凸轮轴加工工艺

凸轮轴的加工工艺

凸轮轴的加工工艺

凸轮轴的材料：球墨铸铁、合金铸铁、冷激铸铁、中碳钢

球墨铸铁：将接近灰铸铁成份的铁水经镁或镁的合金或其它球化剂球化处理后而获得具有球状石墨的铸铁。石墨呈球状，大大减轻了石墨对基体的分割性和尖口作用，球墨铸铁具有较高的强度、耐磨性、抗氧化性、减震性及较小的缺口敏感性。

球墨铸铁的凸轮轴一般用在单缸内燃机上，如S195柴油机，做凸轮轴用的球墨铸铁用

QT600-3或QT700-2，要求球化为2级（石墨球化率90-95%）石墨粒度大小大于6级。凸轮轴整体硬度HB230-280

合金铸铁：将接近灰铸铁成份的铁水加入Mn、Cr、Mo、Cu等元素。从而与珠光体形成合金，减少铁素体的数量。合金铸铁的凸轮轴一般用于高转速凸轮轴。如CAC480凸轮轴，凸轮轴整体硬度HB263-311。

冷激铸铁：一般用于低合金铸铁表面冷激处理，使外层为白口或麻口组织，心部仍是灰口组织。如：372凸轮轴。使用冷激铸铁的凸轮轴处于干摩擦或半干摩擦工作状态，而具有承受较大的弯曲与接触应力，要求材料表面层抗磨且高的强度，心部仍有一定的韧性。目前国内所用的冷激铸铁主要有两大类：铬、钼、铜冷激铸铁和铬、钼、镍冷激铸铁，冷硬层的金相组织:莱氏体+珠光体(索氏体)冷激铸铁硬度为HRC45—52,目前，国内冷激铸铁的硬度在HRC47左右。

中碳钢：一般用于大型发动机凸轮轴。如：6102发动机采用模锻锻造成型，也有一部分用于摩托凸轮轴，成型较简单。模锻后一般要进行退火处理以便于机械加工。

凸轮轴加工的典型工艺

一．凸轮轴轴颈粗加工采用无心磨床磨削

无心磨床的磨削方式有2种：贯穿式无心磨削和切入式无心磨削。贯穿式无心磨削一般用于单砂轮，它的导轮是单叶双曲面，推动凸轮轴沿轴向移动，仅仅用于磨削光轴。切入式无心磨削是由多砂轮磨削（若是单砂轮磨削，一般砂轮被修整成成型砂轮，如：磨削液压挺柱的球面），如现有480凸轮轴的磨削，可磨削阶梯轴，导轮为多片盘状组合而成，工件不能沿轴向移动，无论是哪一种磨削方式，工件的中心都高于砂轮和导轮的中心，一般切入式磨削都有上料工位、磨削工位、测量工位、卸料工位组成。砂轮线速度60m/s，轴颈径向磨削余量可达3.5mm，单件磨削时间18s，单件工时25s。用无心磨床加工凸轮轴是一种新颖、独特的新工艺，新方法，但又存在一定的局限性，特别是不易磨削轴肩和端面，一般不用于多品种凸轮轴的加工，只用于单一品种、大批量的生产，若要更换所加工的凸轮轴品种，就要更换导轮和砂轮，各砂轮间距需重新调整。切入式无心磨床的修整一般采用单颗粒金刚石修

整，修整器所走的路线是凸字形，修整器靠模各段差值与凸轮轴的各段轴颈差值相等。粗磨凸轮轴轴颈所用的砂轮都属于碳化物系列，粒度为60，砂轮线速度为45m/。

二、铣端面，钻中心孔

中心孔加工是以后加工工序的定位基准，在铣端面时，一般只限定5个自由度即可，用2

个V型块限定4个自由度，轴向自由度是由凸轮轴3#轴颈前端面或后端面（在产品设计中，该面应提出具体要求）。目前普遍采用的是自定心定位夹紧，密齿刀盘铣削。轴向尺寸保证后端面到毛坯的粗定位基准尺寸和整个凸轮轴长度，鉴于凸轮轴皮带轮轴颈尺寸较小，钻中心孔时一般选用B5中心钻，钻后的孔深用φ10钢球辅助检查，保证球顶到后端面尺寸和2钢球顶部之间的距离，这样可保证以后定位的一致性。

