改进大长径比12缸发动机凸轮轴加工工艺研究

卢 杉

（焦作大学机电学院，河南 焦作 454003）

凸轮轴是发动机的关键零部件之一，是控制发动机进排气门的关键传动部件，对发动机的功率指标、排放指标、节油指标等有着直接的影响。大长径比12缸发动机凸轮轴是为我国潍柴动力收购法国造机公司博杜安电机公司推出的一种新系列陆用和船用柴油机配套，长径比大于35：1的高性能发动机凸轮轴，如图1所示。该发动机可广泛应用于重型汽车、大客车、工程机械、船用和发电机组等领域。

图1 大长径比12缸发动机凸轮轴

大长径比12缸发动机凸轮轴技术路线：采用楔横轧轧制毛坯，正火后，将工件经过粗加工，车铣凸轮，淬火后，进行精加工，淬火采用中频淬火机床进行，满足轴颈和凸轮表面的硬度和金相组织要求，用凸轮磨床加工凸轮形状，从而制造出满足技术要求的凸轮轴产品。该凸轮轴属于超细、超长轴类零件，刚性差、易变形，并且形状复杂，具有很高的轮廓精度、相位角度和良好的耐磨性能和整体刚性,加工难度大。为了使产品加工精度得到有效保障，在实际加工中采取了凸轮及轴颈连续中频淬火自回火防干涉技术、凸轮轴随动磨削技术和悬挂式中心辅助支架等新工艺。

1.凸轮及轴颈连续中频淬火自回火防干涉技术

凸轮轴在工作中承受交变载荷，工作应力高度集中于轴颈与凸轮上，尤其是凸轮外形在滚轮的往复交变的高速运转下，磨损较严重，因此提高凸轮轴强度的关键在于提高轴颈与凸轮疲劳强度。

该凸轮轴的技术要求：轴颈感应淬火，硬度≥55HRC，淬硬层深度（490HV3）=（1.5+2），止推端面Φ64以外淬火硬度≥45HRC，止推槽附近的轴颈可放宽至（490HV3）=(1.5+4)；凸轮淬火处理，凸轮范围硬度 59～63HRC， 淬硬层深度（550HV3）=1.5～4；基圆硬度≥55HRC，淬硬层深度（475HV3）=1.5～3。

为了保证该凸轮轴的轴颈与凸轮疲劳强度和耐磨性，采用中频淬火。新型中频淬火工艺可以使轴颈与凸轮获得不同的淬火硬度，降低了轴颈的淬火要求，改善了孔系机加工工艺的可行性，解决了孔口裂纹的问题，同时提高了凸轮的淬硬层深度及表面硬度，大大提高了凸轮轴的运动副表面的疲劳强度和耐磨性。

感应淬火可以根据不同的工件材质，在满足硬度要求的前提下找出淬火的边界条件，控制输出的最大最小电压、电流范围，同时控制淬火液的浓度、流量和温度，并定期对淬火液的冷却速率进行分析,以此作为更换淬火液的依据。针对耐磨性能的要求，凸轮中频感应淬火后利用淬火余热进行自回火以消除应力。

为了减小使用圆形感应圈时凸轮桃尖部分与基圆部分的硬化层深度差别，控制桃尖部分中频淬火后淬硬层深度，以使其符合图纸的要求，设计了一个如图2所示的感应器（喷水圈另外安装在感应圈的下方）。淬火时，凸轮的基圆中心对准三个定位片的中心，在感应器中旋转加热，由于特殊的感应器形状及导磁体镶嵌方式，感应圈基本上只有2/3有效圈对工件加热，在135°角范围内，感应电流很小，中频磁场对凸轮的影响很弱，从而能够有效地降低凸轮桃尖部分的硬化层深度，再加上该感应器有效圈的工作间隙较圆形感应圈大一些，有利于三组不同桃尖部分半径的凸轮加热温度的均匀化，取得了很好的效果。

图2 用于凸轮淬火的马蹄形感应器

另外，凸轮密集排列（间距小于 8mm），为了消除淬火时的相互影响 （下一个凸轮淬火时，前一个凸轮不被退火），保证淬火后各凸轮及轴颈的表面硬度及内在组织的质量，在淬凸轮的感应圈有效圈装上了硅钢片导磁体，同时，合理设计感应圈的高度及规定先淬凸轮后淬轴承档的工序，对相邻的两侧的凸轮起到了很好的屏蔽作用，克服了感应回火软化现象。另外，为了使感应器得到更好的冷却，将冷却水管设计成二进二出式，增加了冷却水的流量。

