張 燕

(安徽國防科技職業(yè)學(xué)院 汽車技術(shù)學(xué)院，安徽 六安 237011)

SQR477發(fā)動(dòng)機(jī)是眾多型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)中凸輪軸報(bào)廢率較高的機(jī)型之一.由于凸輪軸與齒輪是整體加工，使用相同的材料，考慮成本因素，所用金屬材料無法保證齒輪正常運(yùn)行，齒面磨損或斷齒等失效形式經(jīng)常發(fā)生.齒輪的異常，會(huì)導(dǎo)致整根凸輪軸不能繼續(xù)使用，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)火時(shí)間紊亂.其次凸輪軸為細(xì)長軸，加工軸上齒輪時(shí)，夾具固定住凸輪軸兩端，齒輪在剃齒時(shí)振動(dòng)仍然會(huì)不可避免的出現(xiàn)，導(dǎo)致齒輪加工的精度等參數(shù)達(dá)不到使用要求，致使整根凸輪軸報(bào)廢.齒輪使用材料及熱處理工藝是否合理也是導(dǎo)致凸輪軸報(bào)廢的關(guān)鍵原因.為此，汽車生產(chǎn)企業(yè)迫切要求對(duì)凸輪軸的加工工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，選用合適的材料，以提高凸輪軸的綜合性能，降低報(bào)廢率，減少成本.

1 凸輪軸報(bào)廢的原因分析

1.1 軸上齒輪易斷裂

發(fā)動(dòng)機(jī)作為燃油轎車的唯一動(dòng)力源，發(fā)動(dòng)機(jī)性能直接關(guān)系到轎車性能，凸輪軸作為發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部一個(gè)重要構(gòu)件，其功能是負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣門的開閉，凸輪軸需要做規(guī)律的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以凸輪軸的摩擦副與氣門之間頻繁接觸，容易造成磨損，因此耐磨性是凸輪軸的必備性能之一.表1為各類車型凸輪軸的材料及熱處理工藝，其中轎車凸輪軸主要使用材料為合金鑄鐵，熱處理工藝為去應(yīng)力退火+貝氏體等溫淬火，硬度較高.SQR477發(fā)動(dòng)機(jī)主要運(yùn)用于國產(chǎn)轎車上，從表1能看出合金鑄鐵的硬度及耐磨性優(yōu)于45鋼及球墨鑄鐵，耐磨性至少是45鋼和球墨鑄鐵的7倍以上，因此SQR477發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸材料都使用合金冷激鑄鐵，以滿足耐磨性的要求，而且冷激鑄鐵價(jià)格不高，低成本、高耐磨性等優(yōu)點(diǎn)，使得冷激鑄鐵廣受凸輪軸生產(chǎn)廠家的歡迎.

表1 各種凸輪軸材料與熱處理工藝

凸輪軸與齒輪是整體加工，因此凸輪軸齒輪同樣使用了合金冷激鑄鐵材料，表2為合金冷激鑄鐵成分：

表2 合金冷激鑄鐵主要化學(xué)成分

圖1 冷激鑄鐵與45、40Cr、20CrMnMo力學(xué)性能比較

通常機(jī)械領(lǐng)域齒輪的用材較常見的是合金滲碳鋼或合金調(diào)質(zhì)鋼，如20CrMnMo、40Cr、45鋼等.一般齒輪表面摩擦副的接觸頻率很高，而且在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中承受多方向的沖擊載荷，耐磨性能高的表面及高強(qiáng)度的芯部是齒輪必備因素.顯然合金冷激鑄鐵滿足不了齒輪的性能要求，雖然齒面硬度高，但芯部強(qiáng)度較低.圖1是合金冷激鑄鐵與優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金鋼在各項(xiàng)力學(xué)性能上的比較情況.

圖1中4種材料熱處理方式，通常冷激鑄鐵與45、40Cr 3種材料采用高頻淬火，20CrMnMo采用滲碳淬火.從圖1中可看出，綜合力學(xué)性能最佳的材料為20CrMnMo，冷激鑄鐵除了表面硬度與另外3種材料差異較小，其他力學(xué)性能參數(shù)，如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率遠(yuǎn)不及另外3種材料，屈服強(qiáng)度及伸長率趨近于零，故采用冷激鑄鐵制造的齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中容易出現(xiàn)斷齒的失效形式，進(jìn)而導(dǎo)致整根凸輪軸的報(bào)廢.

