凸輪軸是汽車發(fā)動機(jī)的五大件之一，凸輪軸的桃形磨削加工是凸輪軸機(jī)加工的關(guān)鍵工序。隨著磨削技術(shù)的發(fā)展和對凸輪軸的質(zhì)量、產(chǎn)量的要求的提高，凸輪軸桃形磨削技術(shù)也不斷改進(jìn)。

　凸輪軸桃形的功用及加工要求

　凸輪軸是發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵零件。發(fā)動機(jī)的連續(xù)運轉(zhuǎn)正是通過凸輪軸桃形對氣門的順序啟閉、氣門開度的規(guī)律控制，使發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣四個沖程周而復(fù)始、定時順序地循序完成的。進(jìn)氣和排氣沖程凸輪軸的桃尖推動挺桿頂開氣門，進(jìn)入新鮮空氣、排出廢氣。壓縮、做功沖程則關(guān)閉氣門。凸輪軸的桃形(見圖1)通過對氣門的啟閉時序和開度的控制，控制發(fā)動機(jī)的運轉(zhuǎn)，對發(fā)動機(jī)的性能有很大影響。

　　普通的汽車發(fā)動機(jī)，凸輪軸桃形對氣門的啟閉作用是在高速運轉(zhuǎn)中進(jìn)行的。凸輪軸桃形和氣門挺桿之間呈滑動摩擦狀態(tài)。桃形輪廓的設(shè)計質(zhì)量、加工精度、表面質(zhì)量、材料對發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的動力性能、凸輪軸-挺桿的接觸應(yīng)力、油膜潤滑特性影響極大，并進(jìn)而影響到發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、壽命，以及排放、振動、噪音等。質(zhì)量差的桃形輪廓其曲線不連續(xù)，或者加工出的廓形不符合設(shè)計要求，表面粗糙、有波紋、燒傷等，在工作中易引起沖擊、跳動、潤滑特性惡化、易磨損、激勵噪音、振動等問題，影響發(fā)動機(jī)的性能、壽命，增加油耗、排放等。

　　所以，根據(jù)凸輪軸桃形的功用和工作特點，凸輪桃形除了要有合理的廓形設(shè)計、材料耐磨性、一定的剛度外，廓形的加工精度和表面質(zhì)量也是至關(guān)重要的。加工精度很差的廓形設(shè)計得再好也是沒有意義的。粗糙度很差，表面有燒傷、波紋，對桃形的正常工作和壽命都會有不利影響。

　　傳統(tǒng)的凸輪軸桃形磨削工藝

　　傳統(tǒng)的凸輪軸磨削采用機(jī)械靠模仿型磨削法。設(shè)計人員按凸輪輪廓計算出凸輪上每一點的升程值，工藝人員根據(jù)此升程值設(shè)計、制作標(biāo)準(zhǔn)凸輪，然后利用標(biāo)準(zhǔn)凸輪在凸輪軸磨床上以反靠法磨制一套靠模樣板。磨削時靠模樣板緊靠在一個滾輪上，通過搖擺架使被加工凸輪和靠模樣板同步擺動、同軸旋轉(zhuǎn)，由此磨出與樣板升程形狀相一致的凸輪輪廓（見圖2）。

　　這種結(jié)構(gòu)的凸輪軸磨床存在的主要問題是：

　?、?生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長、制造柔性差。
　　⒉ 磨削凸輪輪廓精度難以保證，產(chǎn)生誤差的因素多。
　?、?容易產(chǎn)生升程誤差，大大地縮短了砂輪的使用壽命，零件精度也難以提高。
　?、?砂輪線速度低，修整工具和工藝落后，機(jī)床生產(chǎn)效率低。