2.凸轮轴随动磨削技术

凸轮轴表面轮廓线型复杂，对磨削精度和生产效率要求都很高。如何提高磨削效率和加工质量是凸轮轴磨削加工控制亟待解决的问题。

为了保证凸轮轴磨削的加工精度，提高生产效率和降低凸轮轴产品的成本，在凸轮轴磨削时采用凸轮轴数控随动磨削加工技术。凸轮轴数控随动磨削加工技术是按照凸轮轮廓曲线参数编制数控程序，利用数控系统实现砂轮的径向往复运动和工件回转运动的精确联动，无需机械靠模等辅助工具直接磨削凸轮的全数控、自动化方式新技术。与传统的靠模仿形加工相比，凸轮轴数控随动磨削加工技术能显著地提高凸轮轴零件的磨削效率和磨削精度，同时具有很高的柔性。

该凸轮轴磨削时表面不允许出现磨削烧伤，表面粗糙度Ra小于0.4，凸轮的全升程型线误差小于0.06mm,相邻误差小于0.008mm。凸轮的最终加工采用德国进口肖特、勇克数控凸轮磨床，满足凸轮的升程要求。由于该系列凸轮宽度较宽，磨削过程中，砂轮受力较大，且由于砂轮与工件的接触面积较大，造成在加工过程中冷却效果差，使凸轮表面出现烧伤现象，故在加工该系列的凸轮时，采用立方氮化硼(CBN)砂轮对宽凸轮（30mm）进行随动高速磨削。在大长径比条件下，采用CBN砂轮对宽凸轮 （30mm）进行随动高速磨削时，需要选择合适的工件、砂轮、修整砂轮、磨削等参数。

在磨削过程中减小每一圈的进刀量，同时增加冷却液的喷水压力，使工件在加工过程中充分得到冷却。根据产品的性能要求，轴颈的加工选用相应粒度的砂轮，在加工过程中，进刀量严格控制在0～0.03mm的范围内，以防止轴颈表面因回火而导致硬度降低。

3.悬挂式中心辅助支架

在大长径比凸轮轴底径车削、轴颈磨削加工时，为了避免颤动，保证加工尺寸以及加工表面粗糙度、跳动度符合图纸要求，采用液压自定心中心架，如图3所示。

图3 液压自定心中心架实物图和原理图

为了克服使用液压自定心中心架时，刀具在走刀时不能加工凸轮轴全程，避免加工凸轮轴一半长度，再翻转过来加工另一半，研制了如图4所示的悬挂式中心辅助支架。

图4 悬挂式中心辅助支架

工作时，将两支撑架1固定于车床的床身两侧，自定心中心架6带有三个卡爪，卡爪端部均设有滚轮7，三个卡爪在液压缸的带动下同步伸出卡住凸轮轴9轴颈，凸轮轴9在车床转盘带动下转动，滚轮7也随之转动，三个滚轮7的相切圆的圆心位于加工时凸轮轴9的中心线上，即自定心中心架6的轴线位于车床主轴轴心线上，实现自定心功能。托架的自定心中心架6支撑凸轮轴9的轴颈，进而支撑整个凸轮轴9。当凸轮轴9过长时，所述托架设置可间隔设置两个。车床主轴法兰与托架之间、相邻两托架之间的中心间距以及托架与车床尾顶尖之间的车削区距离不超过500mm，利用本悬挂式中心辅助支架，可实现一次车削加工细长类凸轮轴9的全程。

通过采用自定心中心托架和悬挂式中心辅助支架，能避免该凸轮轴底径车削、轴颈磨削加工时出现颤动，保证加工尺寸以及加工表面粗糙度、跳动度符合图纸要求。

4.综述

通过努力，产品按照开发的时间进度，围绕技术关键点，先后编制了工艺流程图、工艺作业技术文件，经过反复试验，形成了可行的制造工艺，进入大批量生产，应用在博杜安M26系列的16～32L排量、高速、大功率发动机上，使用情况良好，并获得焦作市科技进步一等奖。随着重型汽车、工程机械、豪华游艇、船舶和发电设备销售额的大幅度增长，加上国家经济建设的快速发展，大长径比12缸发动机凸轮轴必将还有很大的发展空间。