三、凸轮轴的热处理

热处理：将原材料或未成品置于空气或特定介质中，用适当方式进行加热、保温和冷却，使之获得人们所需要的力学或工艺性能的工艺方法。

热处理分类：一般热处理、化学热处理、表面热处理

球墨铸铁凸轮轴一般都是等温淬火。冷却介质为10号、20号锭子油盐浴或碱浴，淬火后经140°C-250°C低温回火，回火后的组织为黑色针叶状马氏体，硬度HRC50-54。

合金铸铁和钢件凸轮轴一般采用中频淬火：淬火频率1000-10000Hz,一般选用7000Hz。也就是感应加热表面淬火，其原理是：将凸轮轴的凸轮放入加热线圈中，由于电流的集肤效应，使凸轮由外层向内加热、升温，使表层一定深度组织转变成奥氏体，而后迅速淬硬的工艺，目前480凸轮轴采用自然回火的方法，其凸轮表面组织为针状马氏体。

凸轮轴经表面热处理：可较大地提高零件的扭转和弯曲疲劳强度和表面的耐磨性。

感应加热淬火变形小、节能、成本低、劳动生产率高、淬火机可放在冷加工生产线上，便于生产管理。

480凸轮轴中频淬火机在感应加热时，要对电源、变压器、感应线圈进行冷却，要求冷却水的温度在25°C-30°C,淬火冷却液的温度为53°C-62°C，若机床本身达不到要求，必须在机床外提一套附加冷却装置，用来给冷却水制冷。

四、凸轮轴的深孔加工

在机械加工中L/D>5时的孔加工可称为深孔加工，用普通麻花钻钻深孔时有以下困难。

1.钻头细长。刚性差，加工时钻头易弯曲和振动，难以保证孔的直线度与加工精度。

2.切屑多，而排除切屑的通道长而狭窄，切屑不容易排出。

3.孔深切削液不易进入，切削温度过高，散热困难，钻头容易断。

深孔钻按工艺的不同可分为在实心物体上钻孔、扩孔、套料3种，而以在实心料上钻孔用得最多，如480凸轮所用的深孔都是由枪钻经2头加工而成的。每次钻孔深为L/2+10mm。

枪钻钻削是单刃外排屑式的，一般适用于加工φ2-φ20mm孔， L/D>100、表面粗糙度

Ra12.5-3.2mm、精度H8-H10级的深孔。单刃外排屑深孔钻，最早用于加工枪管，故称枪钻，也是φ2-φ6mm深孔加工的唯一办法。枪钻带有V形切削刃和一个切削液孔的钻头、钻杆、及适用于某专用设备的钻柄组成。高压切削液（7MPa）通过钻头的小孔送到切削区域内，进行冷却、润滑并帮助排屑，然后再将切屑与切削液顺着V型刀杆排入集中冷却系统中。钻头为硬质合金，采用焊接式结构。切削用量一般为0.06-0.1mm/r，为了更好地控制刀具的破损程度，刀具采用径向负荷反馈，一旦刀具切削力达到一定的数值，在数控系统的作用下，刀具能自动退回，从而避免枪钻折断，提高刀具的使用寿命。磨钝后的刀具换下，再重新进行刃磨后方可使用。

凸轮轴深孔加工冷却液一般用锭子油，虽然油的冷却效果比乳化液差，但油的润滑效果比冷却液要好得多。

五、主轴颈快速点磨加工与CBN砂轮

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快速点磨是德国勇克公司开发出来的一种先进的外圆高效磨削新工艺，该机床加工凸轮轴只需两顶尖定位夹紧，无需任何夹紧工具，利用前顶尖的高速旋转，通过顶尖和凸轮轴中心孔的摩擦来驱动工件运动，可以实现轴类零件在一次装夹后，用一片砂轮完成7个轴颈、一个端面和一个磨削圆角的工艺。

