凸轮轴制造工艺综述

作者：同济大学 钱人一

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 除了气缸体以外，只有为数不多的发动机零部件在制造工艺方面发生了如此根本的转变。本文从用特种铸铁或者球墨铸铁制成的冷硬铸铁凸轮轴出发，介绍了各种制造工艺方法的锻钢凸轮轴，以及最新发展的用实型法制造的铸钢凸轮轴。重点放在组合式凸轮轴及其制造工艺上。 凸轮轴的种类 在现代发动机中，凸轮轴的位置已经从下置式改成了上置式，上置式凸轮轴通过推杆、圆柱齿轮、链条、摇臂或者辊子随动件驱动顶置式气门；此外，由于采用多气门的缘故，每一台内燃机凸轮轴的数量也提高了；还开发和引入了运作方式各异的可变凸轮轴驱动方式。因此，凸轮轴制造工艺方面所发生的改变大多是因减轻零部件重量方面的要求、因挤压应力的提高以及所用材料变化而触发。目前，根据材料和制造工艺的不同，凸轮轴有如下几种。 冷硬铸铁凸轮轴 在当今的汽油机气门传动链中，由特种铸铁、球墨冷硬铸铁或者可锻铸铁通过冷硬铸造法生产的凸轮轴十分常见。即：将塑料制成的凸轮轴模型置于砂子中，浇铸凸轮轴毛坯；在此过程中利用冷铁有目的地对铸件进行局部的冷却，促使迅速的凝固。凸轮表面的洛氏硬度Rc达到45，使凸轮具有卓越的耐磨性。德国的Mahle-Wizemann-Pleuco（现今的马勒气门传动链公司）等多家公司还生产了空心的铸造凸轮轴：在铸型中放入一根玻璃管（图1），浇铸和开箱以后将玻璃管取出。空心的铸造凸轮轴相对于实心的凸轮轴其重量明显地减轻。在某些发动机中，这个纵向孔还用作给凸轮轴轴承供油的油道。但这种方法的缺点是，接下来在现代化的高效能加工中心和凸轮型线磨床上的加工费用上升了。 在冷硬铸铁中，可以承受大约1000MPa的赫兹挤压应力。在铸铁材料制成的凸轮轴中，凸轮表面在铸成后通过重熔法转变成莱氏体，可以承受大约1200MPa，甚至1400～1800MPa（电子束）的赫兹挤压应力。 锻钢凸轮轴 铸钢凸轮可承受2000～2500MPa的赫兹挤压应力，钢凸轮在压制状态下在1800～2000MPa达到它的负荷极限。由于在柴油机中比压力较高，所以优先采用锻造凸轮轴。然而它的加工费用昂贵。 铸钢凸轮轴 在新开发的带辊子随动件的气缸压力很高的汽油机和柴油机中，凸轮上受到的赫兹挤压应力已经突破了冷硬铸件和烧结凸轮轴迄今为止所能够达到的极限。较新的凸轮轴制造工艺是实型法铸钢凸轮轴。利用实型法铸造工艺，可以铸造出一种带有较少加工量的外部轮廓和一种带贯通的或者只是一端贯通的圆柱形孔的凸轮轴以减轻重量。 铸件和浇铸系统的模型用0.3至0.5mm直径的聚氨基甲酸乙酯发泡剂（T珠）以5至8%的戊烷作为膨胀剂，通入水蒸气进行预发泡和终发泡而制成。为了实现无障碍的起模，模型由多个部件粘结或者插接而成，一个设在模型中间的直浇口在由多个子模型组成的模型下端与星形的冒口系统相连接。这整个的斯泰罗帕（Styropor，商品名）聚苯乙烯泡沫塑料结构浸入到液态的铸型涂料中，借此形成一层薄薄的陶瓷涂层，见图2。涂料的透气性决定了模型的气化过程。模型烘干后放入浇铸桶，砂子包围在模型的周围后浇铸。马勒气门传动链公司第一根用实型法制成的100 Cr 6铸钢凸轮轴现在正在一家德国的发动机制造商那里进行试验，其壁厚为5至6mm，硬度为HB230。 组合式凸轮轴 以上介绍的都是一体式凸轮轴。一体式凸轮轴通常是铸造或者锻造的，这样制造的凸轮轴不可能通过有目的地选择所用的材料或者通过对单个零件进行优化而节省重量。此外，这样的凸轮轴通常只能做成实心的。如果为了减轻重量而要在凸轮轴内部做出一个轴向的长孔，那么只能在铸造或者锻造之后通过加工来实现。 组合式凸轮轴能够将不同的材料组合起来，相对于铸造的和锻造的实心凸轮轴可以减轻重量达40%，是一种很有前途的工艺方法。马勒/隋考（Mahle/Süko）公司早在1982年开始为轿车汽油机开发了组合式凸轮轴。目前，组合式凸轮轴已批量用在福特公司的汽油机和柴油机、Smart轿车以及奥迪公司的V6-TDI柴油机上，在一级方程式赛车上也得到了成功的应用。 组合式凸轮轴可以采用不同的工艺方法制造。除了列在表1中的方法以外，还有一些其他方法，其中值得一提的有径向螺栓连接的组合式凸轮轴、钎焊凸轮轴、多边形连接法、摩擦焊连接法、粘接连接法或者热套粘结连接法以及各种过盈连接法和楔形连接法。 