凸轮轴的结构形式、对其制造关键技术下文将依次进行阐述

蕙质兰心

凸轮轴是发动机5C件之一，是配气系统关键零件，作为发动机三大摩擦副零件之一，要求其具有一定的强度和韧性，且凸轮表面有良好的耐磨和抗冲击性能。随着发动机技术的不断革新以及汽车排放法规的逐渐严格，凸轮轴的结构形式、制造工艺也在不断创新与丰富，呈现了多元化的局面，按凸轮轴结构形式，可分为整体式和组合式，对其制造关键技术下文将依次进行阐述。
一、整体式凸轮轴
整体式凸轮轴在汽油机上主要使用的是铸铁凸轮轴，如图1，铸铁凸轮轴按硬化工艺进行分类，当前存在三种形式：1、冷激；2、球铁淬硬；3、氩弧重熔硬化。前两种工艺形式占据了国内铸铁凸轮轴市场的绝大数份额，也是我们研究的重点。
1 冷激铸铁凸轮轴
冷激铸铁凸轮轴是目前在汽油机上应用最广泛的工艺形式，市场占有率约占7成，具有工艺成熟、成本低、耐磨等优点，同种结构凸轮轴，冷激铸铁凸轮轴成本是最低的。这也是国内多数主机厂选择该工艺凸轮轴的最主要原因。冷激铸铁凸轮轴的关键技术有2方面：冷激铸造、凸轮磨削。
1.1 冷激铸造技术
通过使用冷铁，使凸轮铸件各部位冷却速度不同，得到不同的金相组织，冷激面可得到硬化耐磨的白口层（即莱氏体，图2），非冷激部位得到一定强度和韧性的灰口层（珠光体+石墨），两者之间为麻口层（珠光体+石墨+渗碳体）。
1）材料成分
冷激凸轮轴采用材料一般为合金灰铸铁，成分包含C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、Cu，成分及用量是获得理想基体组织和优良使用性能的重要保障。合金用量目前无行业标准，需根据自身研究与经验自行配比。
C一般在3.2～3.7%，Si一般在1.6～2.4%，碳量增加，能够减小白口深度、增大白口层硬度，但碳量过高，容易造成组织疏松。当碳量处于一般规定范围时，通过硅量降低冷激白口深度和缩短麻口深度。
Mn一般为0.6～0.9%，S一般为<0.15%，Mn和S是碳化物的稳定剂，超过一定浓度会使白口层发脆，含量需要严控。
P一般为<0.15%，P能降低白口硬度，并产生白口碎裂倾向，要严格控制含量。Cr和Mo都有增加白口层深度的作用，但Cr能使组织变粗，Mo能细化晶粒，所以Cr和Mo一般配合使用。Ni和Cu起缓和剂作用，对白口深度和硬度作用较小，但对基体有一定的细化晶粒和提高强度作用。
某汽车公司冷激凸轮轴采用的合金用量为：
C：3.2%～3.5%，Si：1.8%～2.2%，
Mn：0.6%～0.9%，P≤0.1%，S≤0.1%，
Cr：0.4%～0.6%， Mo：0.2%～0.4%，
Ni：0.2%～0.4%，Cu：0.7%～1.0%。
2）铸造工艺参数
试验表明，铁液温度越高，浇注温度越高，白口深度越大；一般要求铁液温度>1500℃，浇注温度控制在1400～1420℃，某汽车公司产品采用的铁液温度为1520℃。
3）冷铁
冷铁形状一般呈马鞍型，夹角一般小于图纸凸轮主升程段夹角，宽度一般略大于凸轮厚度1.5～2mm，高度一般在25～30mm。冷铁的安放工艺应便捷并有定位装置，保证固定。
1.2 凸轮磨削技术
凸轮磨削的精度直接影响发动机性能参数、机械损耗和排放，存在下列工艺难点：
①加工精度要求高，某汽车公司产品凸轮的尺寸精度要求为：主升程段精度为±0.03mm，缓冲段和基圆段精度为±0.015mm，粗糙度为Ra0.4。尺寸精度、粗糙度都通过磨削实现，要求非常高；
