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发动机凸轮轴磨削工艺分析
2012-11-1  来源:  作者:柯尔柏斯来福临 喻畅

      一、凸轮轴加工材料以及外形

 

      凸轮轴作为汽车发动机上配气机构的重要组成零件,用于控制发动机缸体上气门阀杆的开合。不同形式的凸轮轴的应用和区分通常在发动机的设计开发阶段都已经确定。

 

      目前,国内的各大汽车生产厂家以及汽车零配件供应厂家已从由国外直接进口逐渐转变成采购国外进口设备,在本土实现生产。由于凸轮轮廓属于异型曲面,所以加工工艺和方案也较为复杂,尤其是凸轮表面的加工质量和型线误差,直接决定了凸轮轴在发动机进气和排气工作循环中是否会产生进气阀和凸轮,排气阀和凸轮之间的冲击和振动,影响汽车发动机在工作中的平稳性。

 

      鉴于以上因素,对于凸轮轴材料的选择也具有多样性,适应于机械加工领域的凸轮轴按照材料和结构形式可以如下分类:

 

      1.凸轮轴的材料与结构

 

      (1)铸铁凸轮轴通常采用球墨铸铁,典型的应用比如东风发动机某品牌4缸/6缸发动机内均采用冷激球墨铸铁为4B以及6B系列凸轮轴制成凸轮毛坯件,其硬度≥50HRC;国产标志某一品牌4缸发动机凸轮轴,按照PSAB511110(法国标致雪铁龙公司内部标准)选用铸铁GLA1,含碳量在3.2%~3.7%,对于该铸铁材料表面进行360°全方位冷激浇铸处理后,要求凸轮桃尖部分表面冷激硬化层厚度达到16mm,硬度≥50HRC,其他部分表面冷激硬化层的厚度也应达到8mm,硬度187~235HBW。而国产柴动力6缸柴油机内凸轮轴,采用国产QT600-3球墨铸铁,通过整体正火使得其铸造状态下基体的混合组织变成珠光体基体,从而提高其强度和耐磨性能,其基体正火后硬度可以达到229~302HBW,而凸轮型面和主轴颈进行高频淬火使得其表面硬度达到45HRC,这是一种较典型的国产铸铁凸轮轴热加工工艺。铸铁凸轮轴的适用范围为承受较小负载的发动机,通常使用于轻型轿车领域,而且其制造加工成本低于锻钢凸轮轴。铸铁凸轮轴可满足机械负载的情况下优先使用铸铁凸轮轴。其重量轻于锻钢材料。

 

      (2)锻钢凸轮轴国内常用合金渗碳钢或者合金调质钢,部分表面淬火,或者感应淬火。例如15Cr、20Cr、20Mn2或者20钢,对于其支撑主轴颈进行渗碳淬火,或者碳氮共渗淬火,硬化层深度为0.8~1.5mm,表面硬度可达到58~63HRC;同样也可以采用低合金调质钢,如45Mn2或者45钢,除了基体作调质或者正火处理,对于主轴颈和凸轮型面同样需要进行表面淬火,淬硬深度在1.5~6mm,这样表面硬度可以达到58~63HRC;国外在钢制凸轮的应用情况如马勒气门传动链公司采用的德国牌号合金结构钢100Cr6,并且铸造成为空心结构以减轻其重量。

 

      锻钢凸轮轴的使用前提是如果铸造凸轮轴无法承受零件的机械载荷要求。而且,在重型货车柴油机凸轮轴的材料选用上通常采用锻钢凸轮轴。

 

      (3)装配凸轮轴也就是凸轮轴杆与一组硬质合金凸轮组装,或者是凸轮轴和一组淬火凸轮组装。典型的应用如一汽大众公司某乘用车品牌4缸发动机所用凸轮轴,按照德国大众公司的设计采用组合结构,凸轮轴轴杆采用DINEN10305-2列出的E355+C低合金无缝钢管,相当于国内钢号的Q345(GB/T1591-1994);而且采用粉末冶金烧结正时端,小头端采用易切结构钢44Mn28制成,而8个凸轮则是采用德国合金结构钢100Cr6,相当于国内的45Cr,或者GCr15,其耐磨性和接触疲劳强度高,淬火和回火后硬度高,综合性能好。在国外,诸如大众汽车,欧宝汽车等知名汽车厂家,这种装配型凸轮轴得到了广泛的应用,由于低合金无缝钢管的使用,使得凸轮轴整体的结构重量得到降低,并且具有良好的焊接性能,材料利用设计合理并且具有比普通碳素钢更低的冷脆临界温度,适用于北方高寒地区。但是其机械加工工艺较为复杂,需要高精度的机床以便适应加工需要。

