凸輪軸加工工藝

1、凸輪軸加工工藝 凸輪軸的加工工藝 凸輪軸的材料：球墨鑄鐵、合金鑄鐵、冷激鑄鐵、中碳鋼 球墨鑄鐵：將接近灰鑄鐵成份的鐵水經(jīng)鎂或鎂的合金或其它球化劑球化處 理后而獲得具有球狀石墨的鑄鐵。石墨呈球狀，大大減輕了石墨對(duì)基體的 分割性和尖口作用，球墨鑄鐵具有較高的強(qiáng)度、耐磨性、抗氧化性、減震 性及較小的缺口敏銳性。 球墨鑄鐵的凸輪軸一樣用在單缸內(nèi)燃機(jī)上，如 S195 柴油機(jī)，做凸輪軸用的 球墨鑄鐵用QT600-3或QT700-2,要求球化為2級(jí)（石墨球化率90-95%） 石墨粒度大小大于 6 級(jí)。凸輪軸整體硬度 HB230-280 合金鑄鐵：將接近灰鑄鐵成份的鐵水加入 Mn、Cr、Mo、Cu 等元素。從

2、而 與珠光體形成合金，減少鐵素體的數(shù)量。合金鑄鐵的凸輪軸一樣用于高轉(zhuǎn) 速凸輪軸。如 CAC480 凸輪軸，凸輪軸整體硬度 HB263-311。 冷激鑄鐵：一樣用于低合金鑄鐵表面冷激處理，使外層為白口或麻口組織， 心部仍是灰口組織。如： 372 凸輪軸。使用冷激鑄鐵的凸輪軸處于干摩擦或 半干摩擦工作狀態(tài)，而具有承擔(dān)較大的彎曲與接觸應(yīng)力，要求材料表面層 抗磨且高的強(qiáng)度，心部仍有一定的韌性。目前國(guó)內(nèi)所用的冷激鑄鐵要緊有 兩大類：鉻、鉬、銅冷激鑄鐵和鉻、鉬、鎳?yán)浼よT鐵，冷硬層的金相組織 : 萊氏體+珠光體（索氏體）冷激鑄鐵硬度為HRC4552, 目前，國(guó)內(nèi)冷激鑄鐵的 硬度在 HRC47 左右。 中碳鋼

3、：一樣用于大型發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸。如： 6102發(fā)動(dòng)機(jī)采納模鍛鍛造成型， 也有一部分用于摩托凸輪軸，成型較簡(jiǎn)單。模鍛后一樣要進(jìn)行退火處理以 便于機(jī)械加工。 凸輪軸加工的典型工藝 一凸輪軸軸頸粗加工采納無(wú)心磨床磨削 無(wú)心磨床的磨削方式有 2種：貫穿式無(wú)心磨削和切入式無(wú)心磨削。貫 穿式無(wú)心磨削一樣用于單砂輪，它的導(dǎo)輪是單葉雙曲面，推動(dòng)凸輪軸沿軸 向移動(dòng)，僅僅用于磨削光軸。切入式無(wú)心磨削是由多砂輪磨削（若是單砂 輪磨削，一樣砂輪被修整成成型砂輪，如：磨削液壓挺柱的球面） ，如現(xiàn)有 480凸輪軸的磨削， 可磨削階梯軸，導(dǎo)輪為多片盤狀組合而成，工件不能沿 軸向移動(dòng)，不管是哪一種磨削方式，工件的中心都高于砂輪和

