一、凸輪軸加工（gōng）材料（liào）以及外形

      凸（tū）輪（lún）軸作為汽車發（fā）動機上配氣機構的重要組成零件，用於控（kòng）製發動機缸（gāng）體上氣門閥杆（gǎn）的開（kāi）合。不（bú）同（tóng）形式的（de）凸輪軸（zhóu）的（de）應用（yòng）和區分通（tōng）常在發動機的設計開發階（jiē）段都已經確定。

      目前，國內的各大汽車生產（chǎn）廠家以及汽（qì）車（chē）零配件供應廠家已從由國外直接（jiē）進口逐漸轉變成采購國外進口設（shè）備，在本土實現生產。由於凸輪輪廓屬於異型曲（qǔ）麵（miàn），所以加工工藝和方案也（yě）較為（wéi）複雜，尤其是（shì）凸輪表麵的（de）加工質量和型線誤差，直接決定了凸輪軸在發動機進氣和排氣工作循環（huán）中是（shì）否會產生進氣閥和凸（tū）輪，排氣閥和凸輪之間的衝擊和振動，影響汽車發（fā）動機在工作中的平穩性。

      鑒於以（yǐ）上（shàng）因素，對於凸輪軸材料的選擇也具有多樣性，適應於機械加工領域的凸輪（lún）軸按照（zhào）材料和結構形式可以如下分類:

      1.凸輪軸的材料與結（jié）構（gòu）

      (1)鑄鐵（tiě）凸輪軸通常采用球墨鑄鐵，典型的應用比如東風發動（dòng）機某品牌4缸/6缸發動機內均采用冷激球（qiú）墨鑄鐵為4B以及6B係列凸輪軸製成凸輪毛坯件，其硬（yìng）度≥50HRC;國產標誌某一品（pǐn）牌4缸（gāng）發動機凸輪軸，按照PSAB511110(法（fǎ）國標致雪鐵龍公司內部標準（zhǔn）)選用鑄鐵（tiě）GLA1，含碳（tàn）量在3.2%～3.7%，對於（yú）該鑄鐵（tiě）材料表（biǎo）麵進行360°全方位冷激澆鑄處理後，要求凸輪桃尖部分（fèn）表麵冷激硬化層厚度達到16mm，硬度≥50HRC，其他部分表麵冷激（jī）硬化層的厚度（dù）也應達到8mm，硬度187～235HBW。而國產柴動力6缸柴油機內凸輪軸（zhóu），采用（yòng）國產QT600-3球墨鑄（zhù）鐵，通過整體正火使（shǐ）得其鑄造狀態下基體（tǐ）的混合組織變成珠光體基體，從而提高其強度（dù）和耐磨性能，其基體正火後硬度可以達到229～302HBW，而凸輪型麵和主軸頸進行高頻淬火使得其表麵（miàn）硬度達（dá）到45HRC，這是一種較典型的國產鑄鐵凸輪軸（zhóu）熱加工工藝（yì）。鑄鐵凸輪軸的適用範圍為承（chéng）受較小負載的發動機（jī），通常使用於輕型轎車領域，而且其製造加工成本低於鍛（duàn）鋼凸輪軸。鑄鐵凸輪軸可滿足機械負載的情（qíng）況下優先使用鑄鐵凸輪軸。其重（chóng）量輕於鍛鋼材料。

      (2)鍛鋼凸輪軸國內（nèi）常用（yòng）合金滲碳鋼或者合金調質鋼，部分表麵淬火，或者感應淬火。例（lì）如15Cr、20Cr、20Mn2或（huò）者20鋼，對於其支撐主軸頸進行滲碳（tàn）淬火，或者碳氮（dàn）共滲淬火，硬化層深度為0.8～1.5mm，表麵硬度可達到58～63HRC;同樣也可以采用低合金調質鋼，如45Mn2或者45鋼，除了（le）基體作調質或者正火處理，對於主軸頸和凸輪型麵同樣需要進行表麵（miàn）淬火，淬硬深度在1.5～6mm，這樣表麵（miàn）硬度可以（yǐ）達到58～63HRC;國外在鋼製凸輪的應用情況如馬勒氣門傳（chuán）動鏈公司采用的德國牌（pái）號合金結構鋼100Cr6，並且鑄造（zào）成為空心（xīn）結構以減輕其重量。

