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凸轮轴加工工艺
凸轮轴加工工艺
凸轮轴材料：球墨铸铁、合金铸铁、冷激铸铁、中碳钢
球墨铸铁：将靠近灰铸铁成份铁水经镁或镁合金或其它球化剂球化处理后而取得含有球状石墨铸铁。石墨呈球状，大大减轻了石墨对基体分割性和尖口作用，球墨铸铁含有较高强度、耐磨性、抗氧化性、减震性及较小缺口敏感性。
球墨铸铁凸轮轴通常见在单缸内燃机上，如S195柴油机，做凸轮轴用球墨铸铁用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：将靠近灰铸铁成份铁水加入Mn、Cr、Mo、Cu等元素。从而和珠光体形成合金，降低铁素体数量。合金铸铁凸轮轴通常见于高转速凸轮轴。如CAC480凸轮轴，凸轮轴整体硬度HB263-311。
冷激铸铁：通常见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。使用冷激铸铁凸轮轴处于干摩擦或半干摩擦工作状态，而含有承受较大弯曲和接触应力，要求材料表面层抗磨且高强度，心部仍有一定韧性。现在中国所用冷激铸铁关键有两大类：铬、钼、铜冷激铸铁和铬、钼、镍冷激铸铁，冷硬层金相组织:莱氏体+珠光体(索氏体)冷激铸铁硬度为HRC45—52,现在，中国冷激铸铁硬度在HRC47左右。
中碳钢：通常见于大型发动机凸轮轴。如：6102发动机采取模锻铸造成型，也有一部分用于摩托凸轮轴，成型较简单。模锻后通常要进行退火处理方便于机械加工。
凸轮轴加工经典工艺
一．凸轮轴轴颈粗加工采取无心磨床磨削
无心磨床磨削方法有2种：贯穿式无心磨削和切入式无心磨削。贯穿式无心磨削通常见于单砂轮，它导轮是单叶双曲面，推进凸轮轴沿轴向移动，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，通常砂轮被修整成成型砂轮，如：磨削液压挺柱球面），如现有480凸轮轴磨削，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，不管是哪一个磨削方法，工件中心全部高于砂轮和导轮中心，通常切入式磨削全部有上料工位、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个新奇、独特新工艺，新方法，但又存在一定不足，尤其是不易磨削轴肩和端面，通常不用于多品种凸轮轴加工，只用于单一品种、大批量生产，若要更换所加工凸轮轴品种，就要更换导轮和砂轮，各砂轮间距需重新调整。切入式无心磨床修整通常采取单颗粒金刚石修整，修整器所走路线是凸字形，修整器靠模各段差值和凸轮轴各段轴颈差值相等。粗磨凸轮轴轴颈所用砂轮全部属于碳化物系列，粒度为60，砂轮线速度为45m/。
二、铣端面，钻中心孔

中心孔加工是以后加工工序定位基准，在铣端面时，通常只限定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）。现在普遍采取是自定心定位夹紧，密齿刀盘铣削。轴向尺寸确保后端面到毛坯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，钻中心孔时通常选择B5中心钻，钻后孔深用φ10钢球辅助检验，确保球顶到后端面尺寸和2钢球顶部之间距离，这么可确保以后定位一致性。
三、凸轮轴热处理
热处理：将原材料或未成品置于空气或特定介质中，用合适方法进行加热、保温和冷却，使之取得大家所需要力学或工艺性能工艺方法。
热处理分类：通常热处理、化学热处理、表面热处理