根据所选择的连接技术，组合式凸轮轴的轴可以采用钢管，也可以采用其它材料，例如采用一种高质量材料的精密轧制钢带加工成形，通过压力焊接之后进行冷拉，其强度至少达到800N/mm2，表面硬度达到HV=230-280。或者采用一种冷拉焊接的、柔软的精密钢管（ST52-3），壁厚4mm，随后在轴承部位淬火（见图3）。 凸轮轴组合工艺 热套法 所谓热套法，就是对外部零件进行加热和对内部管子进行冷却，并在NC控制的特种机床上，在短暂的时间间隔中将凸轮和各种零件（轴套、偏心环）先后连接成完整的凸轮轴（见图4）。连接精度为±20～30角度分，轴向尺寸精度为±0.2～0.3mm。凸轮材料（100 Cr 6钢或者烧结材料）可以根据配对的摩擦副材料自由地选择。凸轮只需要很小的磨削量，即使很小的凸轮间距也能够毫无困难地做到。采用精密烧结的凸轮可以完全放弃磨削加工。 另一种方法是，在管子的凸轮位置上将柔软的管子张开，需要连接的外部零件（凸轮、轴套）被压在管子上，由此形成了一种形状连接的和力连接的压配。 硬钎焊/烧结法 在采用PM（粉末金属）烧结材料时，赫兹挤压应力的限值在1200MPa左右。利用硬钎焊/烧结法制造组合式凸轮轴，此限值可提高到2000MPa以下（视烧结合金的成分而定）。 内部高压成形法 内高压成形（IHU）法，就是将已经淬硬了的凸轮圈以力连接和形状连接的方式与通过内部的高压力变形的钢管制成的轴相连接。见图5，凸轮圈的内部轮廓明显地偏离圆形，以便实现形状连接。通过在凸轮旁边将管子材料往外压出一些而达到凸轮的轴向定位，压出的尺寸是十分之一毫米左右。 IHU凸轮轴由壁厚为2.5和3mm的精密钢管（St 37-2）、用100Cr6钢制成的等温淬火凸轮圈以及钢质堵头或者焊接的终端零件组成。首先将等壁厚的凸轮圈置入一台专门的设备中，这台设备可以保证轴向对准凸轮圈中心线和凸轮圈的转角位置。钢管通过如此定位的凸轮圈。一台真空抓取机将预先定位好的各个零件放到带IHU工具的油压机上，IHU工具的模腔形状正好与制好的毛坯轴的外形轮廓一致。将液体介质注入管内之后，管子两端用轴向堵头封死。通过将管内压力提高到直至300MPa，整个管子发生塑性变形，直至贴合在IHU工具上。此时，在管子和凸轮之间就发生了力连接和形状连接。 这种IHU工艺制成的组合式凸轮轴已经成功地应用于奥迪公司2003年投入成批生产的V6-TDI轿车柴油机中。 管内滚压扩张法 管内滚压扩张法已被纳入特别易于加工的工艺方法之列，因为它在凸轮孔的公差方面没有特别的要求。管内滚压法的基础是滑动滚压原理，插入的管子元件具有较大的滚压过盈量，使轴在带孔的外部零件中发生局部的塑性扩张，由于接缝处的外部零件的弹性反弹作用而发生很高的面压配，由此形成力连接(见图6)。 接缝连接强度主要取决于滚压体的直径和连接副的材料。此外，接缝直径以及内部零件和外部零件的壁厚也有影响。在扩张形成接缝的过程中，滚压过盈量必须选得足够大，使得内部零件的应力能够超过流动极限。在达到了最低滚压过盈量的情况下，提高滚压体和工具之间的接触宽度可以对接缝强度发生影响、并求得足够的接缝强度。因此，合适地选择参数，接缝连接能够传递大于200Nm的扭矩。一般来说，凸轮轴在开启排气门时为了对抗缸内压力可能承受最大达30Nm的扭矩。 凸轮必须具有很大的耐磨能力，所以基本上都采用钢。轴颈的情况差不多。对于接缝连接来说，凸轮和轴承都只是发生了弹性变形，所以凸轮和轴承材料的弹性模量具有举足轻重的意义。铝和钢已经作为中空轴的材料用于滚压。轻金属的应用对于减轻重量具有巨大的潜力，特别是在负荷不太大、而截面形状又有利于承受负荷的构件中，例如封闭的圆环形截面的构件。 管子滚花套压法 这是德国蒂森克虏伯普里斯坦（ThyssenKrupp Presta）公司的工艺。首先在管子外面滚花加工出圆周方向上的槽子（见图7），凸轮的孔内加工出轴向的浅槽（见图8）。然后将加工好的凸轮套上管子并轴向压入；由于管子外径和凸轮孔之间有过盈，所以当凸轮推入到管子上面之后就会发生塑性变形。管子表面和凸轮孔都有一些锥度，所以压入之后非常牢固。 表2反映了几种组合式凸轮轴相对的重量节省量。在采用钢作为中空轴的时候，构件的重量可以减轻到46%，适合于负荷很高的凸轮轴；对于中低负荷的轴来说，可以采用铝作为中空轴的材料，这时凸轮轴的质量甚至可以减轻到53%。此外，组合式凸轮轴还可以对各个零部件和元件采取其他减轻重量的措施，以便进一步减小发动机的运动质量。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/14/2004)