      鍛（duàn）鋼凸輪軸的使用前提是如果鑄造凸輪軸無法承受零件的機械載荷要求。而且（qiě），在重型貨車柴油機凸輪軸的材料選用（yòng）上通常（cháng）采用鍛鋼凸輪軸。

      (3)裝配凸輪軸也就是凸輪軸杆與一組硬質合（hé）金凸輪組裝，或者是凸輪軸和一組淬火凸輪組裝。典（diǎn）型的應（yīng）用如一汽大眾公司某乘用車品牌4缸發動機所用凸輪軸，按照德國大（dà）眾公司的（de）設計采用（yòng）組合結構，凸輪軸軸杆采用DINEN10305－2列出的E355+C低合金無縫鋼管，相當於國內鋼號的Q345(GB/T1591－1994);而且采用粉末冶金燒結（jié）正時端（duān），小頭端（duān）采用易切結構（gòu）鋼44Mn28製成（chéng），而8個凸輪則是采用（yòng）德國合（hé）金結構鋼100Cr6，相當於國內的45Cr，或者GCr15，其耐磨性和接觸疲勞強度高，淬火和回火後硬度高，綜合性能好。在（zài）國外，諸如（rú）大眾汽車，歐寶汽車等知名汽車廠家，這種裝配型凸輪軸得到了廣（guǎng）泛的應用，由於低合金無縫鋼（gāng）管（guǎn）的使用，使得凸輪軸整體的（de）結構重量得到降低，並且（qiě）具有良好的焊接（jiē）性能，材料利（lì）用設計合理並且具有比普（pǔ）通碳素（sù）鋼更（gèng）低的（de）冷脆臨界溫度，適用於（yú）北方高寒（hán）地區。但是其機械加工工藝較為（wéi）複雜，需要高精度的機床以便適應加工需要。

      裝配凸輪軸（zhóu）的應用範圍為使用於相對並非（fēi）很大負載的發動（dòng）機，其重量輕於（yú）整體式的鑄鐵（tiě）凸輪軸，而且相對於鑄鐵材料，組合式（shì）的（de）凸輪軸更耐磨。但是其價格通常高於鑄鐵凸輪軸15%。

      2.凸輪軸的（de）尺寸

      凸輪軸的長度也根據發動機型號的不同有一個較大的變動範圍，在機械設備的選取上，不同（tóng）的加工製（zhì）造商都由（yóu）各自的產品型號定義，而（ér）基本的（de）定義（yì）參數取決於在磨床上可以裝夾工件的長度以及磨削長度（dù）。以下給出凸輪軸尺寸範圍基本定義（yì）。

      (1)小（xiǎo）型凸輪軸通常指發動機噴油泵中采用的（de）小型凸輪軸，最大長度在150～200mm。

      (2)中型凸輪軸通常指普通乘用車發動機中的進氣排氣凸輪軸，最大長度（dù）在500～600mm。例如國產雪鐵龍乘（chéng）用車4缸發動機係列凸輪軸，凸輪軸長度（dù）在390mm左右，而其另一品（pǐn）牌4缸發動機使用的凸輪軸，其長度在424～434mm。而位於重慶一（yī）家汽車零部件配套加工廠為柳州五菱和長安汽車提供（gòng）的4缸發動機（jī）凸輪軸，即便采用了每組兩進一排凸輪的結構，其凸輪軸長度也控製在411mm。

      針對目前國（guó）產以及合資生產的轎（jiào）車行業，轎車需求（qiú）量日益增大（dà），中型凸輪軸加（jiā）工數（shù）量多、批量大，目前已經成（chéng）為製造生產（chǎn）企業加工的主要目標。