4、導(dǎo)輪的中心， 一樣切入式磨削都有上料工位、磨削工位、測(cè)量工位、卸料工位組成。砂 輪線速度60m/s,軸頸徑向磨削余量可達(dá)3.5mm,單件磨削時(shí)刻18s,單件 工時(shí)25s。用無(wú)心磨床加工凸輪軸是一種新穎、專門的新工藝，新方法，但 又存在一定的局限性,專門是不易磨削軸肩和端面,一樣不用于多品種凸 輪軸的加工,只用于單一品種、大批量的生產(chǎn),若要更換所加工的凸輪軸 品種,就要更換導(dǎo)輪和砂輪,各砂輪間距需重新調(diào)整。切入式無(wú)心磨床的 修整一樣采納單顆粒金剛石修整,修整器所走的路線是凸字形,修整器靠 模各段差值與凸輪軸的各段軸頸差值相等。粗磨凸輪軸軸頸所用的砂輪都 屬于碳化物系列,粒度為 60,砂輪線速度為

5、 45m/。 二、銑端面,鉆中心孔 中心孔加工是以后加工工序的定位基準(zhǔn),在銑端面時(shí),一樣只限定 5 個(gè)自由度即可,用 2 個(gè) V 型塊限定 4 個(gè)自由度,軸向自由度是由凸輪軸 3# 軸頸前端面或后端面（在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,該面應(yīng)提出具體要求） 。目前普遍采 納的是自定心定位夾緊,密齒刀盤銑削。軸向尺寸保證后端面到毛坯的粗 定位基準(zhǔn)尺寸和整個(gè)凸輪軸長(zhǎng)度,鑒于凸輪軸皮帶輪軸頸尺寸較小,鉆中 心孔時(shí)一樣選用B5中心鉆，鉆后的孔深用 10鋼球輔助檢查，保證球頂 到后端面尺寸和 2 鋼球頂部之間的距離,如此可保證以后定位的一致性。 三、凸輪軸的熱處理 熱處理：將原材料或未成品置于空氣或特定介質(zhì)中,用適當(dāng)方式進(jìn)

6、行 加熱、保溫順冷卻,使之獲得人們所需要的力學(xué)或工藝性能的工藝方法。 熱處理分類：一樣熱處理、化學(xué)熱處理、表面熱處理 球墨鑄鐵凸輪軸一樣差不多上等溫淬火。 冷卻介質(zhì)為 10號(hào)、 20號(hào)錠子油鹽 浴或堿浴，淬火后經(jīng)140 C-250。C低溫回火，回火后的組織為黑色針葉 狀馬氏體,硬度 HRC50-54。 合金鑄鐵和鋼件凸輪軸一樣采納中頻淬火：淬火頻率1000-10000HZ 一樣選 用7000Hz。也確實(shí)是感應(yīng)加熱表面淬火，其原理是：將凸輪軸的凸輪放入 加熱線圈中，由于電流的集膚效應(yīng)，使凸輪由外層向內(nèi)加熱、升溫，使表 層一定深度組織轉(zhuǎn)變成奧氏體，而后迅速淬硬的工藝，目前480 凸輪軸采 納自然回

7、火的方法，其凸輪表面組織為針狀馬氏體。 凸輪軸經(jīng)表面熱處理：可較大地提升零件的扭轉(zhuǎn)和彎曲疲勞強(qiáng)度和表面的 耐磨性。 感應(yīng)加熱淬火變形小、節(jié)能、成本低、勞動(dòng)生產(chǎn)率高、淬火機(jī)可放在冷加 工生產(chǎn)線上，便于生產(chǎn)治理。 480凸輪軸中頻淬火機(jī)在感應(yīng)加熱時(shí)， 要對(duì)電源、變壓器、 感應(yīng)線圈進(jìn)行冷 卻，要求冷卻水的溫度在25 C-30 C,淬火冷卻液的溫度為53 C-62 C, 若機(jī)床本身達(dá)不到要求，必須在機(jī)床外提一套附加冷卻裝置，用來給冷卻 水制冷。 四、凸輪軸的深孔加工 在機(jī)械加工中 L/D5 時(shí)的孔加工可稱為深孔加工，用一般麻花鉆鉆深 孔時(shí)有以下困難。 1. 鉆頭細(xì)長(zhǎng)。剛性差，加工時(shí)鉆頭易彎曲和振動(dòng)，難

