汽车凸轮轴机加工线的前期规划与工艺分析

魏在祥

（上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海200093）

汽车凸轮轴机加工线的前期规划与工艺分析

魏在祥

（上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海200093）

现代汽车发展趋势要求各发动机厂家不仅要具有大批量生产的能力，同时也要具有小批量、多品种的生产技术。这种要求也顺理成章地延展至包括凸轮轴等在内的零部件加工。凸轮轴是内燃机配气系统中关键的零件之一，其精度要求高、但刚性差、易变形，因而加工难度大。因此，这对凸轮轴的设计、选材、加工工艺等都提出了许多要求。本文主要从某一凸轮轴机加工生产线的前期规划和工艺分析两方面就这些问题展开论述。

凸轮轴前期规划工艺分析

1 引言

在发动机行业中，数控机床、精密加工机床、加工中心、自动生产线、成组技术等先进加工设备及技术都得到了广泛的应用。现代汽车发动机行业的发展对发动机厂的要求日趋多元化；发动机厂现在已经普及了互换性、自动化生产，做到了流水线式生产线布置及工艺安排，实现了按节拍生产。某条凸轮轴加工线的节拍为1.75 min，包括了辅助时间和机加工时间。辅助时间包括上料、输送、检验的时间；机加工时间是从夹具定位、夹紧、机加工完成到夹具松开并推出工件的时间。

2 凸轮轴的技术要求

在汽车发动机的各个机构及零部件中，配气机构是非常重要的；而凸轮轴又是配气机构中最重要、最关键的零件之一。凸轮轴决定着气门的升程曲线和气门开关时刻，从而直接影响发动机的进排气量，进而影响发动机的动力性、经济性和排放[1]。

发动机行业现在大多采用顶置式配气机构，凸轮轴置于气缸盖上，凸轮直接作用于摇臂来控制气门。除单顶置凸轮轴外，还有双顶置凸轮轴（DOHC），一根凸轮轴控制进气门，另一根凸轮轴控制排气门。发动机对凸轮轴的加工精度要求很高。某发动机顶置凸轮轴的主要技术参数如表1所示。

表1 凸轮轴的技术参数

3 凸轮轴机加工生产线前期规划

3.1 凸轮轴加工内容和要求

该汽车发动机顶置凸轮轴材料为铜铬钼合金铸铁（FCA-3），各主轴颈及端面的表面硬度为180～240 HB，凸轮表面硬度为48 HRC。凸轮轴示意图如图1所示。

凸轮和支撑轴承表面粗糙度均为Ra1.6，各凸轮基圆相对与前后轴颈的基准轴线的径向跳动和平行度允差分别为0.03 mm和0.01 mm，各凸轮对称中心线相对于键槽的相对位置偏差（相位角）为±20′。斜齿轮齿数为13，螺旋角为53°±1'46"公法线长度38.611～38.806 mm，齿形误差≤0.025，齿向误差≤0.017，齿槽对键槽的角度20±2°。凸轮型线误差作用段为±0.05 mm。

3.2 凸轮轴制造策略及加工工艺分析

由于凸轮轴具有细长且形状复杂的结构特点，技术要求又高，尤其是凸轮的加工，因此加工工艺性较差。在凸轮轴的加工过程中，有2个主要因素影响其加工精度：一是易变形，二是形状复杂、加工要求高。

3.2.1 易变形

从细长轴的角度来说，突出的问题就是工件本身的刚度低，切削加工时会产生较大的受力变形。这种变形不仅影响到后续加工中的余量分配是否均匀，而且变形过大会导致后序加工无法进行，甚至造成中途报废。凸轮轴的加工变形将直接影响到凸轮轴的使用性能[2]。

因此，在安排其工艺过程时，必须针对工件易变形这一特点采取必要的措施。不仅要把各主要表面的粗精加工工序分开，以使粗加工时产生的变形在半精加工中得到修整，半精加工中产生的变形在精加工中得到修正，还必须在加工过程中增设辅助支承，以增加工件的刚度。这是保证凸轮轴加工精度所必须要考虑的问题。

3.2.2 形状复杂、加工要求高

从形状复杂的角度来说，突出的问题在凸轮、齿轮这些复杂表面的加工。对于这些表面，不仅有尺寸精度要求，而且还有形状、位置精度要求。如采用普通的加工设备和一般表面常规加工方法，显然是无法满足这些精度要求。