      (3)大型（xíng）凸輪軸通常定義為重型貨（huò）車發動（dòng）機（jī）中進氣排氣凸輪軸，也可以（yǐ）包括內燃機用凸輪（lún）軸以及大型船用柴油機內使用的凸輪軸（zhóu）。其最大長度可以達到1.6m～1.8m，比較典型的大型凸輪軸，例如國外知名的顏巴赫集團生產的內燃機中（zhōng）的凸輪軸，其長度有880mm以及1.29m左右。而戴姆勒克萊斯勒重型貨（huò）車以及德國歐曼汽車的凸輪軸其長度通常在1m左右。而在船舶製造領域（yù），柴油機凸輪軸的長度最小也在1.3m左右。

      目前，隨著中（zhōng）國政府對於基礎設施以及能源工業的投入，對於大型柴油（yóu）機自（zì）主加工零部件的需求也逐漸增大。

      3.凸輪的型麵狀態

      除上述凸輪軸的尺寸結構外，凸輪的型麵的設計也影響著凸輪軸（zhóu）的加工工藝，以及（jí）磨削方案的設計，主要的凸輪形式劃分如下:

      (1)圓柱形凸輪凸輪兩側帶有倒角（jiǎo）或者凸輪兩側不帶（dài）倒角，此種凸輪型麵在汽車製造廠中最為（wéi）普（pǔ）遍，例如武漢神（shén）龍汽車有限公司作開發的乘用車4缸（gāng）發動機（jī）TU5JP4係列凸輪軸和EW係列凸輪（lún）軸都是屬於圓柱形凸（tū）輪，而且凸輪的兩側並無倒角。

      (2)異型表麵凸（tū）輪包含凸（tū）輪兩（liǎng）側或者（zhě）一側帶有凹心;凸輪一側帶有切線輪（lún）廓;橢圓（yuán）形和其他多邊形等異型表麵。比如東風（fēng）康明斯發動機有限公（gōng）司某品（pǐn）牌4缸/6缸發動機內4B以及6B係列凸（tū）輪軸，凸（tū）輪兩側型（xíng）線帶有微小凹心。而且在凸輪的縱（zòng）向截麵上凸輪帶有凸起，且兩側也有台肩。而德國MAN公司的重（chóng）卡凸（tū）輪軸，在凸輪的設計上則是單邊具有凹心結構。大眾公司等（děng）項（xiàng）目凸輪軸也（yě）采用（yòng）帶有凹心的凸輪軸（zhóu），不但可以減少油（yóu）耗，而且可（kě）以采用滾子→杠杆閥→驅動技術。

      二、凸輪軸磨削工藝（yì）

      1.傳統凸輪軸磨削工藝

      傳統的凸輪軸磨削工藝即（jí）采用剛玉砂輪磨削凸輪軸，對於（yú）凸輪型麵采用靠模的完（wán）成表麵的磨削加工，該磨削（xuē）加工方法的磨削線速度通常在（zài）50m/s左右。該種加工方式的特點（diǎn）如下:

      (1)砂輪（lún）磨料針對凸輪軸材料的特點(目前多采用鑄鐵或者鋼（gāng）製)，傳（chuán）統的磨削工藝上（shàng）通常（cháng）使用剛（gāng）玉砂輪即可以完成凸輪軸的磨削（xuē）加（jiā）工。使用較多（duō）的剛玉材料包（bāo）括白剛玉、鉻剛玉(又（yòu）為玫瑰（guī）色剛玉)、棕剛玉。上述三種剛玉材料實際上已經可以滿（mǎn）足目前基本所有材料的機械加工。而對於高合金鋼等含釩而且硬度（dù）較高的材料（liào），采用單晶剛玉即可以滿足其高標準的形狀和尺寸精度加工（gōng）要求（qiú）。