快速点磨砂轮是横向磨损，在磨损过程中，被磨削的凸轮轴外形尺寸不会因此而发生变化，磨削端面时，砂轮可倾斜±0.5︒，使砂轮与工件的接触面只有传统磨削端面的1/2。

CBN具有良好的导热性,其导热率是硬质合金的13倍，铜的3倍,另外CBN具有远优于金刚石的热稳定性和化学稳定性（金刚石与铁簇元素易产生亲和作用）,可耐1300—1500的高温,并且与铁簇元素有很大的化学惰性，CBN是制作切削黑色金属的理想刀具材料。

CBN属于立方晶系，它的硬度、强度和其它物理性能远远优于刚玉等系列磨料。在进行磨削过程中CBN自身磨损非常少，在大批量生产过程中，单个零件所需要的成本较小。砂轮的形状、尺寸变化极小，耐用度较高，修整频次约为刚玉系列的1/20，每次修整量约为刚玉系列的1/25，砂轮与工件的磨削区内磨削温度较低，可避免在磨削的弹性变形阶段工件所产生的裂纹和磨削烧伤等现象的出现。

CBN具有良好的化学稳定性与耐热性,与碳在2000︒C时才起反应，在高温下易与水产生反应。砂轮的耐用度高，机床的使用率可达97%以上，与一般砂轮磨削相比，可提高功效

600%--700%。

当砂轮在宽度方向的磨损量占砂轮宽度的80%时便对砂轮进行修整，砂轮每次修整量为

0.006mm，共分3部进行修整，每一步修整量为0.002mm，每修整一次可磨削120根凸轮轴，砂轮线速度为120m/s，可获得较高的金属切除率，使用冷却油做为冷却液，不仅仅是给砂

轮和工件提供冷却液，同时也给砂轮和工件提供更好的润滑，同时由于油膜的吸附作用，还可以防止凸轮轴的轴颈表面氧化，防止磨削完后的工件表面生锈。磨削液的供给是采用喷射法提供的冷却液，冷却较充分，可使砂轮的寿命提高一倍，金属切除率提高一倍以上，同时采用冷却液反冲的方法，冲洗砂轮表面，防止砂轮堵塞，使CBN颗粒始终以锋利的状态对工件进行切削，再加上CBN粒度较小，凸轮轴轴颈单位面积上参加切削的磨粒比一般砂轮要多，轴颈在被切削时所产生的弹性摩擦和变形阶段均较小，因此产生的弹性变形和塑性变形均较小，提高了表面粗糙度，防止表面产生磨削烧伤和因磨粒因素而引起的裂纹。在磨粒切削阶段，对产生的热应力和变形应力均较小。

由于磨削速度很高，磨削热量来不及传入工件的深处，瞬时聚集在凸轮轴很薄的表层，形成切屑被带走。磨粒切削点的温度达1000︒C以上,而内部只有几十度

选用CBN砂轮磨削，磨粒锋利，磨削力小，故磨削区发热量少

CBN显微硬度7300—9000HV，抗弯强度300MPa、抗压强度800--1000MPa、热稳定性

1250︒C--1350︒C。

应用声音传感器严格限制砂轮和金刚滚轮间的距离，主要是防止砂轮修整时砂轮和金刚滚轮发生撞击。砂轮架纵向进给时，传感器测头与砂轮间形成一小的缝隙，砂轮高速旋转压缩砂轮周围的空气，根据空气流通的通道大小不同，所产生的气阻声音大小不一样，从而判断传感器和砂轮间的缝隙而做出反馈，一旦砂轮和金刚滚轮产生接触，修整器自动修整砂轮，而声音传感器能根据声音尖锐响声大小来判断砂轮修整的正确性。