对于凸轮的加工，从满足使用要求的角度来说，既要求其相位角准确，又要求凸轮曲线升程满足气门开启和关闭时升降过程的运动规律，但凸轮型线上的各点相对其回转中心的半径是变化的。当选用一般的靠模机床加工时，由于加工半径的变化，势必引起切削速度和切削力的变化，加之工件旋转时的惯性力和靠模弹簧张力的瞬间变化，将会使加工后的凸轮型线产生形状误差，即凸轮的升程误差，从而直接影响凸轮轴的使用性能。

4 凸轮轴机加工生产线工艺分析

4.1 生产线布置

选择的生产线为U型布置。这种布置形式在保证物流通畅、占地面积小的情况下，可以做到一人多机操作，减少了操作工人的数量。每位操作工既要负责自己的这几台设备，同时还要负责测定工时及自检；最终工序的操作工还要负责最终质量检查。所以，由于生产线布置合理、紧凑，使得工人劳动效率得到了很大的提高。

图1 凸轮轴简图

采用高架线结构，使得水、电、气维修非常方便。每台设备后留有水、电、气接口，生产线两排设备后有排水沟。整个车间为整体地基，使设备的安装、移动非常方便，有利于在更换产品时能重新安排、增加或减少设备，进行柔性生产线布置。

4.2 工艺设计

4.2.1 定位基准的选择

对于一般的轴类零件来说，其轴线即为它的设计基准，发动机凸轮轴也遵循这一设计基准。由于凸轮轴各表面的加工难以在一次装夹中完成，因此，减小工件在多次装夹中的定位误差，就成为保证凸轮轴加工精度的关键。该凸轮轴工艺采用两端顶尖孔作为轴类零件的定位基准。这样不仅避免了工件在多次装夹中因定位基准的转换而引起的定位误差，而且也可作为后续工序的定位基准，即符合“基准统一”原则。

4.2.2 加工阶段的划分

由于凸轮轴的加工精度较高，整个加工不可能在一个工序内全部完成。为了利于逐步达到加工要求，把整个工艺过程划分为3个阶段，以完成各个不同加工阶段的目的和任务[3]。

（1）粗加工阶段。其包括车削各支承轴颈、齿轮外圆，粗磨凸轮。该阶段要求机床刚性好，切削给进量尽可能选得大些，以提高生产率并切除大部分加工余量。

（2）半精加工阶段。其包括精切削各支承轴颈和精磨齿轮外圆。该阶段主要为支承轴颈、齿轮的精加工做准备。

（3）精加工阶段。其包括精磨各支承轴颈、止推面、凸轮以及斜齿轮加工。该阶段加工余量和切削量小，加工精度高。

编制工艺时，首先以Φ32 mm和Φ48.5 mm的毛坯面为定位基准，然后以大端外圆的端面作轴向定位。每工序的具体定位基准和夹紧位置见表2。

4.2.3 工序顺序的安排

工序安排是否合理，对凸轮轴加工质量、生产率和经济性都有很大的影响。表2是该凸轮轴加工工艺。各支承轴颈工序安排为粗车——精车——精磨加工，凸轮工序安排为粗磨——精磨加工，斜齿轮工序安排为粗车——精车——精磨——滚齿加工。各表面的加工顺序按从粗到精、从主要表面到次要表面，加工工序相互交叉进行。从整体上说，符合“先粗后精”的加工原则。

表2 凸轮轴生产工艺简介

4.2.4 凸轮型面的加工

在凸轮轴的加工中，最重要同时难度最大的是凸轮型面的加工。凸轮型面的加工方法目前主要有车削和磨削2种。

凸轮型面的粗加工目前在国内主要是凸轮轴车床车削加工，也有采用铣削加工和磨削加工的，如采用双靠模凸轮轴磨床。磨床有2套靠模，当砂轮直径在一定范围内时，使用第1个靠模加工；当砂轮磨损到一定程度时，靠模自动转换，使用第2个靠模加工[4]。这种磨床通过对砂轮直径的控制来提高凸轮外形的精度，不仅提高了凸轮型面的加工精度，而且也使砂轮的利用更经济、更合理。

该凸轮轴毛坯采用精铸的方法制造，毛坯精度较高，切削余量小，故采用磨削的加工工艺，简化了凸轮型面的加工。在凸轮磨床上完成粗磨及精磨的加工。工件安装在两端顶尖之间并以键槽做轴向定位，在支承轴颈处安装辅助支承保证凸轮型面的加工精度。凸轮轴型面加工所采用的德国JUNKER JUCAM凸轮轴磨床是立方氮化硼磨床。该磨床能迅速地变换磨削的凸轮形状，且有较大的刚度，能承受大的工作负荷。由于立方氮化硼（CBN）砂轮的使用寿命高，因此，砂轮的直径变化所造成的凸轮形状误差显著减小，大大提高了凸轮型面的磨削精度。