球墨铸铁凸轮轴通常全部是等温淬火。冷却介质为10号、20号锭子油盐浴或碱浴，淬火后经140°C-250°C低温回火，回火后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通常采取中频淬火：淬火频率1000-10000Hz,通常选择7000Hz。也就是感应加热表面淬火，其原理是：将凸轮轴凸轮放入加热线圈中，因为电流集肤效应，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，以后快速淬硬工艺，现在480凸轮轴采取自然回火方法，其凸轮表面组织为针状马氏体。
凸轮轴经表面热处理：可较大地提升零件扭转和弯曲疲惫强度和表面耐磨性。
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，要求冷却水温度在25°C-30°C,淬火冷却液温度为53°C-62°C，若机床本身达不到要求，必需在机床外提一套附加冷却装置，用来给冷却水制冷。
四、凸轮轴深孔加工
在机械加工中L/D>5时孔加工可称为深孔加工，用一般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，难以确保孔直线度和加工精度。
2.切屑多，而排除切屑通道长而狭窄，切屑不轻易排出。
3.孔深切削液不易进入，切削温度过高，散热困难，钻头轻易断。
深孔钻按工艺不一样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凸轮所用深孔全部是由枪钻经2头加工而成。每次钻孔深为L/2+10mm。
枪钻钻削是单刃外排屑式，通常适适用于加工φ2-φ20mm孔， L/D>100、表面粗糙度Ra12.5-3.2mm、精度H8-H10级深孔。单刃外排屑深孔钻，最早用于加工枪管，故称枪钻，也是φ2-φ6mm深孔加工唯一措施。枪钻带有V形切削刃和一个切削液孔钻头、钻杆、及适适用于某专用设备钻柄组成。高压切削液（7MPa）经过钻头小孔送到切削区域内，进行冷却、润滑并帮助排屑，然后再将切屑和切削液顺着V型刀杆排入集中冷却系统中。钻头为硬质合金，采取焊接式结构。切削用量通常为0.06-0.1mm/r，为了愈加好地控制刀具破损程度，刀具采取径向负荷反馈，一旦刀具切削力达成一定数值，在数控系统作用下，刀具能自动退回，从而避免枪钻折断，提升刀具使用寿命。磨钝后刀具换下，再重新进行刃磨后方可使用。
凸轮轴深孔加工冷却液通常见锭子油，即使油冷却效果比乳化液差，但油润滑效果比冷却液要好得多。
五、主轴颈快速点磨加工和CBN砂轮
快速点磨是德国勇克企业开发出来一个优异外圆高效磨削新工艺，该机床加工凸轮轴只需两顶尖定位夹紧，无需任何夹紧工具，利用前顶尖高速旋转，经过顶尖和凸轮轴中心孔摩擦来驱动工件运动，能够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工艺。
快速点磨砂轮是横向磨损在磨损过程中，被磨削凸轮轴外形尺寸不会所以而发生改变，磨削端面时，砂轮可倾斜±0.5°，使砂轮和工件接触面只有传统磨削端面1/2。
CBN含有良好导热性,其导热率是硬质合金13倍，铜3倍,另外CBN含有远优于金刚石热稳定性和化学稳定性（金刚石和铁簇元素易产生亲和作用）,可耐1300—1500高温,而且和铁簇元素有很大化学惰性，CBN是制作切削黑色金属理想刀具材料。
CBN属于立方晶系，它硬度、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本身磨损很少，在大批量生产过程中，单个零件所需要成本较小。砂轮形状、尺寸改变极小，耐用度较高，修整频次约为刚玉系列1/20，每次修整量约为刚玉系列1/25，砂轮和工件磨削区内磨削温度较低，可避免在磨削弹性变形阶段工件所产生裂纹和磨削烧伤等现象出现。
CBN含有良好化学稳定性和耐热性,和碳在°C时才起反应，在高温下易和水产生反应。砂轮耐用度高，机床使用率可达97%以上，和通常砂轮磨削相比，可提升功效600%--700%。
