業(yè)更為安全可靠，且對加工工藝流程進(jìn)行簡化，促使發(fā)動機(jī)凸輪軸在實(shí)際加工中所需涉及到的夾具結(jié)構(gòu)處于更為相近的狀態(tài)，盡可能節(jié)約制造不同夾具所產(chǎn)生的時間，并在一次裝夾中完成更多表面的加工處理。這樣的方式能夠滿足大量生產(chǎn)加工需求，便于利用高效專用機(jī)床完成大批量生產(chǎn)，并確保凸輪軸個表面加工精度有所提高?；诮Y(jié)構(gòu)特征而言，凸輪軸相較于一般類別的軸類零部件具有一定差異性。

3.3 加工階段劃分

汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸具有較高的加工精度要求，因此不可能在單一工序內(nèi)完成整體加工，需要逐步進(jìn)行加工作業(yè)，因此需要劃分工藝流程。以某型號的汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸加工為例，分為三個階段，包括粗加工、半精加工以及精加工。首先來講，在粗加工階段中，需要進(jìn)行粗磨凸輪支撐軸頸以及齒輪外圓軸頸的粗磨加工。在半精加工時，該階段主要負(fù)責(zé)精磨齒輪外圓軸頸以及各支承軸頸，確保以完善的加工基礎(chǔ)，滿足后續(xù)支撐軸頸齒輪加工作業(yè)需求。在精加工階段中，需要負(fù)責(zé)齒輪斜加工以及支撐軸頸精磨加工，該階段的切削量與加工余量相對較小，具有較高精度表現(xiàn)[3]。

3.4 加工凸輪形面

加工凸輪軸設(shè)計工藝時，需要考慮到最為關(guān)鍵的難點(diǎn)環(huán)節(jié)，加工凸輪形面時，需要根據(jù)現(xiàn)階段常見的加工工藝進(jìn)行選擇，包括車削以及磨削兩種。我國國內(nèi)現(xiàn)階段在加工凸輪形面時，主要以粗加工方式為主，選擇車床車削進(jìn)行加工，但與此同時，也存在著磨削加工與銑削加工的方式。如在加工車間準(zhǔn)備兩套靠模完成凸輪軸的磨床作業(yè)，使用處于既定直徑范圍內(nèi)的砂輪使用第一靠模完成加工作業(yè)。發(fā)現(xiàn)砂輪磨損嚴(yán)重時，可自動轉(zhuǎn)換靠模，使用第二靠模完成作業(yè)。

通過控制砂輪直徑確保凸輪軸外形結(jié)構(gòu)就較高精度表現(xiàn)，不僅能夠提高加工質(zhì)量，同時也能夠達(dá)到砂輪利用最大化。而本文中所涉及到的該型號發(fā)動機(jī)凸輪軸使用精鑄方法完成毛坯的制造加工。具有較高精度表現(xiàn)且毛坯實(shí)際切削量相對較小，因此加工工藝選擇為磨削加工，對凸輪形面的加工處理進(jìn)行有效簡化。確保在凸輪磨床上完成凸輪形面的精磨削以及粗磨削加工，在兩尖頂上安裝工件，并根據(jù)槽件位置增加輔助支撐，確保提高加工精度。

加工凸輪軸形面時，以立方氮化棚模床方式進(jìn)行處理，確保能夠?qū)π螤钸M(jìn)行快速變換，提高磨削加工處理速度。一般情況下，機(jī)床剛度相對較大，所能夠承受的工作負(fù)荷與之形成正比。因此，利用計算機(jī)設(shè)備對機(jī)床磨削程度進(jìn)行數(shù)控編程，從而對凸輪軸進(jìn)行磨削加工，確保其從根本上解決靠模精度影響。

4 汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸質(zhì)量控制

4.1 改善定位鍵

中心孔以及槽鍵作為定位基準(zhǔn)，將影響到無靠模凸輪模床的加工質(zhì)量。在加工過程中，控制質(zhì)量效果夾緊面需要設(shè)置為直徑22mm外圓，通過卡盤固定工作臺確保直徑32mm以及47.5mm位置處獲得良好的剛性支撐。在完成夾緊作業(yè)時，首先需要在中心架上放置工件，使用斜齒輪中心孔向尖頂頂入，并在卡盤中放入工件小頭。轉(zhuǎn)動工件促使定位鍵與鍵槽之間形成良好的嵌合狀態(tài)，借助于液壓系統(tǒng)促使卡盤扇形三爪抓緊22mm外圓，并由剛性支撐將32mm與47.5mm的外圓頂住[4]。

相較于傳統(tǒng)凸輪軸加工磨床而言，帶靠模形式的加工過程中，盡管定位鍵并非重要定位元件，但是其在實(shí)際加工過程中，卻能夠起到重要的驅(qū)動作用。促使定位鍵與鍵槽之間形成良好嵌合狀態(tài)，帶動卡盤形成整體性加工轉(zhuǎn)動效果，從而對凸輪軸完成削磨加工作業(yè)。定位鍵的準(zhǔn)確效果將會對凸輪軸的角位移產(chǎn)生直接影響作用，從而對后續(xù)凸輪軸在發(fā)動機(jī)應(yīng)用過程中所體現(xiàn)出的性能狀態(tài)產(chǎn)生影響。

