装配式凸轮轴制造工艺

目前，大部分发动机制造企业都采用整体式凸轮轴，其材料有的采用中碳低合金锻钢(经高频淬火)，有的采用球墨铸铁。整体式凸轮轴加工工艺包括粗加工、半精加工和精加工。生产中采用自动线多工位机床，设备投资较大，生产线占地面积多，生产成本较高。而装配式凸轮轴只需半精加工和精加工，凸轮、齿轮、轴套可采用不同的材料，因此产品质量可减轻30％~50％；可柔性化生产，设备投资小，生产线占地面积少，生产成本较低。

1 装配式凸轮轴工艺流程

装配式凸轮轴工艺流程为校直→加工两端面中心孔、螺纹孔、驱动孔(2台加工中心并行加工)→车轴颈、齿轮毛坯、前止端面及导向轮毂→磨轴颈及导向轮毂→滚齿→压销→磨凸轮(3台磨床并行加工)→凸轮淬火→去毛刺→校直轴颈→凸轮轴颈及凸轮抛光→清洗→综合检测。

装配式凸轮轴内凸轮、轴套、偏心环、齿轮等零部件先后联成完整凸轮轴。装配过程是人工将所有凸轮轴组装。部件包括凸轮、主轴颈、齿坯放到安装上料盒中，钢管穿到各部件孔中，在安装上料盒中进行初定位。启动设备后，该上料盒进入设备中，首先用工装测头进行部件到位检测，并验证凸轮放置位置是否正确。验证通过后，使用机械手将凸轮轴上料到凸轮轴压球工位，然后各部件定位块启动以精确定位凸轮、轴颈、齿轮。到位后同时夹紧各部件，并伸出顶杆将直径超过管子内径的钢球穿过整个钢管内径，钢管外的凸轮轴部件在受到钢管膨胀伸展作用力下和钢管相互弹性变形最终形成装配式凸轮轴，这种凸轮轴组合工艺称为管内滚压扩张法。

2 凸轮轴装配工艺方法

2．1 热套法

常温下，外部零件的孔和内部钢管的外径之间有过盈，装配之前先对外部零件(凸轮、轴套)进行加热，对内部钢管进行冷却，借以消除过盈。这种工艺方法在短暂时间内完成联接过程，在轴向尺寸和角度位置方面都有很高精度。

2．2 内部高压成形法(IHU)

已经淬硬的凸轮圈与利用内部的高压力，使钢管变形形成轴向联接。通过在凸轮旁将钢管材料往外压出1／10 mm左右而达到凸轮的轴向定位。这种IHU工艺制成的装配式凸轮轴已成功应用在奥迪公司2003年投入批量生产的V6TDI轿车柴油机中。IHU装配式凸轮轴是由壁厚为2．5 mm或3．0 mm精密钢管上安装等温淬火的凸轮和钢管堵头组成。

整个周长上等壁厚的凸轮被置入一台专门的设备中，这台设备可保证轴向对准凸轮中心线和凸轮转角位置。钢管穿过如此定位好的凸轮推入，一台真空抓取机将预先定位好的各个零件放到带IHU工具的液压机上，IHU工具的模腔形状正好与制好的毛坯轴的外形轮廓相一致。将液体介质注入管内后，钢管两端用轴向塞头封死。通过将管内压力提高，使整个钢管发生塑性变形，直到贴合在IHU工具上。此时，钢管和凸轮之间接产生了力联接和形状联接。

2．3 管内滚压扩张法

利用滑动滚压原理使得薄壁钢管在带孔的外部零件中发生局部的扩张。可以利用带有滚压过盈量，穿过内管的滚压工具，使内管发生塑性扩张。上海通用汽车有限公司发动机装配式凸轮轴就采用钢球在钢管内部扩张方式。