8、以保證孔的直線度與加 工精度。 2. 切屑多，而排除切屑的通道長(zhǎng)而狹窄，切屑不容易排出。 3. 孔深切削液不易進(jìn)入，切削溫度過高，散熱困難，鉆頭容易斷。 深孔鉆按工藝的不同可分為在實(shí)心物體上鉆孔、擴(kuò)孔、套料 3種，而以在 實(shí)心料上鉆孔用得最多，如 480凸輪所用的深孔差不多上由槍鉆經(jīng) 2頭加 工而成的。每次鉆孔深為 L/2+10mm。 槍鉆鉆削是單刃外排屑式的，一樣適用于加工 2- 20mm孔，L/D100、 表面粗糙度Ra12.5-3.2mm精度H8-H10級(jí)的深孔。單刃外排屑深孔鉆， 最早用于加工槍管，故稱槍鉆，也是 2- 6mm 深孔加工的唯獨(dú)方法。槍 鉆帶有 V 形切削刃和一個(gè)切削液孔

9、的鉆頭、鉆桿、及適用于某專用設(shè)備的 鉆柄組成。高壓切削液（7MPa）通過鉆頭的小孔送到切削區(qū)域內(nèi)，進(jìn)行冷 卻、潤(rùn)滑并關(guān)心排屑，然后再將切屑與切削液順著 V 型刀桿排入集中冷卻 系統(tǒng)中。鉆頭為硬質(zhì)合金，采納焊接式結(jié)構(gòu)。切削用量一樣為 0.06-0.1mm/ r，為了更好地操縱刀具的破舊程度，刀具采納徑向負(fù)荷反饋，一旦刀具切 削力達(dá)到一定的數(shù)值，在數(shù)控系統(tǒng)的作用下，刀具能自動(dòng)退回，從而幸免 槍鉆折斷，提升刀具的使用壽命。磨鈍后的刀具換下，再重新進(jìn)行刃磨后 方可使用。 凸輪軸深孔加工冷卻液一樣用錠子油，盡管油的冷卻成效比乳化液差，但 油的潤(rùn)滑成效比冷卻液要好得多。 五、主軸頸快速點(diǎn)磨加工與CBN砂輪

10、 快速點(diǎn)磨是德國(guó)勇克公司開發(fā)出來的一種先進(jìn)的外圓高效磨削新工 藝，該機(jī)床加工凸輪軸只需兩頂尖定位夾緊，無(wú)需任何夾緊工具，利用前 頂尖的高速旋轉(zhuǎn)，通過頂尖和凸輪軸中心孔的摩擦來驅(qū)動(dòng)工件運(yùn)動(dòng)，能夠 實(shí)現(xiàn)軸類零件在一次裝夾后，用一片砂輪完成7個(gè)軸頸、一個(gè)端面和一個(gè) 磨削圓角的工藝。 快速點(diǎn)磨砂輪是橫向磨損，在磨損過程中，被磨削的凸輪軸外形尺寸可不 能因此而發(fā)生變化，磨削端面時(shí)，砂輪可傾斜士 0.5 ，使砂輪與工件的接 觸面只有傳統(tǒng)磨削端面的1/2。 CBN具有良好的導(dǎo)熱性，其導(dǎo)熱率是硬質(zhì)合金的13倍，銅的3倍另外CBN 具有遠(yuǎn)優(yōu)于金剛石的熱穩(wěn)固性和化學(xué)穩(wěn)固性（金剛石與鐵簇元素易產(chǎn)生親 和作用），可耐