②凸轮轮廓复杂，各磨削点移动速度、线速度差异非常大，特别是现在带有凹轮廓的凸轮，对磨削工艺提出了很大要求；
③凸轮各段硬度不同，主升程段最高，缓冲段其次，基圆最低，给磨削带来了一定难度；
④轴类件磨削会产生弯曲变形，加工工艺性差；
⑤磨削易发生烧伤，产生裂纹，特别是主升程段，其磨削速度高，温度高，凸轮硬度高，且凸轮形状导致冷却液不易进入磨削区域，因此容易产生磨削烧伤，表面探伤可发现细微裂纹，这是凸轮轴绝对不允许的。
目前凸轮磨削均采用先进的高速强力磨削工艺，其区别于传统的外圆磨削，拥有非常高的切削速度、高硬度的CBN砂轮以及专用的伺服控制系统机床。磨削工艺参数及程序编制是保证加工质量的关键，凸轮磨削工艺参数包括磨削速度、进给速度、切削深度。
①磨削速度确定一般采用10区转速法：基圆作为1区，升程段均分为9个区，一共10个区，基圆段角速度设为W1，2～10区转速依次设为Wn=W1×i，n=2～10，i=0.1～1.5，从而达到各区恒线速磨削的目的，降程段同理。各转速区转变时，速度均匀过渡，不发生速度突变。
②切削深度一般设置为2～5mm；凸轮磨削一般无进给，进给速度为0。
在工艺参数确定后进行程序编制，编制完成后首先需要进行计算机切削模拟，校核合格后方可在机床上正式加工。当然，除了工艺参数和程序编制的工作，凸轮在实际磨削过程中还会产生较多细节问题，这些问题的解决或避免需要大量实践经验。
2 球铁淬硬凸轮轴
球铁淬硬凸轮轴主要应用于大功率汽油机上，其抗接触疲劳能力优于冷激凸轮轴较多，所以当接触应力较大时会选择采用球铁淬硬凸轮轴，其凸轮硬化是通过在加工过程中对凸轮进行淬火实现，所以其关键技术包括：凸轮淬火、凸轮磨削。凸轮磨削与冷激凸轮轴较类似，不再赘述。
2.1 凸轮淬火技术
通过对球铁凸轮轴毛坯进行表面高或中频淬火、回火，使得凸轮表面获得回火马氏体加少量碳化物等组成的硬化耐磨层。
目前淬火方式应用较多的是高频感应淬火，技术关键点在于：感应器的设计。通过试验可以发现凸轮主升程段和基圆段是易过热区，缓冲段是难加热区，为使凸轮在加热过程中各部位均匀一致，不同区域则必须采用不同的间隙，因此加热感应器的形状设计就尤为重要，其决定了凸轮热后硬度的均匀性和硬化层分布。
二、组合式凸轮轴
组合式凸轮轴是将芯轴、凸轮等若干部件分开制造，再装配成一体。较传统整体式凸轮轴，组合式凸轮轴具有轻量化、材料利用合理、成本更低（后期可达成）的优势，组合式凸轮轴是按凸轮片与轴体装配工艺进行分类，目前国内主流装配工艺有：1、钢球胀紧式；2、滚花式。
3 钢球胀紧式凸轮轴
使带有一定过盈量的钢球通过中空轴体，在钢球的挤压作用下轴体发生扩径塑性变形，凸轮发生弹性变形，钢球通过后轴体与凸轮间产生压应力，实现承载扭矩，称为钢球胀紧式凸轮轴，其制造关键技术包含：凸轮片加工、钢球胀紧技术。
3.1 凸轮片加工
不同于整体式凸轮轴，组合式凸轮轴采用分体加工，凸轮片作为一个单体零件工艺流程为：①坯体的成型加工；②表面的硬化；③内孔的加工。凸轮轮廓的磨削加工是在凸轮套装上轴体并实行胀紧后进行，工艺与整体式较类似，不再赘述。
①坯体的成型加工；凸轮材料目前常用的是粉末冶金料、Gr15和20Cr等，对应的制造工艺分别是粉末冶金和精锻，如表1：
②表面硬化；一般采用淬火工艺，其工艺难点在于除了要控制凸轮表面硬度和硬化层深度外，还要求凸轮内孔表面不产生硬化层，这是基于凸轮内孔需要良好切削性和胀紧需要产生弹性变形的要求。某汽车公司产品采用的是高频内冷淬火工艺，在淬火过程中对内孔表面不断实施冷却，同时工件不断旋转，保证淬火层厚度均匀，如图5，6。