与树脂类结合剂相比，陶瓷结合剂化学性能稳定，耐热、抗酸、碱，气孔率大，工作时不易发热，在磨削过程中易脱落，热膨胀系数小，强度较高，能保持好CBN的几何形状，且磨具易修整。

用于磨削凸轮轴轴颈和端面的CBN砂轮立方氮化硼厚度只有4.5—5MM，并且是粘附在刚性钢盘上，刚性较好。

工件转速与砂轮转速的比为:40/8000

无进给磨削即光磨，可提高工件的几何精度和降低表面粗糙度参数值，表面粗糙度随光磨次数的增加而降低，细粒度砂轮比粗粒度好

砂轮的修整：修整通常包括整形和修锐，整形是使砂轮达到要求的几何形状和精度，砂轮的几何形状采用数控插补法进行，修锐是除去磨粒间的结合剂，使磨粒露出结合剂一定高度，形成切削刃，磨粒间空隙以容纳切屑。

金刚石滚轮磨削修整的特点：生产率高：以切入法进行修整，修整时间仅需2-10秒，可在进行凸轮轴更换工件时进行修整，不耽误生产节拍，同时由于金刚滚轮的寿命长，修整时间短，大大缩短了辅助时间，单件工件的消耗较低，金刚滚轮的精度较高，修整后的砂轮表面质量也较好。

矿物油冷却液的主要成份是轻质矿物油，加入适量的油溶性防锈添加剂。为了增加矿物油的润滑性能，常加入油性添加剂如脂肪酸等，以提高矿物油在低温低压时的渗透和润滑效果。矿物油的供给方法是喷射法，这样，可以提高供液压力，增大磨削液供给速度，以便将磨削热量迅速带走，并能冲破砂轮高速旋转的气流，使磨削液能有效的进入磨削区，改善磨削效果。由于砂轮的气孔小，磨削液必须经过精密过滤。由于磨削过程所产生的磨屑和砂粒等杂

质在磨削液中不断增加，以至磨削液变脏变臭，不仅影响磨削工件的质量，还会危害环境卫生，快速点磨所用的过滤是柱状纸质过滤。

六、凸轮的加工

传统的凸轮加工采用靠模加工，一般来讲，第厂进、排气凸轮都有一个母靠模，凸轮轴上有几个凸轮就有几个靠模，这种加工其实就是仿形加工，母靠模的加工误差也会复映到加工的成品凸轮上。具体来说，有以下缺陷。

1.砂轮的利用率也较低，以现生产的480凸轮轴为例，靠模机床砂轮线速度为60m/s，刚换上的砂轮直径为φ760mm，但使用到φ710mm后就必须重新换砂轮，否则凸轮的型面的误差会增大，砂轮从φ760mm磨损到φ710mm凸轮型面误差为±0.015mm.

2.工件头架电架为双速电机，凸轮轴只能用固定转速旋转、凸轮型面上多个磨削点的线速度不一样，磨削时单位时间的切除量和磨削力不一样，导致凸轮型面加工产生误差，且容易产生磨削烧伤和裂纹。凸轮等速磨削时型面误差为0.036mm。凸轮变速磨削时型面误差为

0.012mm。

3.工件支承在装有尾架、中心架的摇架上，摇架机构往复摆动势头影响凸轮型面精度、粗糙度和生产效率的提高。

4.同一个靠模只能用于同一种凸轮轴，因此只适用于单一品种生产，否则就需要重新换靠模，不能实现柔性化，多品种生产。

现代的凸轮轴加工用数控磨削，具有如下特点：

1. 用一套数控装置（目前世界上最新的是西门子480D和FANAC210i）既控制工件主轴的无级变速旋转和分度又控制砂轮架按凸轮型面的升程数值和降程数值的往复运动及横向进给。

2. 工件主轴由NC装置控制的伺服电机驱动，实现无级变速传动，不仅可以实现粗磨和精磨所需要的不同转速，而且可以实现工件主轴在每转内按凸轮不同曲线进行自动变速磨削。这可以使凸轮型面上每一磨削点的线速度，金属切削量和磨削力基本一致，对保证凸轮表面的磨削质量是非常重要的。

3. 砂轮可实现高速、恒线速度磨削。如480凸轮轴kopp磨床80m/s.

