凸轮轴磨削加工的发展趋势

摘 要：本文介绍了凸轮轴及凸轮轴所使用材料，通过对比了传统靠模磨加工凸轮轴与CNC8325型超高速凸轮轴复合磨床加工凸轮轴中的优缺点，提出了凸轮轴的高速、超高速磨削加工技术将成为凸轮轴磨削加工零件的主要制造工艺方法及国内外的凸轮轴磨削加工的发展趋势。

关键词：凸轮轴 高速 超高速 磨削加工

中图分类号：TG580.6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（a）-0119-02

作为内燃机发动机的重要零件之一凸轮轴，它的产量大、使用面广，其加工的精度、表面的质量、烧伤的程度直接决定着发动机的工作质量和效率。凸轮轴的高速、超高速磨削加工技术对进一步提高凸轮轴加工质量和生产效率，使其达到高精度、低成本、高效率和智能化，具有很高的工程应用价值。

1 凸轮轴

凸轮轴作为发动机里的关键部件之一。它所起到的作用是根据内燃机的工作顺序、配气正时和升程规律来驱动气门及时开启和关闭。

1.1 构造

凸轮轴由以下部分组成：一根与气缸组尺寸一样的圆柱形棒体、若干组凸轮，通过驱动气门及时开启和关闭。

凸轮轴轮廓型面一般有基圆段1、缓冲端2、加（减）速度3（4）、顶端5等五部分组成，如图1所示。

1.2 位置

凸轮轴的位置通常有3类：下置式、中置式、上置式。

下置式凸轮轴容易布置，同时缸盖的结构也相对比较简单，但有时会破坏气门的运动规律和气门的定时启闭，所以只能用于转速较低的内燃机。中置式凸轮轴推杆相对较短，由于该机构的凸轮轴相距较远，一般采用一对正时链轮或者一对正时齿带轮传动。凸轮轴上置式配气机构是现代轿车上最常见的一种结构，简称为OHC（Over-head Camshaft）。凸轮轴安放在气缸盖上，可以通过摇臂驱动气门工作。由于凸轮轴距离曲轴远，需要采用链条或者齿带轮进行远距离驱动力传递，优点是配气机构气门的传动组部件是最少的，往复的运动质量也最小，同时惯性也最低，非常适宜在高速的内燃机中使用，缺点是该机构是气缸盖结构相对比较复杂。

1.3 分类

凸轮轴按照数量来分，可以分为单顶置凸轮轴、双顶置凸轮轴。单顶置凸轮轴就是只有一根凸轮轴，双顶置凸轮轴就是有两根凸轮轴。

1.4 传动

目前常用的传动机构有链条式传动、齿轮式及齿形带式传动等。

2 凸轮轴材料

凸轮轴的加工材料有铸铁、锻钢、铸钢、硬质合金等。

2.1 铸铁凸轮轴

常见的铸铁凸轮轴有球墨铸铁凸轮经过淬硬和冷激铸铁。冷激铸铁：在灰铁表面用激光或氩弧重熔硬化，其中冷激铸铁凸轮轴由于使用的是冷铁，从而可使的鑄件各个部位得到实际所需的金相组织。一方面凸轮的桃尖部分表面冷激硬化层厚度可以达到16mm，同时洛氏硬度大于50HRC，另一方面其余部分表面冷激硬化层的厚度也可达到8mm，凸轮轴表面硬度可达HB 187～235，所以冷激铸铁凸轮轴在汽车发动机里面使用的较多。

2.2 铸钢凸轮轴

在气缸压力很高的情况下，凸轮上承受的赫兹挤压力过大，当突破了冷硬铸件及烧结凸轮轴所能承受的极限值时，就必须使用铸钢凸轮轴。

2.3 锻钢凸轮轴

我国常用的锻钢凸轮轴有以下类型，合金渗透钢、合金调质钢，在使用中如15Cr、45Mn2；国外钢制的凸轮应用的有100Cr6。在应用中将其铸造成为空心构造以减轻其质量。一般情况下，用在超出铸造凸轮轴工作时所能承受零件的机械载荷的时候，如用在重型卡车上。