2．4 凸轮压力套装定位法

这种工艺首次在钢管外面滚压加工出圆周方向的槽子，凸轮的孔内加工出轴向的线槽，然后从轴向将加工好的凸轮套上钢管并推入，由于钢管外径和凸轮孔之间有过盈，所以当凸轮推入到钢管上面以后就会发生塑性变形，钢管表面和凸轮孔都有一些锥度，推入之后非常牢固。蒂森克虏伯集团在大连的装配式凸轮轴的装配工艺就是采取这种方法。

3 装配式凸轮轴制造工艺特点

a．省略了毛坯件粗加工，工艺流程简单。装配式凸轮轴的各个零件加工余量小，精度高，不像整体式凸轮轴要从毛坯件(铸件或锻件)开始进行大量的毛坯粗加工和繁杂的工艺后，才能达到所要求的形状。装配式凸轮轴只需要在装配后进行半精加工和精加工，从而缩短了整个工艺流程。

b．加工余量小，便于高效率生产。各凸轮采用精铸部件，因而加工余量小。设备加工单件时间短，产能高，有利于规模化生产。如凸轮按最终形状精铸，减少了磨削余量，从而缩短了磨削时间。

c．不同的零件可使用不同的材料，以提高产品性能和加工性能。发动机对不同零件(轴套、凸轮、齿轮)有着不同的性能要求，装配式凸轮轴可在不同零件上采用不同材料。如凸轮采用粉末冶金或铸钢，凸轮轴采用冷拔钢管。这不仅有利于优化产品性能，也有利于改善凸轮轴加工性能和优化成本。

d．适应产品多品种柔性化要求。通过更换不同的轴颈和磨削不同的凸轮型线即可生产出多品种的凸轮轴。该系列产品的基本参数是一致的，包括轴颈、凸轮基圆半径、钢管直径、轴方向、长度间距等，生产线只需通过更换安装盒中的轴颈模具和切换磨床程序即可。

4 装配式凸轮轴加工工艺发展方向

a．柔性化的生产线布局。生产线布置采用单元自动化模块。单元内有龙门架式机械手上、下料，在瓶颈单元内预留位置便于扩展。单元问输送可采用自动化或人工运输，这样有利于生产线开动率的提高。

b．柔性化的产品。凸轮轴的材料和结构可根据产品设计需要灵活变化，以更多地满足市场要求，通过轴颈和凸轮型线的变化提供多品种产品。

c．高速磨削、高速磨削CBN(氮化硼)工具的使用。可以大幅度提高磨削效率，减少设备使用台数。磨削力小，零件加工精度高，工件表面粗糙度降低。砂轮寿命延长，生产成本降低。

d．多砂轮磨削和两个砂轮头架的使用。在提高砂轮转速的同时采用多砂轮磨削是另一种减少加工节拍的方法，如多砂轮磨削凸轮的同时磨轴颈外径，一台磨床使用两个砂轮头架同步加工凸轮等。

e．在线量仪的使用。为保证尺寸稳定性，装配式凸轮轴加工的关键设备越来越多地使用在线检测自动补偿功能。

f．粉末冶金等材料的使用。

g．工序集中方式加工。该方式就是将车、铣、钻、磨削的工序内容分别集中在一起，采用柔性设备组成的制造单元集中式加工。这样，将最大限度地减少工件装夹次数和上下料输送等辅助时间，有利于减少误差和提高生产效率。

h．设备单元可采用双主轴或双机床来减少加工节拍，如一个磨削单元可组合两台磨床，共用一套控制系统，并通过内置的龙门架式上下料装置输送工件。与采用两台独立的机床相比，不但节省了设备费用，而且大大减小了占地面积，并且每台磨床可使用多主轴完成磨床组合。车床和加工中心也都可以采用双主轴的方式来提高效率。蒂森克虏伯集团在大连建立了装配式凸轮轴工厂，为发动机制造企业提供装配式凸轮轴。

采用装配式凸轮轴，发动机性能得到提高，明显改善了燃油经济性，降低了排放，减少了振动，同时也降低了制造成本。目前，装配式凸轮轴已越来越受到发动机制造企业的欢迎。

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