4. 具有较大的柔性。CNC装置可以存贮20个凸轮轮廓数据和9个磨削数据。满足了凸轮轴多品种变化的柔性生产需要。

5. 砂轮主轴采用内平衡装置，取代了以前的液力平衡装置和机械平衡装置，平衡精度高，砂轮几乎不抖动，提高凸轮型面的磨削精度。

6. 采用金刚滚轮修整，修整时采用声速传感器来控制每次砂轮修整量，能得到好的砂轮修整精度，并且每次砂轮修整后NC装置能自动记忆并补偿。

7. 采用CBN砂轮，刚换上的新砂轮与换下来废砂轮之间半径方向只有4.5-5mm，从而保证凸轮型面的一致性。

七.凸轮轴的化学处理

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化学处理是将金属置于一定化学介质中，通过化学反应在金属表面生成一种化学覆盖层使获得装饰、耐蚀、绝缘等不同的性能。化学处理一般有氧化处理和磷化处理。

磷化处理优点：

1. 凸轮轴的凸轮一般要经过磷化处理，经过磷化处理后的凸轮在大气中较稳定耐蚀性高于氧化处理，磷化后经重铬酸钾溶液填充浸油处理后，能进一步提高耐蚀性。

2. 磷化膜孔隙多，具有很强的吸附能力。

3. 具有润滑性和减摩性。

4. 具有较高的绝缘性。一般经磷化处理后的凸轮，在经过一段时间磨合后，在桃尖处磷化膜脱落变得铮亮，有利于凸轮和挺柱的初期磨合。一般来说，凸轮轴的磷化膜厚度为

0.0025—0.006mm，为了保证凸轮轴的表面精度，要求磷化前的凸轮表面粗糙度0.6。

八、凸轮轴的抛光

凸轮轴的主轴颈、油封轴颈要求表面粗糙度0.2，所以必须除去主轴颈和油封轴颈的表面磷化膜，为了保证主轴颈和油封轴颈表面粗糙度，必须对它们进行抛光处理，在抛光过程中，由于摩擦生热少，磨；粒散热时间长，可有效地减少工件的变形、烧伤，主要是提高表面的加工精度，使凸轮轴轴颈获得光亮光滑的表面，但不能提高产品尺寸和几何精度，对零件的形位误差不产生任何改变，按目前的工艺水平，抛光砂带采用纸质砂带，砂粒的粒度280—320，抛光液选用煤油，抛光机的专用工装为硬质树脂制的上下两个半圆。

九、凸轮轴的探伤

由于凸轮与挺杆接触时，表面接触应力较大，凸轮表面不允许有任何缺陷，所以凸轮轴表面需要经过探伤，探伤分为两类：磁粉探伤和荧光探伤，主要探测凸轮在淬火过程中产生的淬火裂纹和磨削过程中产生的磨削裂纹。探伤也是一种无损检测方法，按现有的生产水平，荧光探伤比较干净，优于磁粉探伤，因为磁粉探伤除了要配置磁悬液外，现场生产也难得保持干净，并且经过退磁后，仍然有一部分磁通量流在凸轮轴上。

十、凸轮轴的清洗

凸轮轴不仅仅要进行表面清洗，更主要的是主油道的清洗和油孔的清洗，防止铁屑等脏物滞留在主油道孔的搭结处，除去油孔孔口毛刺，一般来讲，单根凸轮轴的清洁度为10毫克左右，若清洁度超标，将加速发动机零件的磨损，缩短发动机的寿命，清洗后的凸轮轴，还要吹干，涂上防锈油，并且做好防尘工作，存放在零件库内。