③内孔加工；内孔尺寸是保证装配工艺性和胀紧后抗扭效果的重要一环，孔径尺寸一般要求为IT7，通过镗削工艺可保证。
3.2 钢球胀紧技术
钢球胀紧技术是保证凸轮抗扭扭矩达成设计要求的核心技术，其关键点在于：确定胀紧钢球的大小以及相对应的塑性变形大小，一般确定过程如下：
①通过有限元分析确定钢球大小及塑性变形量；
②通过大量工艺试验，修正胀紧钢球的大小，并确定胀紧压力值。根据计算值，通常会进行50组钢球-凸轮片的极限扭矩试验验证，确定最优方案，同时得到对应的钢球通过钢管压力值的上下限，以指导后续生产安排与监测。
③总成装配胀紧完成后进行静态扭矩与动态扭矩的试验检测。
我们通过试验验证，目前钢球胀紧技术凸轮轴气门凸轮的最大静态扭矩能达到150N·m，油泵凸轮能达到1000N·m。
某汽车公司产品装配工艺流程如下：1、打点进行预装配凸轮片（图7）；2、钢球通过钢管（图8）；3、胀紧完成（图9）。
4 滚花式凸轮轴
滚花式凸轮轴就是凸轮与轴体采用滚花连接，用滚花刀依次在中空轴体上滚挤出齿尖与轴线平行或垂直的三角形齿，然后在常温下依次将内圆为圆形或多边形的凸轮片压入轴体中，并保证位置和角度。类似的，其关键技术包含：凸轮片加工、滚花连接技术。
4.1 凸轮片加工
结构方面，滚花式的凸轮与胀紧式基本一致，不同点在于凸轮内腔除了可制成圆形外也可制成多边形。多边形结构优点是当轴体滚花不均匀或圆度有偏差时，仍能很好地装配，保证尺寸精度，缺点是由于咬合面积小于圆形，其抗扭连接强度低。某汽车公司产品目前采用矩形槽形式，槽数一般设置为均步24个，槽深0.1～0.2mm。
工艺方面，滾花式凸轮由于在咬合过程中需要发生塑性变形，所以硬度不能太高，常用材料为粉末冶金和碳素钢，尽量少使用高碳钢，成型、硬化、机加工工艺与胀紧式基本一致。矩形槽内孔是在表面硬化处理后对直接对内腔进行拉削加工。
4.2 滚花连接技术
滚花连接技术原理在于轴体三角形齿滚挤过程中产生冷作硬化，齿硬度高于凸轮，压入过程中凸轮片内壁发生塑性变形，三角形齿与凸轮相互咬合，达到牢固连接实现抗扭的目的。
滚花连接技术关键在于滚花的加工，如图11，注意点如下：
①三角齿形夹角和齿高是滚花连接工艺性和强度的关键，齿形夹角多大，齿咬入凸轮片就相对困难，夹角过小，则齿厚较薄，容易折断；齿高过高，则压装力较大，齿高过小，则抗扭能力小。所以滚花三角齿形的角度和高度必须根据凸轮材料进行多次工艺试验，以确定最优方案。
②滚花齿必须加工成平直，并保证与轴线平行度要求，齿形如果不平行于轴线，则在压装过程中凸轮片会顺着齿形方向发生偏转，从而凸轮片的相位角度发生偏转，气门开启相位发生变化，对发动机性能产生恶劣影响。
我们通过试验验证，目前滚花连接技术凸轮轴气门凸轮的最大静态扭矩能达到450N·m。
某汽车公司产品目前采用的滚花加工工艺是：①上端夹持轴体，下端顶尖定位；②芯轴不动，单花键圆柱滚刀围绕芯轴旋转加工；③依次加工完轴体上所有滚花位置。
凸轮的装配工艺是：①凸轮片内孔拉矩形槽；②滚花刀依次在中空轴体上滚挤出轴向三角形齿；③自动压装机上进行装配。
5 结语
凸轮轴的生产制造是项专业技术，它的发展也是中国自主汽车发动机发展的一个缩影，从最初的一无所知到逐步掌握整体式凸轮轴制造技术，再到目前都在研究甚至部分中国企业已掌握组合式凸轮轴制造技术，这些技术的积累是在大量的实践中总结得来的，是民族制造业宝贵的结晶。(来源于汽车科技)