1.2 細(xì)長軸加工的振動(dòng)特性對(duì)凸輪軸及齒輪精度的影響

細(xì)長軸類零件(長度與直徑之比大于20)在機(jī)械領(lǐng)域中有著極其廣泛的應(yīng)用，而在加工的過程中，細(xì)長軸是較難加工的一類零件，剛度低是細(xì)長軸的最大缺點(diǎn)，切削力容易導(dǎo)致細(xì)長軸產(chǎn)生彎曲變形，一旦細(xì)長軸變形，加工時(shí)振動(dòng)加劇，加工尺寸公差及加工表面精度難以保證[1].凸輪軸屬于細(xì)長軸，因此具有細(xì)長軸加工的特性，在加工凸輪軸上的齒輪時(shí)，振動(dòng)現(xiàn)象明顯，齒輪剃齒時(shí)細(xì)長軸的振動(dòng)導(dǎo)致齒輪加工精度達(dá)不到要求，此情況同樣導(dǎo)致整根凸輪軸的報(bào)廢.

2 降低凸輪軸報(bào)廢率的工藝研究

2.1 凸輪軸由整體式加工更改為分體式加工

要解決凸輪軸齒輪使用時(shí)易斷裂、加工時(shí)精度難保證的問題，必須確保齒輪使用材料的綜合力學(xué)性能較高，同時(shí)齒輪必須單獨(dú)加工，以避免剃齒時(shí)凸輪軸的振動(dòng)對(duì)齒輪加工的影響，提高齒輪的加工精度[2].因此，齒輪必須從凸輪軸上分離出來，把整體式凸輪軸更改為分體式凸輪軸.SQR477整體式凸輪軸的立體圖如圖2所示.

圖2顯示出，齒輪位于支承軸頸的左側(cè)，齒輪要分離出來，位于其右側(cè)的軸頸需要單獨(dú)分離加工，后續(xù)齒輪才能完成裝配，為使齒輪與軸頸之間不發(fā)生軸向移動(dòng)，在二者之間需要加上一個(gè)隔套[3].因此，外形整改后的分體式凸輪軸分為4個(gè)分部件：凸輪軸主體、支承軸頸、隔套、斜齒輪.如圖3～圖6所示.

整體式更改為分體式，4個(gè)分部件可以選用適合的加工方式分開加工，同時(shí)根據(jù)各部件的具體性能要求進(jìn)行合理選材，如此，既節(jié)省成本又能滿足使用要求.

圖2 整體式凸輪軸

圖3 凸輪軸主體

圖4 支承軸頸

圖5 隔套

圖6 斜齒輪

2.2 合理選擇凸輪軸上配件之間的配合尺寸

凸輪軸作為發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要部件，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)凸輪軸做高速旋轉(zhuǎn)，為了防止凸輪軸上的支承軸頸及齒輪發(fā)生周向轉(zhuǎn)動(dòng)，支承軸頸內(nèi)孔、齒輪內(nèi)孔分別與凸輪軸采用過盈配合，確保使用性能[3].隔套在軸上的主要作用是隔離支承軸頸與齒輪，確保二者在軸上的相對(duì)位置是固定的，因此隔套與凸輪軸的配合采用間隙配合，隔套內(nèi)孔直徑為29 mm，兩者之間有0.45 mm的配合間隙.

表3 凸輪軸與軸上配件的配合

具體配合尺寸分別如圖7～圖10所示：

圖7 凸輪軸配合尺寸(單位：mm)

圖8 斜齒輪配合尺寸(單位：mm)

圖9 隔套配合尺寸(單位：mm)

圖10 支承軸頸配合尺寸(單位：mm)

2.3 改進(jìn)凸輪軸及其零件加工工藝

分體式凸輪軸的左右支承軸頸分開加工，同軸度較難控制，為了保證凸輪軸回轉(zhuǎn)精度，左右支承軸頸的同軸度必須控制在一定范圍之內(nèi)(通常為0.025 mm)，因此左右支承軸頸粗加工時(shí)均預(yù)留一定的加工余量，待右支承軸頸裝配到凸輪軸上后與左支承軸頸一起進(jìn)行磨削精加工,保證同軸度，確保回轉(zhuǎn)精度.