 

      装配凸轮轴的应用范围为使用于相对并非很大负载的发动机,其重量轻于整体式的铸铁凸轮轴,而且相对于铸铁材料,组合式的凸轮轴更耐磨。但是其价格通常高于铸铁凸轮轴15%。

 

      2.凸轮轴的尺寸

 

      凸轮轴的长度也根据发动机型号的不同有一个较大的变动范围,在机械设备的选取上,不同的加工制造商都由各自的产品型号定义,而基本的定义参数取决于在磨床上可以装夹工件的长度以及磨削长度。以下给出凸轮轴尺寸范围基本定义。

 

      (1)小型凸轮轴通常指发动机喷油泵中采用的小型凸轮轴,最大长度在150~200mm。

 

      (2)中型凸轮轴通常指普通乘用车发动机中的进气排气凸轮轴,最大长度在500~600mm。例如国产雪铁龙乘用车4缸发动机系列凸轮轴,凸轮轴长度在390mm左右,而其另一品牌4缸发动机使用的凸轮轴,其长度在424~434mm。而位于重庆一家汽车零部件配套加工厂为柳州五菱和长安汽车提供的4缸发动机凸轮轴,即便采用了每组两进一排凸轮的结构,其凸轮轴长度也控制在411mm。

 

      针对目前国产以及合资生产的轿车行业,轿车需求量日益增大,中型凸轮轴加工数量多、批量大,目前已经成为制造生产企业加工的主要目标。

 

      (3)大型凸轮轴通常定义为重型货车发动机中进气排气凸轮轴,也可以包括内燃机用凸轮轴以及大型船用柴油机内使用的凸轮轴。其最大长度可以达到1.6m~1.8m,比较典型的大型凸轮轴,例如国外知名的颜巴赫集团生产的内燃机中的凸轮轴,其长度有880mm以及1.29m左右。而戴姆勒克莱斯勒重型货车以及德国欧曼汽车的凸轮轴其长度通常在1m左右。而在船舶制造领域,柴油机凸轮轴的长度最小也在1.3m左右。

 

      目前,随着中国政府对于基础设施以及能源工业的投入,对于大型柴油机自主加工零部件的需求也逐渐增大。

 

      3.凸轮的型面状态

 

      除上述凸轮轴的尺寸结构外,凸轮的型面的设计也影响着凸轮轴的加工工艺,以及磨削方案的设计,主要的凸轮形式划分如下:

 

      (1)圆柱形凸轮凸轮两侧带有倒角或者凸轮两侧不带倒角,此种凸轮型面在汽车制造厂中最为普遍,例如武汉神龙汽车有限公司作开发的乘用车4缸发动机TU5JP4系列凸轮轴和EW系列凸轮轴都是属于圆柱形凸轮,而且凸轮的两侧并无倒角。

 

      (2)异型表面凸轮包含凸轮两侧或者一侧带有凹心;凸轮一侧带有切线轮廓;椭圆形和其他多边形等异型表面。比如东风康明斯发动机有限公司某品牌4缸/6缸发动机内4B以及6B系列凸轮轴,凸轮两侧型线带有微小凹心。而且在凸轮的纵向截面上凸轮带有凸起,且两侧也有台肩。而德国MAN公司的重卡凸轮轴,在凸轮的设计上则是单边具有凹心结构。大众公司等项目凸轮轴也采用带有凹心的凸轮轴,不但可以减少油耗,而且可以采用滚子→杠杆阀→驱动技术。

 

      二、凸轮轴磨削工艺

 

      1.传统凸轮轴磨削工艺

 

      传统的凸轮轴磨削工艺即采用刚玉砂轮磨削凸轮轴,对于凸轮型面采用靠模的完成表面的磨削加工,该磨削加工方法的磨削线速度通常在50m/s左右。该种加工方式的特点如下:

 

      (1)砂轮磨料针对凸轮轴材料的特点(目前多采用铸铁或者钢制),传统的磨削工艺上通常使用刚玉砂轮即可以完成凸轮轴的磨削加工。使用较多的刚玉材料包括白刚玉、铬刚玉(又为玫瑰色刚玉)、棕刚玉。上述三种刚玉材料实际上已经可以满足目前基本所有材料的机械加工。而对于高合金钢等含钒而且硬度较高的材料,采用单晶刚玉即可以满足其高标准的形状和尺寸精度加工要求。

 