当砂轮在宽度方向磨损量占砂轮宽度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，可取得较高金属切除率，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愈加好润滑，同时因为油膜吸附作用，还能够预防凸轮轴轴颈表面氧化，预防磨削完后工件表面生锈。磨削液供给是采取喷射法提供冷却液，冷却较充足，可使砂轮寿命提升一倍，金属切除率提升一倍以上，同时采取冷却液反冲方法，冲洗砂轮表面，预防砂轮堵塞，使CBN颗粒一直以锋利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与切削磨粒比通常砂轮要多，轴颈在被切削时所产生弹性摩擦和变形阶段均较小，所以产生弹性变形和塑性变形均较小，提升了表面粗糙度，预防表面产生磨削烧伤和因磨粒原因而引发裂纹。在磨粒切削阶段，对产生热应力和变形应力均较小。
因为磨削速度很高，磨削热量来不及传入工件深处，瞬时聚集在凸轮轴很薄表层，形成切屑被带走。磨粒切削点温度达1000°C以上,而内部只有几十度
选择CBN砂轮磨削，磨粒锋利，磨削力小，故磨削区发烧量少
CBN显微硬度7300—9000HV，抗弯强度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距离，关键是预防砂轮修整时砂轮和金刚滚轮发生撞击。砂轮架纵向进给时，传感器测头和砂轮间形成一小缝隙，砂轮高速旋转压缩砂轮周围空气，依据空气流通通道大小不一样，所产生气阻声音大小不一样，从而判定传感器和砂轮间缝隙而做出反馈，一旦砂轮和金刚滚轮产生接触，修整器自动修整砂轮，而声音传感器能依据声音尖锐响声大小来判定砂轮修整正确性。
和树脂类结合剂相比，陶瓷结合剂化学性能稳定，耐热、抗酸、碱，气孔率大，工作时不易发烧，在磨削过程中易脱落，热膨胀系数小，强度较高，能保持好CBN几何形状，且磨具易修整。
用于磨削凸轮轴轴颈和端面CBN砂轮立方氮化硼厚度只有4.5—5MM，而且是粘附在刚性钢盘上，刚性很好。
工件转速和砂轮转速比为:40/8000
无进给磨削即光磨，可提升工件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增加而降低，细粒度砂轮比粗粒度好
砂轮修整：修整通常包含整形和修锐，整形是使砂轮达成要求几何形状和精度，砂轮几何形状采取数控插补法进行，修锐是除去磨粒间结合剂，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特点：生产率高：以切入法进行修整，修整时间仅需2-10秒，可在进行凸轮轴更换工件时进行修整，不耽搁生产节拍，同时因为金刚滚轮寿命长，修整时间短，大大缩短了辅助时间，单件工件消耗较低，金刚滚轮精度较高，修整后砂轮表面质量也很好。
矿物油冷却液关键成份是轻质矿物油，加入适量油溶性防锈添加剂。为了增加矿物油润滑性能，常加入油性添加剂如脂肪酸等，以提升矿物油在低温低压时渗透和润滑效果。矿物油供给方法是喷射法，这么，能够提升供液压力，增大磨削液供给速度，方便将磨削热量快速带走，并能冲破砂轮高速旋转气流，使磨削液能有效进入磨削区改善磨削效果。因为砂轮气孔小，磨削液必需经过精密过滤。因为磨削过程所产生磨屑和砂粒等杂质在磨削液中不停增加，以至磨削液变脏变臭，不仅影响磨削工件质量，还会危害环境卫生，快速点磨所用过滤是柱状纸质过滤。
六、凸轮加工
传统凸轮加工采取靠模加工，通常来讲，第厂进、排气凸轮全部 有一个母靠模，凸轮轴上有多个凸轮就有多个靠模，这种加工其实就是仿形加工，母靠模加工误差也会复映到加工成品凸轮上。具体来说，有以下缺点。
