装配式凸轮轴加工工艺及其趋势

装配式凸轮轴加工工艺及其趋势

刘松

安徽文达信息工程学院 机械与汽车工程学院，安徽 省 合肥市 231201

摘要：本文明确了现有凸轮轴加工的现状及阻碍，通过分析装配式凸轮轴连接形式、加工工艺，同时列出图标做出对比，得出滚花法优势明显的结论，最后结合现有阻碍及研究现状，简述了未来一段时间内装配式凸轮轴加工的发展方向，给研发、生产单位提供参考。

关键词：装配式凸轮轴；加工工艺；发展方向

前言：凸轮轴是汽车发动机的重要组成部分，其质量决定了发动机的性能及使用寿命。装配式凸轮轴以其独特优势替代了传统凸轮轴制造方式，由轴颈、轴体和凸轮组成，需要保证各部分间完美连接和配合。

一、现有凸轮轴加工的现状及阻碍

现有的凸轮轴生产多是应用铸造或是锻造工艺，也有部分生产单位应用碳钢切削的工艺进行凸轮轴生产。应用铸造工艺生产的凸轮轴主要有冷硬铸铁、淬火铸铁等形式。为了降低产品质量，便于成品的运输和安装，凸轮轴改用型芯铸造模式，使凸轮轴的内部呈空心状。日本生产的凸轮轴以冷硬铸铁为主，而美国的则是以淬火铸铁为主。近年来，以提升发动机性能为目的，重融冷硬主体、淬火球墨铸铁等凸轮轴的制造技术发展成熟，但由于成本限制，该技术直在小范围内得以应用；锻造式的凸轮轴制造，主要应用碳钢材料进行热锻处理，但在凸轮部分则是应用高频淬火工艺进行处理，这种工艺制造出的凸轮轴主要应用于大中型发动机上。其较强的耐点蚀性，使其能够与气门顶置式结构的挺杆进行良好的配合，同时也可与摇臂进行组合用于柴油发动机凸轮上置式结构上。

应用传统制造工艺制造出的凸轮轴，因为其工艺特征致使难以同时保证发动机的配气机构对凸轮轴不同位置的差异化性能要求，同时凸轮轴的排列较为分散，实现紧凑式排列难度较大，各部分铸成所应用的材料配比也较为不合理，在后续的加工过程中面临更加复杂的难题，在降低质量、节约成本角度也很难有进一步提升^[1]。

二、装配式凸轮轴连接形式、加工工艺比较分析

（一）装配式凸轮轴的应用优势

装配式凸轮轴最早出现于上世纪80年代，当时出现的第一种连接方式是依靠焊接实现的，再同一时期还研发出了扩管法工艺制成的凸轮轴。在90年代后期应用滚花连接式工艺制成的凸轮轴开始投入研发，伴随着新的连接方法的不断产生，装配式凸轮轴的制造工艺也在不断更新优化。

装配式凸轮轴的凸轮与轴是分开制造后，通过连接工艺组装而成的。通常情况下，凸轮应用碳钢火势粉末冶金材料制成，而轴体则一根冷拔薄壁的无缝钢管。碳钢制成的凸轮可以进行高频淬火以及渗碳处理，实现凸轮加工，其耐胶着性能极高，耐点蚀能力极强。烧结过程中应用的合金材料是Fe-C-P-Ni-Cr-Mo物质合成的金属制品，是制作凸轮可应用材料种最理想的材料。在产品加工工艺的设计环节，可以将凸轮的宽度设计的较窄，每个凸轮间的间隔也可以适当缩进，凸轮在制成后的排列是十分紧凑的，装配式凸轮与传统的凸轮轴比较质地更轻、加工成本更低、加工材料的应用更加合理。

（二）装配式凸轮轴的连接工艺及加工方法

现有的装配式凸轮轴的轮轴连接方式主要分为焊接式、烧结式以及机械式三种形式，也存在几种方法搭配使用的情况。具体的连接方式为：

1.焊接式

应用焊接式连接凸轮轴之前，需要应用冷过盈装配法、热过盈装配法将凸轮安装在轴体上，只有与凸轮的四周或是弧度的部分应用焊接工艺使凸轮与轴体进行焊接。在使用焊接法连接凸轮与轴体时，尤其要注意尽可能避免焊接位置发生应变，同时要加强预防在焊接处出现裂纹。该方法因为时长存在焊接裂缝的问题，所以对焊接材料由一定的要求，只能用于钢质材料的焊接。