      (2)凸輪型麵磨（mó）削傳統的液壓磨床（chuáng）上較多采（cǎi）用仿形磨削的方式。汽車發動機（jī）的開（kāi）發商通常針對其發（fā）動機進排氣的（de）結構形式設計其凸輪型線表（biǎo），對凸輪的基圓，升降程輪（lún）廓以及凸輪底部最高（gāo）部分的輪廓按照分度列出（chū）具體的型麵數據。在仿形磨削（xuē）過程中，首先按（àn）照加工的（de）型線表繪製最終加工成品的仿形樣板或者仿形工件，加工過程中（zhōng）仿形（xíng）刀架上的觸頭沿著樣板輪廓作仿形運動，通過液壓缸或者其他傳（chuán）動係統帶動刀（dāo）架（jià）作X軸方向的進給運動，從而加工出（chū）凸輪的表麵型（xíng）麵。

      (3)凸輪軸頸磨削采用剛玉（yù）砂輪進行外圓磨削，有兩種方式，在產量低，品種多的情況下可以使用單片（piàn）砂輪逐次磨削主軸頸（jǐng）;而針對產量大、品種少的情況，可以采（cǎi）用多砂輪（lún）磨床，一次（cì）磨削所有的主軸頸。

      對於采用（yòng）傳統（tǒng）剛（gāng）玉仿形（xíng）方式磨削凸輪軸的方式，優點和缺點分析如附表所（suǒ）列:

      2.CBN砂輪磨削凸輪軸工藝

      自從1969年通用電氣將CBN(立方氮化硼)這一名詞作為高（gāo）硬度磨削材料開發的（de）革命性成果引入（rù）市（shì）場，CBN磨料的使用也推（tuī）動了磨削工藝（yì）的開發以及相關設備的設計。

      (1)CBN磨料CBN磨料是（shì）借助於高壓高（gāo）溫技術合成（chéng）的超硬材（cái）料，其硬度(約4700N/mm2)可（kě）達（dá）到金剛石硬度(大約7000N/mm2)的一半以上，其硬度同時也（yě）接近碳化矽材料（liào）的兩倍(碳化矽磨粒的硬度為2500～2700N/mm2)。隨著材料的研（yán）究和（hé）開發，多晶體立方氮化（huà）硼的麵世也解（jiě）決了早期單晶體碳化矽材料磨粒易碎脫落的問題，並且具有了很好的切削性能（néng）和使用壽命。立方氮化硼材料既可以應用（yòng）於加工硬度相對不高，但是韌（rèn）性高的金屬材料，其硬度在50HRC以上;也可以（yǐ）應用於硬度很（hěn）高的含碳合金，例如工具鋼、特種鋼和高速鋼。

      由（yóu）於剛玉砂輪在磨（mó）削過程（chéng）中（zhōng）磨粒脫落和（hé）消耗量大，更換安裝調試時間長，以（yǐ）及停機維護時間長這（zhè）些問題的出現，因此，當今在（zài）大批量生產（chǎn）中剛玉砂（shā）輪磨削方式已（yǐ）經（jīng）逐漸被CBN砂輪磨削工藝所取代。尤其是針對諸如汽車行業中的產品係列化，批量（liàng）大，而且重複生（shēng）產性較高的產業，CBN砂輪的優勢日益明顯。在國內的汽（qì）車製造廠家中，也逐漸形成選用CBN砂輪磨（mó）削技（jì）術（shù）來進行（háng）關鍵（jiàn）發動機零部件的製造和加工，其加工效率（lǜ）和切削性（xìng）能得到了汽車製（zhì）造廠家的（de）一至（zhì）認可。

      (2)CBN磨床采用CBN磨床針對凸輪軸磨削，各個（gè）磨床廠家對於砂輪主軸（zhóu）驅動的配置基本上采用三相電動機直接驅動。對於汽（qì）車行業的凸輪軸（zhóu）加工磨床而言，其砂輪主軸的轉速均（jun1）可達到7000～8000r/min，即便各個廠（chǎng）家所選（xuǎn）用的砂輪直徑有所不同，可以獲得的砂輪圓（yuán）周表麵最大線速（sù）度也可以達到（dào）120m/s甚至150m/s。采（cǎi）用高速磨削以及（jí）CBN磨（mó）料通常能在普通外（wài）圓磨削加工中降低表麵（miàn）粗糙度值。