　　新型的凸輪軸桃形磨削工藝

　　筆者所在工廠采用德國JUNKER公司的CNC凸輪軸磨床（見圖3）進(jìn)行凸輪軸桃形的無靠模數(shù)控磨削。其工作原理如下：整個凸輪輪廓(包括基圓、側(cè)圓和凸尖)由砂輪架(X軸)的運動和工件主軸(C軸)的旋轉(zhuǎn)運動同步協(xié)調(diào)動作而成。砂輪在特定的進(jìn)給角范圍內(nèi)沿基圓做連續(xù)徑向進(jìn)給：當(dāng)凸輪軸旋轉(zhuǎn)時，砂輪架提供進(jìn)給運動，也按凸輪輪廓移動（見圖4）。由于金屬切削量化較大，必須按凸輪輪廓控制凸輪軸的角速度，在基圓和側(cè)面處的金屬切削率大體保持常數(shù)。

　　該種磨削方式由于取消了靠模，實現(xiàn)了自動修整砂輪、自動補(bǔ)償、恒線速磨削、自動軸向定位、砂輪自動動平衡等技術(shù)，使得凸輪軸桃形的磨削精度大大提高。目前筆者所在工廠的凸輪軸桃形的加工精度為：輪廓總升程誤差0.01mm；相鄰每度升程誤差0.0025mm；相位誤差（從凸輪到凸輪）小于0.25°；基圓誤差±0.01mm；表面粗糙度Ra0.5-0.4。

  CNC凸輪軸磨床的主要技術(shù)特征

　德國JUNKER公司的CNC凸輪軸數(shù)控磨床具有以下技術(shù)特征：

　⒈ 高剛度、高強(qiáng)度、整體鑄造重載床身，有高的抗震性能。

?、?砂輪頭架導(dǎo)軌：采用交流變頻伺服電機(jī)、精密無間隙滾珠絲桿驅(qū)動、靜壓過約束導(dǎo)軌，并配有全閉環(huán)電子測量反饋裝置，以確保砂輪定位精度。

?、?砂輪頭：配備特種靜壓主軸磨頭，砂輪頭架與機(jī)床統(tǒng)一設(shè)計，采用無摩擦、無磨損靜壓軸承，保持砂輪同心度長期使用不變。

?、?工作臺：采用交流變頻伺服電機(jī)、高精度無間隙精密滾珠絲桿驅(qū)動，并配有閉環(huán)電控裝置，以確保工作臺精確地軸向定位。

?、?工作臺導(dǎo)軌及其潤滑：機(jī)床工作臺導(dǎo)軌配有自動噴潤滑油油嘴，潤滑油通過油泵、過濾器后注入軌面。

?、?主軸頭（驅(qū)動工件的床頭箱）：高精度活動主軸，由一同軸驅(qū)動的變頻伺服電機(jī)驅(qū)動，并配有角度測量裝置。工作轉(zhuǎn)速可以選用電機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)任一恒定轉(zhuǎn)速，或采用恒定切削量，優(yōu)化變轉(zhuǎn)速，不僅可以實現(xiàn)在工件每轉(zhuǎn)凸輪形面上每一磨削點磨削量恒定，還可以防止磨削裂紋和燒傷，保證凸輪表面的磨削質(zhì)量。

?、?砂輪配有自動動平衡裝置，砂輪轉(zhuǎn)速從30m/s到80m/s可無級調(diào)速，并可以實現(xiàn)任一轉(zhuǎn)速的恒線速磨削。

　⒏ 采用西門子840控制系統(tǒng)，具有人機(jī)對話界面，可手動進(jìn)行切削參數(shù)的設(shè)定和加工尺寸的調(diào)整。該系統(tǒng)可計算出并連續(xù)控制不斷磨損的砂輪，磨削出凸輪型線；并對凸輪輪廓在磨削過程中實現(xiàn)自動插補(bǔ)，能在生產(chǎn)過程中保證砂輪型線的統(tǒng)一性。該系統(tǒng)同時控制工件頭架主軸的無級變速、砂輪的恒線速，使砂輪架按凸輪型線的升程和降程數(shù)值進(jìn)行橫向往復(fù)運動，形成凸輪輪廓，提高了凸輪的制造精度，并有利于多品種的生產(chǎn)。

