(工艺技术)凸轮轴加工工艺

1、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

2、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 HRC4 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。

3、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，女口：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

4、、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

5、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 $ 10 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

6、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1 0 号、 20 号锭子油盐浴或碱浴，淬火后经140C-250C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, 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

7、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 25C-30 C,淬火冷却液的温度为 53C-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/D5 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

8、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$2- $ 20mm 孔，L/D100、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$2- $ 6mm 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

9、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

10、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 CBNM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 13001500 的高温 , 并且与铁簇元素有很大的化

11、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

12、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

13、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

14、 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

15、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

16、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

17、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 $ 760mm 但使用到 $ 710mm 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 $ 760mm

18、 磨损到$ 710mm 凸轮型面误差为土 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

19、点：1.用一套数控装置（目前世界上最新的是西门子480D 和 FANAC210）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

20、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.凸轮轴的化学处理编辑本段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