11、13001500的高溫，同時(shí)與鐵簇元素有專門大的化學(xué)惰性，C BN是制作切削黑色金屬的理想刀具材料。 CBN屬于立方晶系，它的硬度、強(qiáng)度和其它物理性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于剛玉等系列 磨料。在進(jìn)行磨削過程中CBN自身磨損專門少，在大批量生產(chǎn)過程中，單 個(gè)零件所需要的成本較小。砂輪的形狀、尺寸變化極小，耐用度較高，修 整頻次約為剛玉系列的1/20,每次修整量約為剛玉系列的1/25,砂輪與工 件的磨削區(qū)內(nèi)磨削溫度較低，可幸免在磨削的彈性變形時(shí)期工件所產(chǎn)生的 裂紋和磨削燒傷等現(xiàn)象的顯現(xiàn)。 CBN具有良好的化學(xué)穩(wěn)固性與耐熱性，與碳在2000 C時(shí)才起反應(yīng)，在高溫 下易與水產(chǎn)生反應(yīng)。砂輪的耐用度高，機(jī)床的使用率可達(dá)

12、97%以上，與一 樣砂輪磨削相比，可提升功效 600%-700%。 當(dāng)砂輪在寬度方向的磨損量占砂輪寬度的 80%時(shí)便對(duì)砂輪進(jìn)行修整，砂輪 每次修整量為0.006mm,共分3部進(jìn)行修整，每一步修整量為 0.002mm, 每修整一次可磨削120根凸輪軸，砂輪線速度為120m/s,可獲得較高的金 屬切除率，使用冷卻油做為冷卻液，不僅僅是給砂輪和工件提供冷卻液， 同時(shí)也給砂輪和工件提供更好的潤(rùn)滑，同時(shí)由于油膜的吸附作用，還能夠 防止凸輪軸的軸頸表面氧化，防止磨削完后的工件表面生銹。磨削液的供 給是采納噴射法提供的冷卻液，冷卻較充分，可使砂輪的壽命提升一倍， 金屬切除率提升一倍以上，同時(shí)采納冷卻液反沖的

13、方法，沖洗砂輪表面， 防止砂輪堵塞，使CBN顆粒始終以銳利的狀態(tài)對(duì)工件進(jìn)行切削，再加上 C BN粒度較小，凸輪軸軸頸單位面積上參加切削的磨粒比一樣砂輪要多，軸 頸在被切削時(shí)所產(chǎn)生的彈性摩擦和變形時(shí)期均較小，因此產(chǎn)生的彈性變形 和塑性變形均較小，提升了表面粗糙度，防止表面產(chǎn)生磨削燒傷和因磨粒 因素而引起的裂紋。在磨粒切削時(shí)期，對(duì)產(chǎn)生的熱應(yīng)力和變形應(yīng)力均較小。 由于磨削速度專門高，磨削熱量來不及傳入工件的深處，瞬時(shí)集合在凸輪 軸專門薄的表層，形成切屑被帶走。磨粒切削點(diǎn)的溫度達(dá)1000 C以上，而 內(nèi)部只有幾十度 選用CBN砂輪磨削，磨粒銳利，磨削力小，故磨削區(qū)發(fā)熱量少 CBN顯微硬度7300 90

14、00HV，抗彎強(qiáng)度300MPa、抗壓強(qiáng)度800-1000MP a、熱穩(wěn)固性 1250 C-1350 C。 應(yīng)用聲音傳感器嚴(yán)格限制砂輪和金剛滾輪間的距離，要緊是防止砂輪修整 時(shí)砂輪和金剛滾輪發(fā)生撞擊。砂輪架縱向進(jìn)給時(shí)，傳感器測(cè)頭與砂輪間形 成一小的縫隙，砂輪高速旋轉(zhuǎn)壓縮砂輪周圍的空氣，按照空氣流通的通道 大小不同，所產(chǎn)生的氣阻聲音大小不一樣，從而判定傳感器和砂輪間的縫 隙而做出反饋，一旦砂輪和金剛滾輪產(chǎn)生接觸，修整器自動(dòng)修整砂輪，而 聲音傳感器能按照聲音尖銳響聲大小來判定砂輪修整的正確性。 與樹脂類結(jié)合劑相比，陶瓷結(jié)合劑化學(xué)性能穩(wěn)固，耐熱、抗酸、堿，氣孔 率大，工作時(shí)不易發(fā)熱，在磨削過程中易脫落