2.烧结式

烧结式连接法是将钢管插入进粉末冶金凸轮之中，在此之后将带有粉末冶金凸轮的钢管放置在烧结炉内，利用液态烧结扩散现象使凸轮与轴体相连接。因为液相发生的存在，烧结材料会产生一定的收缩，这个收缩范围在8%左右，收缩使烧结材料的内部结构更加紧密，同时与轴体之间的连接也会更加紧固，轴颈的连接可在凸轮轴连接的同时应用钎焊的工艺完成连接。

3.机械式

装配式凸轮轴机械式连接方法分为以下几种：第一种为热套法，即把尺寸过盈的凸轮先加热至150摄氏度到200摄氏度之间，加热完成后将凸轮压至轴体中，实现过盈连接。第二种为冷套法，即把尺寸过盈的凸轮在常温条件下直接压入轴体中，实现过盈连接。第三种为液压扩管法，即先设置凸轮安装在钢管上，再对钢管内部进行液体加压，从而使钢管产生塑性膨胀，最终完成与凸轮连接。第四种为机械扩管法，与液压扩管法原理相同，即把凸轮提前套装再钢管之上，再将一个有拉头的拉杆在钢管内部通过，使钢管产生塑性膨胀发生形变，完成与凸轮的连接。第五种为滚花法，即在轴体的外部应用机器在表面机械能加工，提前做好处理，再将凸轮在常温环境下压至轴体之中，使凸轮与轴体紧密结合。

将三种连接方式的凸轮轴材料、制造方法及用途通过表格对比，在实际应用中根据应用需求进行生产定制，对比表格如表1所示。

表1 装配式凸轮轴材料、加工方法机用途

（三）连接方式分析

连接工艺是装配式凸轮轴的关键技术，不同的连接工艺也决定了不同的制造工艺机加工设备。前文所提及的连接方式在不同方面各有优劣。

焊接式工艺在焊接时，由于凸轮轴的材料特性导致受热后易发生变形，凸轮轴的尺寸精度会降低，温度的突然变化也会使装配式凸轮轴的焊接部位 产生裂痕，凸轮轴质量难以保证。烧结式的连接工艺会在粉末烧结成型时，凸轮轴会因为液相扩散与轴体相连，此时应保持温度在1000摄氏度以上，高温环境下，轴体会产生弯曲，导致精度存在偏差，同时烧结的材料也有一定限制。扩充法进行加工需要先将凸轮与轴体进行套装，之后再从轴体内侧进行扩张，扩张时压力过大，为保证凸轮承压，需要增大厚度，但轴体的管道需要选用薄壁型，对加工设备也有一定要求。冷热过盈连接法在生产加工时应用较为广泛，但在进行凸轮轴加工时，凸轮加热易软化，耐磨程度降低，凸轮工作时会产生热量，热量导向轴体，导致热过盈量出现变化，影响连接强度。相比较其他几种连接方式，滚花法连接优势较为均衡，可靠性、精度、设备要求、能耗等方面都可以维持较高水平，无明显短板^[2]。

三、装配式凸轮轴加工工艺的发展趋势

装配式凸轮轴在当前形势下维持较快发展，主要在高性能发动机上得到应用，世界范围内绝大多数的汽车制造都应用到装配式凸轮轴技术，同时工艺也在不断革新。由于滚花法连接的优越性，越来越多的单位开展滚花法连接研究，从连接设备、连接机理、受力情况、装配力等方向卡组深入研究，现已向智能化、自动化方向发展。

在装配式凸轮轴发展的几十年中，除了文中提到的方法外，各研发生产单位还在进行生产材料的研究，如陶瓷凸轮轴等。伴随装配式凸轮轴技术的不断革新，最终成品的性能更强、成本更低、技术更加成熟^[3]。

总结：装配式凸轮轴以其自身优势在汽车发动机制造领域得到广泛重视，要在找到适合加工工艺的基础上继续研究，加快装配式凸轮轴连接工艺升级，同时结合新材料，促进装配式凸轮轴生产向高质量、高性能、高精度、低成本、轻量化方向发展。

参考文献

[1]孙备,王翠芳.凸轮轴轻量化在发动机中的应用[J].绿色科技 2018(12).

[2]唐永亮.凸轮轴的加工及编程[J].中国金属通报,2017(5):49-51.

[3]乔健,寇淑清,卢清华.材料力学性能对装配式凸轮轴球体扩径连接性能的影响[J].锻压技术,2018(8).

作者简介：刘松（1985-），男，汉族，安徽合肥人，硕士，安徽文达信息工程学院机械与汽车工程学院，讲师，研究方向：机械工程。

基金项目：本文系安徽文达信息工程学院自然科学研究项目（项目名称：装配式凸轮轴悬臂式数控装配机研究与设计 项目编号：XZR2018A08）