      控製係統的選用方麵，歐美廠家通常使用FANUC或者SIEMENS係統，而亞洲的磨床廠家也會有（yǒu）自行開發的控製係統。各機床廠家在對控製係統的選用和二（èr）次開發上也（yě）是各自（zì）利用了其軟件平台的優點，針對工件的型廓開發了"麵（miàn）向工件的編程軟件係（xì）統"，但從係統的穩定性和軟件的功能性方（fāng）麵評價，SIEMENS840D和（hé）FANUC12i的控製軟（ruǎn）件平台在（zài）CBN磨（mó）床程序開發領域具有非常好的口碑。

      (3)凸輪軸磨削(CBN磨床)如上所述（shù），凸輪（lún）軸（zhóu）的型廓可以分成兩類表麵:①軸（zhóu）頸（jǐng）磨（mó）削，即普通（tōng）外圓（yuán）表麵磨削（xuē）加工。②凸輪（lún）型麵輪廓磨削，即異型輪廓表麵磨削。而異型輪廓通（tōng）常按（àn）照現場實際狀態又可以細分成為鼓型輪廓表麵，帶凹心的輪廓表麵。

      對於軸（zhóu）頸的磨削，也（yě）就是普通外圓表麵，采用（yòng）CBN磨床進行磨削加工時，由於表麵磨削線速度較高，而且對於軸頸磨削也采用了在（zài）線直徑測量係統，磨削過程中，測量係統檢測反饋的（de）數據可以對下（xià）一根凸輪軸軸頸（jǐng）的加工有修正作用（yòng），這樣可以所獲得的工（gōng）件的圓度測量指（zhǐ）標會更好。

      而（ér）對於異型表麵的磨（mó）削，通常磨床廠家會按照客戶方所（suǒ）提供的（de）升程表，對於磨削過程作模擬分析，而分析得到的參數可以對磨削過程中所設置的（de）參數作指導，如磨（mó）削凸輪的進給量、砂輪主軸的轉速，以及工件的轉速等參數。

      針對鼓形輪廓的凸輪，磨削工藝設計就相對簡單，在不進行大批量生產，而且不考慮加工時（shí）間節拍（pāi）的（de）前提下（xià），采用單台且僅僅具有單砂輪架和單（dān）砂輪主軸的磨床就可以完成所有鼓形凸輪型（xíng）麵輪廓（kuò）的磨削。

      對於帶有凹心的凸輪，各個廠家按照其設計（jì）方式的不同，可以分別采用兩台磨床完成或者帶B軸回轉的砂輪（lún）架，以及肖特公司所提出的帶有液壓翻轉機構的砂輪架模式（shì）在同一台磨床（chuáng）上完（wán）成凸輪基圓輪廓和凹心表麵的（de）磨削。這樣設計的目的（de）在於減少（shǎo）凸輪在不同機床上的搬運時間;減少（shǎo）凸輪軸的（de）再次定位和裝夾（jiá）時間;在采用同一（yī）定位基準和同一裝夾方式完成凸輪基圓和凹心磨（mó）削，從而獲得更好的表麵加工精度和加工效率。

      采用肖特公司專利的液壓翻轉機構砂輪（lún）架或（huò）者帶B軸回轉的的砂輪架，其設計出發點（diǎn）都是考慮到一次裝夾狀態下可獲得更高（gāo）的加工精度（dù）。在這種設計思路下對於單個砂（shā）輪架上配置2個砂輪電主（zhǔ）軸並且安（ān）裝2片砂輪，其直徑各（gè）有不同，分別（bié）為一大一小。在磨削過程中使用大砂輪完（wán）成凸輪型麵大餘量切入式粗磨，以求快速切除凸輪毛坯上的大部分餘（yú）量，縮短工件加（jiā）工的節拍時間，采用CBN砂（shā）輪粗切可實現半徑方向上最大5mm的切削餘量;而（ér）采用小砂輪完成凸輪凹心表麵的磨削以及整個（gè）表麵的精磨，達到凸輪表麵質量要求，降低表麵粗糙度值，精磨後可以達到Ra=0.4μm。