15、，熱膨脹系數(shù)小，強(qiáng)度較高， 能保持好CBN的幾何形狀，且磨具易修整。 用于磨削凸輪軸軸頸和端面的 CBN砂輪立方氮化硼厚度只有4.5 5MM， 同時(shí)是粘附在剛性鋼盤上，剛性較好。 工件轉(zhuǎn)速與砂輪轉(zhuǎn)速的比為：40/8000 無(wú)進(jìn)給磨削即光磨，可提升工件的幾何精度和降低表面粗糙度參數(shù)值，表 面粗糙度隨光磨次數(shù)的增加而降低，細(xì)粒度砂輪比粗粒度好 砂輪的修整：修整通常包括整形和修銳，整形是使砂輪達(dá)到要求的幾何形 狀和精度，砂輪的幾何形狀采納數(shù)控插補(bǔ)法進(jìn)行，修銳是除去磨粒間的結(jié) 合劑，使磨粒露出結(jié)合劑一定高度，形成切削刃，磨粒間間隙以容納切屑。 金剛石滾輪磨削修整的特點(diǎn)：生產(chǎn)率高：以切入法進(jìn)行修整，修整

16、時(shí)刻僅 需 2-10 秒，可在進(jìn)行凸輪軸更換工件時(shí)進(jìn)行修整，不耽擱生產(chǎn)節(jié)拍，同時(shí) 由于金剛滾輪的壽命長(zhǎng)，修整時(shí)刻短，大大縮短了輔助時(shí)刻，單件工件的 消耗較低，金剛滾輪的精度較高，修整后的砂輪表面質(zhì)量也較好。 礦物油冷卻液的要緊成份是輕質(zhì)礦物油，加入適量的油溶性防銹添加劑。 為了增加礦物油的潤(rùn)滑性能，常加入油性添加劑如脂肪酸等，以提升礦物 油在低溫低壓時(shí)的滲透和潤(rùn)滑成效。礦物油的供給方法是噴射法，如此， 能夠提升供液壓力，增大磨削液供給速度，以便將磨削熱量迅速帶走，并 能沖破砂輪高速旋轉(zhuǎn)的氣流，使磨削液能有效的進(jìn)入磨削區(qū)，改善磨削成 效。由于砂輪的氣孔小，磨削液必須通過周密過濾。由于磨削過程所產(chǎn)

17、生 的磨屑和砂粒等雜質(zhì)在磨削液中持續(xù)增加，以至磨削液變臟變臭，不僅阻 礙磨削工件的質(zhì)量，還會(huì)危害環(huán)境衛(wèi)生，快速點(diǎn)磨所用的過濾是柱狀紙質(zhì) 過濾。 六、凸輪的加工 傳統(tǒng)的凸輪加工采納靠模加工，一樣來講，第廠進(jìn)、排氣凸輪都 有一 個(gè)母靠模，凸輪軸上有幾個(gè)凸輪就有幾個(gè)靠模，這種加工事實(shí)上確實(shí)是仿 形加工，母靠模的加工誤差也會(huì)復(fù)映到加工的成品凸輪上。具體來講，有 以下缺陷。 1. 砂輪的利用率也較低， 以現(xiàn)生產(chǎn)的 480 凸輪軸為例， 靠模機(jī)床砂輪線速度 為60m/s,剛換上的砂輪直徑為 760mm,但使用到 710mm后就必須重 新?lián)Q砂輪，否則凸輪的型面的誤差會(huì)增大，砂輪從 760mm磨損到 710