      (2)凸轮型面磨削传统的液压磨床上较多采用仿形磨削的方式。汽车发动机的开发商通常针对其发动机进排气的结构形式设计其凸轮型线表,对凸轮的基圆,升降程轮廓以及凸轮底部最高部分的轮廓按照分度列出具体的型面数据。在仿形磨削过程中,首先按照加工的型线表绘制最终加工成品的仿形样板或者仿形工件,加工过程中仿形刀架上的触头沿着样板轮廓作仿形运动,通过液压缸或者其他传动系统带动刀架作X轴方向的进给运动,从而加工出凸轮的表面型面。

 

      (3)凸轮轴颈磨削采用刚玉砂轮进行外圆磨削,有两种方式,在产量低,品种多的情况下可以使用单片砂轮逐次磨削主轴颈;而针对产量大、品种少的情况,可以采用多砂轮磨床,一次磨削所有的主轴颈。

 

      对于采用传统刚玉仿形方式磨削凸轮轴的方式,优点和缺点分析如附表所列:

 

4

 

      2.CBN砂轮磨削凸轮轴工艺

 

      自从1969年通用电气将CBN(立方氮化硼)这一名词作为高硬度磨削材料开发的革命性成果引入市场,CBN磨料的使用也推动了磨削工艺的开发以及相关设备的设计。

 

      (1)CBN磨料CBN磨料是借助于高压高温技术合成的超硬材料,其硬度(约4700N/mm2)可达到金刚石硬度(大约7000N/mm2)的一半以上,其硬度同时也接近碳化硅材料的两倍(碳化硅磨粒的硬度为2500~2700N/mm2)。随着材料的研究和开发,多晶体立方氮化硼的面世也解决了早期单晶体碳化硅材料磨粒易碎脱落的问题,并且具有了很好的切削性能和使用寿命。立方氮化硼材料既可以应用于加工硬度相对不高,但是韧性高的金属材料,其硬度在50HRC以上;也可以应用于硬度很高的含碳合金,例如工具钢、特种钢和高速钢。

 

      由于刚玉砂轮在磨削过程中磨粒脱落和消耗量大,更换安装调试时间长,以及停机维护时间长这些问题的出现,因此,当今在大批量生产中刚玉砂轮磨削方式已经逐渐被CBN砂轮磨削工艺所取代。尤其是针对诸如汽车行业中的产品系列化,批量大,而且重复生产性较高的产业,CBN砂轮的优势日益明显。在国内的汽车制造厂家中,也逐渐形成选用CBN砂轮磨削技术来进行关键发动机零部件的制造和加工,其加工效率和切削性能得到了汽车制造厂家的一至认可。

 

      (2)CBN磨床采用CBN磨床针对凸轮轴磨削,各个磨床厂家对于砂轮主轴驱动的配置基本上采用三相电动机直接驱动。对于汽车行业的凸轮轴加工磨床而言,其砂轮主轴的转速均可达到7000~8000r/min,即便各个厂家所选用的砂轮直径有所不同,可以获得的砂轮圆周表面最大线速度也可以达到120m/s甚至150m/s。采用高速磨削以及CBN磨料通常能在普通外圆磨削加工中降低表面粗糙度值。

 

      控制系统的选用方面,欧美厂家通常使用FANUC或者SIEMENS系统,而亚洲的磨床厂家也会有自行开发的控制系统。各机床厂家在对控制系统的选用和二次开发上也是各自利用了其软件平台的优点,针对工件的型廓开发了"面向工件的编程软件系统",但从系统的稳定性和软件的功能性方面评价,SIEMENS840D和FANUC12i的控制软件平台在CBN磨床程序开发领域具有非常好的口碑。

 

      (3)凸轮轴磨削(CBN磨床)如上所述,凸轮轴的型廓可以分成两类表面:①轴颈磨削,即普通外圆表面磨削加工。②凸轮型面轮廓磨削,即异型轮廓表面磨削。而异型轮廓通常按照现场实际状态又可以细分成为鼓型轮廓表面,带凹心的轮廓表面。

 

      对于轴颈的磨削,也就是普通外圆表面,采用CBN磨床进行磨削加工时,由于表面磨削线速度较高,而且对于轴颈磨削也采用了在线直径测量系统,磨削过程中,测量系统检测反馈的数据可以对下一根凸轮轴轴颈的加工有修正作用,这样可以所获得的工件的圆度测量指标会更好。

 

      而对于异型表面的磨削,通常磨床厂家会按照客户方所提供的升程表,对于磨削过程作模拟分析,而分析得到的参数可以对磨削过程中所设置的参数作指导,如磨削凸轮的进给量、砂轮主轴的转速,以及工件的转速等参数。