1.砂轮利用率也较低，以现生产480凸轮轴为例，靠模机床砂轮线速度为60m/s，刚换上砂轮直径为φ760mm，但使用到φ710mm后就必需重新换砂轮，不然凸轮型面误差会增大，砂轮从φ760mm磨损到φ710mm凸轮型面误差为±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线速度不一样，磨削时单位时间切除量和磨削力不一样，造成凸轮型面加工产生误差，且轻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、粗糙度和生产效率提升。
4.同一个靠模只能用于同一个凸轮轴，所以只适适用于单一品种生产，不然就需要重新换靠模，不能实现柔性化，多品种生产。
现代凸轮轴加工用数控磨削，含有以下特点：
1. 用一套数控装置（现在世界上最新是西门子480D和FANAC210i）既控制工件主轴无级变速旋转和分度又控制砂轮架按凸轮型面升程数值和降程数值往复运动及横向进给。
2. 工件主轴由NC装置控制伺服电机驱动，实现无级变速传动，不仅能够实现粗磨和精磨所需要不一样转速，而且能够实现工件主轴在每转内按凸轮不一样曲线进行自动变速磨削。这能够使凸轮型面上每一磨削点线速度，金属切削量和磨削力基础一致，对确保凸轮表面磨削质量是很关键。
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. 含有较大柔性。CNC装置能够存贮20个凸轮轮廓数据和9个磨削数据。满足了凸轮轴多品种改变柔性生产需要。
5. 砂轮主轴采取内平衡装置，替换了以前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，提升凸轮型面磨削精度。
6. 采取金刚滚轮修整，修整时采取声速传感器来控制每次砂轮修整量，能得到好砂轮修整精度，而且每次砂轮修整后NC装置能自动记忆并赔偿。
7. 采取CBN砂轮，刚换上新砂轮和换下来废砂轮之间半径方向只有4.5-5mm，从而确保凸轮型面一致性。
七.凸轮轴化学处理
编辑本段
化学处理是将金属置于一定化学介质中，经过化学反应在金属表面生成一个化学覆盖层使取得装饰、耐蚀、绝缘等不一样性能。化学处理通常有氧化处理和磷化处理。
磷化处理优点：
1. 凸轮轴凸轮通常要经过磷化处理，经过磷化处理后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，能深入提升耐蚀性。
2. 磷化膜孔隙多，含有很强吸附能力。
3. 含有润滑性和减摩性。
4. 含有较高绝缘性。通常经磷化处理后凸轮，在经过一段时间磨合后，在桃尖处磷化膜脱落变得铮亮，有利于凸轮和挺柱早期磨合。通常来说，凸轮轴磷化膜厚度为0.0025—0.006mm，为了确保凸轮轴表面精度，要求磷化前凸轮表面粗糙度0.6。
八、凸轮轴抛光
     凸轮轴主轴颈、油封轴颈要求表面粗糙度0.2，所以必需除去主轴颈和油封轴颈表面磷化膜，为了确保主轴颈和油封轴颈表面粗糙度，必需对它们进行抛光处理，在抛光过程中，因为摩擦生热少，磨；粒散热时间长，可有效地降低工件变形、烧伤，关键是提升表面加工精度，使凸轮轴轴颈取得光亮光滑表面，但不能提升产品尺寸和几何精度，对零件形位误差不产生任何改变，按现在工艺水平，抛光砂带采取纸质砂带，砂粒粒度280—320，抛光液选择煤油，抛光机专用工装为硬质树脂制上下两个半圆。
九、凸轮轴探伤
因为凸轮和挺杆接触时，表面接触应力较大，凸轮表面不许可有任何缺点，所以凸轮轴表面需要经过探伤，探伤分为两类：磁粉探伤和荧光探伤，关键探测凸轮在淬火过程中产生淬火裂纹和磨削过程中产生磨削裂纹。探伤也是一个无损检测方法，按现有生产水平，荧光探伤比较洁净，优于磁粉探伤，因为磁粉探伤除了要配置磁悬液外，现场生产也难得保持洁净，而且经过退磁后，仍然有一部分磁通量流在凸轮轴上。
十、凸轮轴清洗
     凸轮轴不仅仅要进行表面清洗，更关键是主油道清洗和油孔清洗，预防铁屑等脏物滞留在主油道孔搭结处，除去油孔孔口毛刺，通常来讲，单根凸轮轴清洁度为10毫克左右，若清洁度超标，将加速发动机零件磨损，缩短发动机寿命，清洗后凸轮轴，还要吹干，涂上防锈油，而且做好防尘工作，存放在零件库内。