2.4 硬质合金凸轮轴

硬质合金凸轮轴属于装备凸轮轴中的一种，通常由凸轮轴杆和一组硬质合金凸轮通过组装而成。特点是机械加工工艺复杂，加工所要求的机床精度要求高，应用范围为非重负载的发动机，价格比铸铁凸轮轴高出15%左右。

3 凸轮轴的高速磨削加工技术

高速、超高速磨削加工技术是机械制造的一项先进技术。凸轮轴的高速磨削加工是指在砂轮线速度（60m/s

（1）大幅度提高磨削效率，减少设备使用台数。已有实验数据表明，在砂轮线速度为200m/s的超高速磨削加工状态下，金属的切除率在磨削力不变时比在砂轮线速度为80m/s时磨削效率提高了约150%，磨削效率显著提高。

（2）加工精度高、质量易于控制。在传统靠模磨加工凸轮轴中，不仅要求机床的精度高，同时对靠模的精度及分度机构的精度等提出非常高的要求，而且凸轮各点磨削速度相差很大，很容易造成烧伤、振动、轮廓精度误差等磨削的缺陷，而CNC8325型超高速凸轮轴复合磨床因数控系统精度较高，所以在加工时，很容易加工出高精度的凸轮轴，从而可以有效减少磨削缺陷。

（3）磨削力小。磨削加工中，在其它参数一定的条件下，随着砂轮速度的逐渐提高，单位时间内参与切削的磨粒数也随之增加，从而每个磨粒切下的磨屑厚度也随之变小，磨屑厚度变薄，单个磨粒承受的磨削力变小，因此总磨削力大大下降了。

（4）砂轮磨损小，提高砂轮使用寿命。实验数据表明：在磨削力不变的条件下，砂轮线速度200m/s磨削砂轮寿命比砂轮线速度为80m/s提高1倍。

（5）实现了对难加工材料的加工。能加工陶瓷等硬脆材料，以塑性变形形式产生磨屑，磨削速度的增加对高塑性的材料也可以获得良好的磨削效果，

（6）加工范围变广。CNC技术的特点是系统可以即时准确地计算并定位出每个坐标轴瞬间的运动量，能够加工曲线和曲面等复杂的零部件。

（7）数控系统还可以对加工位差、砂轮磨损引起的误差进行补偿。砂轮加工中存在磨损，但由于加工时系统能根据实际加工进行磨损补偿，加工精度得到可靠的保证。

（8）自动报警、监控，操作简单等多种功能，因此可无人看管加工。CNC8325型超高速凸轮轴复合磨床的控制系统，采用先进的计算机，实现了高度的人机对话，只要把凸轮的各种参数输入，按操作规程操作，NC程序就自动生成，只要执行该程序，便可完成凸轮的磨削。同时只需要要改换一个程序，就能够实现其他工件的自动化，因而被称为“柔性自动化”。该型号的凸轮轴复合磨床配备多种传感器，可以自动监控，因而可以减少工装，节省劳动力，降低劳动强度，缩短生产品的生产周期。总体来说，CNC8325型超高速凸轮轴复合磨床拥有众多仿形磨削无可比拟的优点，随着时间的推移，传统的机械靠模仿型凸轮轴磨削技术所占市场份额将越来越少，直至退出凸轮轴的加工历史舞台，被CNC凸轮磨削技术所淘汰。

4 结语

凸轮轴是汽车发动机配气机构中重要的零件，凸轮轴的结构设计与加工质量好坏，直接影响发动机的性能。随着科技的快速发展，凸轮轴的制造材料和工艺也快速发展着。而作为凸轮轴的新型生产技术，装配式凸轮轴正越来越受到人们的关注。超高速凸轮轴复合磨床拥有众多仿形磨削无可比拟的优点，该技术优点是机床结构简单、加工精度很高、质量很容易控制，是凸轮轴加工的发展趋势。

参考文献

[1]王力民.汽车凸轮轴的高速精密磨削技术[J].汽车零部件先进加工技术，2011，26（3）：52-55.

[2]邢铭.凸轮轴的发展趋势[J].汽车与配件，2013（15）：36-37.

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