凸輪軸作為細(xì)長軸，加工時(shí)有如下特點(diǎn)：散熱能力差、剛性不足、細(xì)長軸的軸向尺寸較長，實(shí)際加工時(shí)，一次走刀需要花費(fèi)較長時(shí)間.以上特點(diǎn)使得凸輪軸加工難度大，容易造成凸輪軸報(bào)廢[4].加工過程中工藝需要改進(jìn)，首先，通過減小切削的深度、增加進(jìn)給量、適當(dāng)提高切削的速度來實(shí)現(xiàn)切削用量的合理選擇，從而改善散熱和受力變形；其次，在細(xì)長軸車削加工過程中，有多種裝夾方法，各種方法都有其特點(diǎn)，為了保證凸輪軸的同軸度及穩(wěn)定性，SQR477發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸在加工時(shí)選用雙頂尖裝夾法，此法有效確保同軸度，提高加工穩(wěn)定性減少振動(dòng)，提升凸輪軸及軸上零件的加工精度.

2.4 軸上零件材料的合理選擇及熱處理工藝的優(yōu)化

分體式凸輪軸上3個(gè)零部件：斜齒輪、支承軸頸及隔套，以上3個(gè)部件獨(dú)立加工.傳統(tǒng)的整體式凸輪軸采用整體加工，所有部件采用的材料均為冷激鑄鐵，冷激鑄鐵硬度高，強(qiáng)度較低，伸長率幾乎為零，滿足不了軸上齒輪的使用性能要求.結(jié)合斜齒輪、支承軸頸及隔套的使用要求合理選用材料及熱處理工藝成為改善凸輪軸報(bào)廢率的途徑之一[5].

由于凸輪軸轉(zhuǎn)速較高，軸上齒輪嚙合次數(shù)較高，所受的沖擊力及摩擦壓力都很大，工作條件較差，容易出現(xiàn)疲勞斷齒、齒面點(diǎn)蝕及齒面磨損等失效形式.故要求齒輪材料有較高的硬度，從而提升齒面耐磨性，同時(shí)具有高的強(qiáng)度，提升沖擊韌性[6].因此齒輪材料綜合力學(xué)性能一定要好，通常調(diào)質(zhì)鋼作為首選，如40Cr、40SiMn等，考慮用料成本，凸輪軸齒輪最終選用40Cr；支承軸頸承受來自各方向的沖擊力，材料綜合力學(xué)性能要好，同樣選用40Cr；隔套承受的載荷較小，工作環(huán)境較好，因此采用普通調(diào)質(zhì)鋼：45號(hào)鋼.

選好合適的材料，采用合理的工藝路線，運(yùn)用低成本的加工方法，有效地挖掘出材料的最優(yōu)性能[7].表4為3個(gè)零部件優(yōu)化后的工藝路線.

表4 凸輪軸上零部件工藝路線

3 工藝改良后的凸輪軸報(bào)廢情況得到改善

SQR477發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸工藝改進(jìn)后，加工出來的凸輪軸經(jīng)過檢測(cè)，尺寸公差及形位公差、每項(xiàng)精度均比傳統(tǒng)整體式凸輪軸有很大提升，并且加工精度保持一定的穩(wěn)定性.凸輪軸組裝到SQR477發(fā)動(dòng)機(jī)中，總裝廠進(jìn)行實(shí)況臺(tái)架測(cè)試，常見的凸輪磨損、齒輪斷裂的故障均未出現(xiàn).

由于齒輪單獨(dú)進(jìn)行滾齒加工，避免細(xì)長軸加工時(shí)的振動(dòng)影響，齒輪的加工精度大大提升，降低了齒輪輪齒與其他摩擦表面的嚙合噪聲[7].材料的合理選用，也提高了齒輪的綜合力學(xué)性能，為凸輪軸的使用可靠性創(chuàng)造了條件.

4 結(jié)語

目前，分體式凸輪軸已進(jìn)行批量生產(chǎn)，受到眾多凸輪軸生產(chǎn)廠家的青睞.在生產(chǎn)過程中報(bào)廢率極大降低.改良后，凸輪軸上的其他零部件采用的材料成本有所提高，但凸輪軸的合格率由原來的85%提高到98%以上，總成本降低了.關(guān)鍵在于凸輪軸使用可靠性的提升，為發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性做了很大貢獻(xiàn)，提升了國產(chǎn)汽車的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力.

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