 

      针对鼓形轮廓的凸轮,磨削工艺设计就相对简单,在不进行大批量生产,而且不考虑加工时间节拍的前提下,采用单台且仅仅具有单砂轮架和单砂轮主轴的磨床就可以完成所有鼓形凸轮型面轮廓的磨削。

 

      对于带有凹心的凸轮,各个厂家按照其设计方式的不同,可以分别采用两台磨床完成或者带B轴回转的砂轮架,以及肖特公司所提出的带有液压翻转机构的砂轮架模式在同一台磨床上完成凸轮基圆轮廓和凹心表面的磨削。这样设计的目的在于减少凸轮在不同机床上的搬运时间;减少凸轮轴的再次定位和装夹时间;在采用同一定位基准和同一装夹方式完成凸轮基圆和凹心磨削,从而获得更好的表面加工精度和加工效率。

 

      采用肖特公司专利的液压翻转机构砂轮架或者带B轴回转的的砂轮架,其设计出发点都是考虑到一次装夹状态下可获得更高的加工精度。在这种设计思路下对于单个砂轮架上配置2个砂轮电主轴并且安装2片砂轮,其直径各有不同,分别为一大一小。在磨削过程中使用大砂轮完成凸轮型面大余量切入式粗磨,以求快速切除凸轮毛坯上的大部分余量,缩短工件加工的节拍时间,采用CBN砂轮粗切可实现半径方向上最大5mm的切削余量;而采用小砂轮完成凸轮凹心表面的磨削以及整个表面的精磨,达到凸轮表面质量要求,降低表面粗糙度值,精磨后可以达到Ra=0.4μm。

 

      三、模块化组合工艺

 

      1.工艺方案

 

      对于企业生产而言,工艺方案的布置通常是位于第一位,其次才是选择机床。在凸轮轴精加工工艺路线的制定上,其工艺方案大致有下面两种:

 

      (1)凸轮轴轴颈粗磨→凸轮型面粗磨→凸轮轴轴颈精磨→凸轮型面精磨。

 

      (2)凸轮轴轴颈粗磨→凸轮轴轴颈精磨→凸轮型面粗磨→凸轮型面精磨。

 

      2.磨削元素及组合

 

      各种工艺对应的机床配置就各有不同,按照模块化原理和设计方法,首先可以列出能够用于外圆磨削和异型表面磨削的各种基本元素:

 

      (1)外圆磨削①普通刚玉外圆磨床。②CBN外圆磨床。③无心磨床(CBN)。④无心磨床(刚玉)。

 

      (2)凸轮磨削①刚玉磨床。②CBN磨床。

 

      如果按照单机工艺排序,可以分别列出8种排列,但值得注意的是,针对汽车行业大批量生产,尤其是凸轮型面磨削,刚玉磨床由于其砂轮的易耗性,其市场占有量已经逐渐减少,目前95%以上的凸轮轴生产厂家都认同了CBN磨料的优点。那么进行单机工艺路线编排可以选择的机床有三种:即外圆磨削中的CBN外圆磨床、无心磨床和凸轮磨削中的CBN磨床。

 

      而无心磨床虽然从价格上比CBN外圆磨床价格低,但是涉及加工品种变化的前提,就必须要对于砂轮和导轮作工装更换,而且无心磨床加工凸轮轴轴颈,轴颈对于两端要求的端面圆跳动精度(一般为0.02mm)的保证存在困难,所以即便采用无心磨床(刚玉)作轴颈的磨削,一般也仅仅将其用作粗磨轴颈,而轴颈的精磨则采用CBN外圆磨床而实现,而这种选择也仅仅是在投资方资金有限的前提在作为备选考虑,但其最大的问题就是柔性不足,适应性不强。而如选用无心磨床(CBN磨料)来做轴颈的磨削,就远不如CBN外圆磨床经济,也不如CBN外圆磨床灵活性强。

 

      最后,作为各个工艺元素的组合,同样也可以考虑在同一机床平台上完成上述外圆磨削和凸轮磨削方案。最简单的考虑就是增加动力部件砂轮主轴。通过在同一台机床上对于砂轮主轴的配置,以及砂轮形式配置,就可以将上述工艺要素集成在同一平台,从而达到减少机床数量、减少搬运、减少定位装夹,提高生产效率,缩短加工节拍的目的。该种组合的最佳实施方法即设置双砂轮架,每个砂轮架上配置多个砂轮,实现双砂轮同步磨削轴颈和同步磨削凸轮型面。而且也可将有技术要求的轴肩表面的加工也集成到单台机床工艺中。

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