      三、模（mó）塊（kuài）化組合工藝

      1.工藝方（fāng）案

      對於企業生產而言，工藝（yì）方案的布置通常是位（wèi）於第一位，其次才是選擇（zé）機床。在凸（tū）輪軸精加工工（gōng）藝路線的製定（dìng）上，其工（gōng）藝方案大致（zhì）有下麵兩種（zhǒng）:

      (1)凸（tū）輪（lún）軸軸頸粗磨→凸（tū）輪型麵（miàn）粗磨→凸輪軸軸頸精磨→凸輪型麵精磨。

      (2)凸輪軸軸頸粗磨→凸輪軸軸頸精磨→凸輪型麵（miàn）粗磨→凸輪型麵精磨。

      2.磨削元素及組合（hé）

      各種工藝對應的機（jī）床配置就各有不同，按照模塊化原理和設計方法，首先可以列出能夠用於外圓磨削和異型表麵磨削的各（gè）種基本元素:

      (1)外圓磨削①普通剛玉外圓磨床。②CBN外圓磨（mó）床。③無心（xīn）磨床(CBN)。④無心磨床（chuáng）(剛玉)。

      (2)凸輪磨削（xuē）①剛玉磨床。②CBN磨床。

      如果按照單機工藝排序，可以分別列出8種排（pái）列，但值得注意的是，針對汽車行（háng）業大批量生產，尤其是凸輪型麵磨削，剛（gāng）玉（yù）磨床由（yóu）於其砂輪的易耗性，其（qí）市場占有（yǒu）量已經逐漸減少，目前95%以上的凸輪軸生產廠家都認同了CBN磨料的（de）優點。那麽進行單（dān）機工藝路線編排可以選擇的機床有三種:即外圓磨削中的CBN外圓磨床、無心磨床和凸輪（lún）磨削（xuē）中的CBN磨床。

      而無心磨（mó）床雖（suī）然從價格上比CBN外（wài）圓磨床（chuáng）價格低，但是涉及加工品（pǐn）種變（biàn）化的前提，就必須要對於砂輪和導輪（lún）作工裝更換，而且無心磨（mó）床加工凸輪軸軸頸，軸頸對於（yú）兩（liǎng）端要求的端麵圓跳動精度(一般為0.02mm)的保（bǎo）證存在困難，所以即（jí）便采用無心磨床(剛玉)作軸頸（jǐng）的（de）磨削，一般也（yě）僅僅將（jiāng）其用作粗磨軸頸，而軸頸的精磨則采用CBN外圓磨床而實現，而這種選擇也（yě）僅僅是在（zài）投資方資金有限的前提在作為備選考慮，但其最大的問題就是柔性（xìng）不足，適（shì）應性不強。而如選用無心磨（mó）床(CBN磨料)來做軸頸的磨（mó）削（xuē），就遠不如CBN外圓（yuán）磨床經濟，也不如CBN外圓磨床靈活性強。

      最後，作為各個（gè）工藝（yì）元素的組合，同樣也可以考慮在同一機床（chuáng）平台上完成上述外（wài）圓磨削和凸輪磨削方案。最（zuì）簡單的考（kǎo）慮就是增加動力部件砂（shā）輪主軸。通過在同一台機床上對（duì）於砂輪主軸的配置，以及砂輪形式（shì）配置，就（jiù）可以將上述工藝要素集成在同一平台，從而達到（dào）減少機床數量（liàng）、減少（shǎo）搬運、減少定位裝夾，提高生（shēng）產效率，縮短加工（gōng）節拍的目的。該種組合的最佳實施方（fāng）法即設置雙砂輪架，每個砂輪架上配置多個砂輪，實現雙砂輪同步磨削軸頸和（hé）同步磨削凸輪型（xíng）麵。而且也可（kě）將有技術要（yào）求的軸肩表麵的加工也集成到單台機床工藝中。