磨床結(jié)構(gòu)的設(shè)計選擇無靠模模式，促使鍵與鍵臂之間相互連接，并確保與卡盤形成良好的銜接效果，帶動主軸進(jìn)行同步轉(zhuǎn)動。若鍵與鍵臂之間獨(dú)立應(yīng)用，在運(yùn)行一段時間后則會發(fā)現(xiàn)，凸輪角度與升程難以形成更為穩(wěn)定的參數(shù)值，呈現(xiàn)出明顯的超差現(xiàn)象?；诖耍瑒t可以斷定定位鍵與鍵臂之間出現(xiàn)變形或是斷裂等問題。如表1所示為某汽車發(fā)動機(jī)凸輪軸加工廠商在半年內(nèi)更換定位鍵與鍵臂的情況。

根據(jù)上表中的情況，需要進(jìn)一步改造定位鍵與鍵臂，解決定位鍵臂與鍵之間連接軸的受力情況，采取一體化結(jié)構(gòu)，確保符合當(dāng)前發(fā)動機(jī)凸輪軸加工生產(chǎn)需求，解決裝配精度問題，并且以更小體積的定位鍵滿足加工質(zhì)量精度要求，經(jīng)過改進(jìn)后一體化的鍵臂能夠達(dá)到97％以上的合格率表現(xiàn)。

4.2 鍵槽裂紋控制

凸輪軸作為汽車發(fā)動機(jī)中影響運(yùn)行性能的主要配件，最為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)則為凸輪，加工凸輪軸時，需要以鍵槽作為凸輪軸角向定位，確保凸輪桃尖最高點(diǎn)經(jīng)過嚴(yán)格控制，避免對發(fā)動機(jī)性能產(chǎn)生影響。然而，在實(shí)際加工過程中卻發(fā)現(xiàn)，凸輪軸鍵槽頻繁出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量。

分析鍵槽定位情況，發(fā)現(xiàn)處于中心位置的驅(qū)動鍵插入深度符合標(biāo)準(zhǔn)，在接觸凸輪軸鍵槽側(cè)面之后，促使磨桃后的凸輪軸鍵槽變形情況不明顯，在這一工序環(huán)節(jié)中，驅(qū)動鍵負(fù)責(zé)傳遞扭矩。造成鍵槽定位不準(zhǔn)確的情況，包括安裝不正、鍵槽間隙過大或是軸向位置定位不準(zhǔn)確等，這樣的情況均可能會造成鍵槽裂紋。與此同時，包括受力不均勻可能會引發(fā)鍵槽局部變形，從而造成裂紋[5]。

產(chǎn)生裂紋后凸輪軸安全性能受到影響，在實(shí)際運(yùn)行過程中，可能會造成發(fā)動機(jī)失靈。面對這樣的間槽裂紋問題，則需要采取相應(yīng)的控制措施，通過高頻次檢驗(yàn)中心孔深度，從原有的1/20抽樣檢測變?yōu)?/10抽樣檢測，達(dá)到高質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。并提高前序銑鍵槽對稱度，從0.5mm提高到0.025mm。重新測繪并使用新頭架進(jìn)行加工，增加夾緊塊工作表面的鍍鋅層厚度。通過這樣的方式，在后續(xù)加工中依次解決了軸向定位問題，并降低裂紋出現(xiàn)可能。

4.3 主動測量與自然補(bǔ)償

零部件的高質(zhì)量將會決定發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的實(shí)際質(zhì)量效果，以更高的加工技術(shù)保障確保通過完善的檢測方法提高零部件質(zhì)量，才能夠?yàn)槠嚢l(fā)動機(jī)提供更好的安全性保障。尤其是凸輪軸這樣的關(guān)鍵性零部件，在生產(chǎn)中加工批量相對較大，既需要保障加工效率，同時也需要保障產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在設(shè)計工藝時，可以應(yīng)用到更為先進(jìn)的在線檢測技術(shù)，在加工生產(chǎn)中完成質(zhì)量主動測量控制，通過檢測結(jié)果對后續(xù)加工過程進(jìn)行干預(yù)，確保在生產(chǎn)線上的每一凸輪軸零部件均具有良好的質(zhì)量保障，避免所生產(chǎn)的產(chǎn)品不合格。

采用自動測量方式，主要是在凸輪軸的加工生產(chǎn)過程中，測量軸頸外圓，用同一臺自動測量儀對凸輪軸角向位置以及生成進(jìn)行測量，根據(jù)現(xiàn)場加工環(huán)境，以非接觸以及接觸兩種不同形式進(jìn)行同步測量。借助于自動在線檢測系統(tǒng)以及氣動量儀，通過向前移動探頭完成工件外圓表面測量。記錄工件轉(zhuǎn)動過程中外圓直徑公差值以及跳動值，并向顯示屏傳遞相關(guān)參數(shù)，隨后向系統(tǒng)進(jìn)行反饋。若達(dá)到警戒線參數(shù)值，則需縮小或加大信號量，促使砂輪在加工過程中向前或向后伸出一個參數(shù)的距離。則下一件將能夠按照標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行加工生產(chǎn)，獲得尺寸誤差補(bǔ)償。

5 結(jié)束語

作為在汽車發(fā)動機(jī)中最為關(guān)鍵的零部件結(jié)構(gòu)，凸輪軸的加工工藝設(shè)計關(guān)乎到發(fā)動機(jī)的性能表現(xiàn)。因此本文通過對工藝流程進(jìn)行研究并提出了相應(yīng)的質(zhì)量控制辦法，以期借助于更加完善的工藝標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)化凸輪軸的質(zhì)量表現(xiàn)。

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