4.3 工艺特点

4.3.1 凸轮轴的工艺特点

该发动机凸轮轴加工工艺特点如下：（1）毛坯硬度高（冷激区45 HRC，非冷激区229～302 HB）；（2）生产节拍1.75 min；（3）凸轮轴数控车床用于支撑轴颈的粗加工；（4）凸轮部分在铸造时冷激，不需加工后淬火；（5）凸轮采用粗、精磨加工，凸轮轮廓直接磨削；（6）凸轮精加工采用全数控无靠磨磨削；（7）加工中主要定位基准中心孔采用打孔后修磨，保证加工质量。

4.3.2 凸轮轴加工工艺先进性分析

（1）磨削密集型工艺——外圆、轴颈、端面及凸轮均采用磨削方法[5]。大批量生产的凸轮轴毛坯均采用精锻或精铸成形，其毛坯精度高，加工余量小，采用以磨代车的新工艺，极大地简化了凸轮型面的加工。

（2）凸轮采用数控无靠模磨削。采用数控凸轮磨削的新工艺，取消靠模，通过CNC控制获得精密的凸轮轮廓。同时工件无级变速旋转，并采用CBN砂轮加工凸轮轴，从根本上解决了传统凸轮磨床的缺陷，不仅摆脱了靠模精度对凸轮精度的影响，而且砂轮的磨损不影响加工精度。

（3）凸轮轴支撑轴颈的磨削。采用数控多砂轮磨削，可以高效率地磨削凸轮轴支撑轴颈，加工出的轴颈具有较高的圆柱度和较小的径向跳动。同时数控磨削还可以采用在线检测技术，对零件的加工部位尺寸进行监控，并把对砂轮的自动修整数据反馈给数控系统，来控制砂轮的补偿，从而确保加工部位的尺寸。

（4）采用立方氮化硼（CBN）砂轮磨削。由于采用了无靠模数控凸轮磨床，使得凸轮磨削过程中砂轮与工件接触表面不同且不均匀，且砂轮磨削过程中接触点（磨削点）与工件及砂轮二者中心线不在一条直线上，易产生升程误差，这一特点要求砂轮直径较小。因此决定选用陶瓷结合剂的立方氮化硼（CBN）砂轮磨削凸轮。砂轮直径由单晶钢玉的Φ600 mm减少到现在的Φ250 mm，且使用寿命长，工件的粗糙度及凸轮升程也均较好地满足了设计要求。

5 结束语

本文针对某汽车凸轮轴的加工特点，结合工厂实际，在建立一条集先进性与经济性统一的凸轮轴生产线的过程中，从前期规划开始，对凸轮轴的加工工艺、设备和检测进行了深入研究。根据产品要求，制定合理的凸轮轴生产线节拍、平面布置和工艺路线；并进行如下主要工作：

（1）根据凸轮轴加工特点，优化选择了加工设备。

（2）详细分析了凸轮轴机加工的加工特点和加工难点，优化设计了合理的加工工艺，保证了加工质量。

由于前期规划及前期准备较为充分，并有正确的理论指导，使得凸轮轴机加工生产线平面布置合理、设备利用率高、生产能力稳定。现在凸轮轴机加工生产线已进入稳定生产期，实现了经济性和先进性的统一，达到了预期的目标。

1杨昂岳，梁术.汽车发动机主要零部件技术水平及发展动向[J].汽车工业研究，1994（6）.

2韦于.凸轮轴实测数据光顺处理[J].广西：微车情报网，1999.

3克劳斯W H.汽车发动机设计[M].陆继勋，译.北京：人民交通出版社，1980.

4吉林工业大学内燃机教研室.内燃机理论与设计（下册）[M].北京：机械工业出版社，1977.

5刘兴富.关于凸轮评定公差标准的问题探讨[M].上海：机械制造，2002（2）.

Analysis ofⅠnitial Planning and Process of Automotive Camshaft Production line

Wei Zaixiang
（University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China）

Having being developed rapidly,the modern automobile engine industry requires an engine parts manufacturer not only has the ability to produce parts massively,but also has the technology for varieties production in small batch.These requirements also logically exist in the processing of engine camshaft.As one of the key parts of internal combustion engine system,the camshaft has high precision requirement on machining;but its poor stiffness and likely deformation makes the machining more difficult. This imposes many requirements on camshaft material,design and processing.This article mainly discusses the initial production planning and processing of a camshaft.

camshaft,initial planning,processing analysis

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.011

来稿日期：2013-10-29

魏在祥（1978-），男，在读工程硕士，主要研究方向为生产管理及自动化控制工程。