?、?采用CNC砂輪修整器，通過CNC控制金剛石修整器修整砂輪，提高了砂輪的修整精度和壽命。

?、?自動進(jìn)給補(bǔ)償：在磨削過程中，機(jī)床可實現(xiàn)自動補(bǔ)償砂輪直徑的磨損值（因修整砂輪使其直徑減少），補(bǔ)償方法可以編程實現(xiàn)。

?、?靜壓潤滑及液壓站：與機(jī)床主體隔離，配有靜壓動力系統(tǒng)，為靜壓導(dǎo)軌、靜壓砂輪主軸供油。該系統(tǒng)由供油泵、濾芯、降溫器組成，以保持該供油系統(tǒng)有一穩(wěn)定的油溫，并以滿足清潔度要求的油供給。

?、?冷卻液系統(tǒng)：配有恒溫器及過濾系統(tǒng)，機(jī)泵系統(tǒng)，以確保足夠的冷卻液供給磨削的砂輪、修整器噴嘴、機(jī)床沖洗系統(tǒng)。

?、?電器柜：CNC控制系統(tǒng)的電器柜，裝有空調(diào)，以保證CNC控制系統(tǒng)安全可靠地工作。

　凸輪軸磨削加工中的常見問題

　凸輪軸桃形有很高的尺寸精度要求和表面質(zhì)量要求。高的加工要求提高了加工的難度，也相應(yīng)地易產(chǎn)生一些質(zhì)量問題。凸輪軸桃形磨削加工中的常見問題有：

?、?波紋

　波紋主要表現(xiàn)為：⑴ 整個桃形(包括基圓、兩側(cè)、桃尖)產(chǎn)生波紋；⑵ 在桃形的兩側(cè)、桃尖產(chǎn)生波紋；⑶ 在個別位置產(chǎn)生少量波紋。

　第⑴種情況一般是砂輪平衡、砂輪在線平衡系統(tǒng)、機(jī)床剛度(特別是主軸剛度)等原因引起。引起第⑵種情況的原因：工件的恒轉(zhuǎn)速磨削中，在輪廓的兩側(cè)及桃尖處磨削量會發(fā)生較大變化，引起磨削力發(fā)生變化，因而易產(chǎn)生波紋。變轉(zhuǎn)速磨削中，轉(zhuǎn)速變化設(shè)置不當(dāng)，以及主軸剛度下降時，也有可能在兩側(cè)及桃尖產(chǎn)生波紋。

?、?表面燒傷

　表面燒傷的原因主要包括：⑴ 磨削用量；⑵ 磨削余量；⑶ 磨削液及冷卻方式；⑷ 砂輪修整；⑸ 砂輪質(zhì)量。

　在工件恒轉(zhuǎn)速磨削中，桃形兩側(cè)磨削的磨除率會大大增加，因而易產(chǎn)生燒傷。

?、?粗糙度超差

　粗糙度超差的原因主要包括：⑴ 磨削用量；⑵ 磨削余量；⑶ 磨削液及冷卻方式；⑷ 砂輪修整；⑸ 砂輪質(zhì)量。

　CBN砂輪的使用

　筆者所在工廠的凸輪軸桃形磨削采用的是CBN砂輪。CBN砂輪雖然價格很高，但因耐用度高、壽命長、磨削效率高、更換砂輪的輔助時間少、修整工具損耗減小等因素，分?jǐn)偟矫考a(chǎn)品的費用反而低于普通砂輪，即經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。通過統(tǒng)計可以看出：CBN砂輪較普通砂輪有明顯優(yōu)勢，CBN磨具可以降低成本40%。而且，隨著技術(shù)的日益成熟，它還有提高的潛力。

　　總結(jié)和展望

　　汽車生產(chǎn)企業(yè)只有以用最低的成本生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品為目標(biāo)，才能在競爭中求得生存。凸輪軸作為汽車發(fā)動機(jī)的重要零件，在發(fā)動機(jī)制造技術(shù)中占有重要地位，是影響發(fā)動機(jī)性能的重要零件。其凸輪桃形的磨削加工技術(shù)是汽車零件制造技術(shù)中最具挑戰(zhàn)性的工藝環(huán)節(jié)之一，也是影響凸輪軸生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。