18、mm 凸輪型面誤差為 0.015mm. 2. 工件頭架電架為雙速電機(jī), 凸輪軸只能用固定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)、 凸輪型面上多個(gè) 磨削點(diǎn)的線速度不一樣,磨削時(shí)單位時(shí)刻的切除量和磨削力不一樣,導(dǎo)致 凸輪型面加工產(chǎn)生誤差，且容易產(chǎn)生磨削燒傷和裂紋。凸輪等速磨削時(shí)型 面誤差為0.036mm。凸輪變速磨削時(shí)型面誤差為 0.012mm。 3. 工件支承在裝有尾架、 中心架的搖架上， 搖架機(jī)構(gòu)往復(fù)擺動(dòng)勢(shì)頭阻礙凸輪 型面精度、粗糙度和生產(chǎn)效率的提升。 4. 同一個(gè)靠模只能用于同一種凸輪軸， 因此只適用于單一品種生產(chǎn)， 否則就 需要重新?lián)Q靠模，不能實(shí)現(xiàn)柔性化，多品種生產(chǎn)。 現(xiàn)代的凸輪軸加工用數(shù)控磨削，具有如下特點(diǎn)： 1.

19、用一套數(shù)控裝置（目前世界上最新的是西門子 480D和FANAC210i）既 操縱工件主軸的無(wú)級(jí)變速旋轉(zhuǎn)和分度又操縱砂輪架按凸輪型面的升程數(shù)值 和降程數(shù)值的往復(fù)運(yùn)動(dòng)及橫向進(jìn)給。 2. 工件主軸由NC裝置操縱的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)，不僅能 夠?qū)崿F(xiàn)粗磨和精磨所需要的不同轉(zhuǎn)速，而且能夠?qū)崿F(xiàn)工件主軸在每轉(zhuǎn)內(nèi)按 凸輪不同曲線進(jìn)行自動(dòng)變速磨削。這能夠使凸輪型面上每一磨削點(diǎn)的線速 度，金屬切削量和磨削力差不多一致，對(duì)保證凸輪表面的磨削質(zhì)量是專門 重要的。 3. 砂輪可實(shí)現(xiàn)高速、恒線速度磨削。如 480凸輪軸kopp磨床80m/s. 4. 具有較大的柔性。 CNC 裝置能夠存貯 20個(gè)凸輪輪廓數(shù)據(jù)和

20、9個(gè)磨削數(shù) 據(jù)。滿足了凸輪軸多品種變化的柔性生產(chǎn)需要。 5. 砂輪主軸采納內(nèi)平穩(wěn)裝置，取代了往常的液力平穩(wěn)裝置和機(jī)械平穩(wěn)裝 置，平穩(wěn)精度高，砂輪幾乎不抖動(dòng)，提升凸輪型面的磨削精度。 6. 采納金剛滾輪修整， 修整時(shí)采納聲速傳感器來操縱每次砂輪修整量，能 得到好的砂輪修整精度，同時(shí)每次砂輪修整后 NC 裝置能自動(dòng)經(jīng)歷并補(bǔ)償。 7. 采納 CBN 砂輪，剛換上的新砂輪與換下來廢砂輪之間半徑方向只有4. 5-5m m,從而保證凸輪型面的一致性。 七. 凸輪軸的化學(xué)處理 化學(xué)處理是將金屬置于一定化學(xué)介質(zhì)中,通過化學(xué)反應(yīng)在金屬表面生 成一種化學(xué)覆蓋層使獲得裝飾、耐蝕、絕緣等不同的性能。化學(xué)處理一樣 有氧化處理和磷化處理。 磷化處理優(yōu)點(diǎn)： 1. 凸輪軸的凸輪一樣要通過磷化處理， 通過磷化處理后的凸輪在大氣中較 穩(wěn)固耐蝕性高于氧化處理，磷化后經(jīng)重鉻酸鉀溶液填充浸油處理后，能進(jìn) 一步提升耐蝕性。 2. 磷化膜孔隙多，具有專門強(qiáng)的吸附能力。 3. 具有潤(rùn)滑性和減摩性。 4. 具有較高的絕緣性。 一樣經(jīng)磷化處理后的凸輪， 在通過一段時(shí)刻磨合后， 在桃尖處磷化膜脫落變得錚亮，有利于凸輪和挺