本发明属于锻造技术领域，具体涉及一种凸轮轴热模锻精密级尺寸公差的控制方法。
背景技术：
现有大功率高速柴油机凸轮轴热模锻的主要工艺过程为：在加热炉中加热坯料→在锻模上热模锻(滚挤制坯、终锻)→在切边压力机上热切边→在锻模终锻模膛中热校正→在现场环境下自然冷却。
由GB/T12362《钢质模锻件公差及机械加工余量》国家标准可知，钢质模锻件以下6组别长度公称尺寸所对应的精密级尺寸公差为：(>80～120)mm对应(>120～180)mm对应(>180～315) mm对应(>315～500)mm对应(>500～800)mm对应(>800～1250)mm对应所对应的现有凸轮轴模锻件6组别长度公称尺寸精密级尺寸公差为：(>80～120)mm对应 (>120～180)mm对应(>180～315)mm对应(>315～ 500)mm对应(>500～800)mm对应(>800～1250) mm对应
现有凸轮轴为总长尺寸1100mm～1500mm的长轴类模锻件，材料牌号为20CrMnTi、20CrMnMo或精选45钢(化学成分含量精选钢)等，多为6、8、10、12组凸轮；因凸轮轴热模锻的热胀冷缩量大为15.0mm～23.0mm 以及热胀冷缩程度不均匀性，再加上热模锻件长度尺寸的金属冷却收缩率确定不合理以及始锻温度、终锻温度、热切边温度、热校正温度和“热模锻 (滚挤制坯、终锻)→热切边→热校正”操作总时间控制不合理等原因，极易导致凸轮轴模锻件从长度基准线到凸轮外侧的长度尺寸超差±(1.0～ 5.0)mm或热校正啃伤凸轮而报废的现象(距离长度基准线越远超差量越大和啃伤凸轮现象越严重)，因此引起的凸轮轴模锻件长度尺寸的普通级废品率约为30％。
在凸轮轴热模锻的始锻温度、终锻温度、热切边温度、热校正温度和“热模锻(滚挤制坯、终锻)→热切边→热校正”操作总时间等皆合理的前提下，如果按现有技术将热模锻件的不同长度尺寸确定为相同的金属冷却收缩率，还极易导致凸轮轴模锻件从长度基准线到凸轮外侧区间的长度尺寸超差±(1.0～3.0)mm的现象(距离长度基准线越远超差量越大)，因此引起的凸轮轴模锻件长度尺寸的普通级废品率约为20％。
为解决上述凸轮轴模锻件长度尺寸超差的问题，现有技术中，通常采取加大距离凸轮轴模锻件长度基准线较远端的超差凸轮的单边宽度尺寸 (1.0～3.0)mm(即将等宽凸轮变为不等宽凸轮)等较为理想的措施以弥补上述不足，因此引起的凸轮轴模锻件长度尺寸的普通级废品率约为10％。
因此，现有凸轮轴热模锻技术即使是达到GB/T12362《钢质模锻件公差及机械加工余量》规定的普通级长度尺寸公差要求都比较困难，更谈不上达到精密级长度尺寸公差要求。
现有技术中，李志广、赵瑞和张雪冬等人关于“一种刮板铸锻件精密级尺寸公差的控制方法”研究(参见CN 105170852B发明专利)，有效解决了如何控制刮板铸锻件精密级尺寸公差等问题；李志广、张雪冬和赵瑞等人关于“一种刮板铸坯模锻的精密热校正方法”研究(参见CN 104338798B发明专利)，有效解决了如何实现刮板铸锻件热校正精密级尺寸公差的问题；戴全春、李志广和胡丰泽等人关于“凸轮轴高紧凑锻模优化设计与应用”研究(参见2017(5)《模具制造》杂志)，有效解决了凸轮轴锻模高紧凑锻模优化设计等问题；但上述发明专利与论文皆没有提及如何控制凸轮轴热模锻精密级长度尺寸公差的问题。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：提供了一种凸轮轴热模锻精密级尺寸公差的控制方法，有效解决现有凸轮轴热模锻技术难以达到精密级长度尺寸公差要求的难题。
(二)技术方案
为解决上述技术难题，本发明提供一种凸轮轴热模锻精密级尺寸公差的控制方法，所述凸轮轴热模锻的工艺过程为：在加热炉中加热坯料→在锻模上热模锻→在切边压力机上热切边→在锻模终锻模膛中热校正→在现场环境下自然冷却；在锻模上热模锻包括滚挤制坯和终锻；所述的凸轮轴锻模终锻模膛的形状与尺寸通过凸轮轴热模锻件图实现；所述凸轮轴模锻件精密级长度尺寸公差的控制方法通过精准确定凸轮轴热模锻件长度尺寸的金属冷却收缩率以及通过控制凸轮轴热模锻的始锻温度、终锻温度、热切边温度、热校正温度和“热模锻→热切边→热校正”操作总时间实现。
其中：所述的凸轮轴热模锻件长度尺寸区间是以单端基准尺寸线为长度基准线；N组凸轮的从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸依次确定为递增变化的不同金属冷却收缩率，N＝1，2，3……，N为凸轮组数量，每一凸轮组的凸轮数量为2N；N组凸轮中的每组中的2个凸轮的从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸确定为相同的金属冷却收缩率；所述的N组凸轮中的每相邻2组凸轮的从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸的金属冷却收缩率确定为相同的递增级差。
其中：所述凸轮轴热模锻件从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸的实际金属冷却收缩率δN与凸轮轴热模锻件从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸的基准金属冷却收缩率δ0、凸轮轴热模锻件从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸的优选金属冷却收缩率递增级差δn-1的数学关系式为：
δN＝δ0+δn-1
式中δN——凸轮轴热模锻件从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸的实际金属冷却收缩率δN/％，为依次递增变化的具体数值，N＝1，2，3……，为凸轮组数量；δ0——凸轮轴热模锻件从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸的基准金属冷却收缩率/％，为相同不变的基准数值；δn-1——凸轮轴热模锻件从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸的优选金属冷却收缩率递增级差/％，为相同不变的具体数值，n＝1,2,3……，为凸轮组次序数，以距离长度基准线最近的第一组凸轮为起点次序数。
其中：所述凸轮轴热模锻的始锻温度Ti与热模锻允许的最低始锻温度 Timin、热模锻允许的最高始锻温度Timax的数学关系式为：
Timin+20℃≤Ti≤Timax－30℃
式中Ti——优化的始锻温度/℃，最高与最低的温度区间范围≤50℃， Timin——热模锻允许的最低始锻温度/℃，Timax——热模锻允许的最高始锻温度/℃。
其中：所述凸轮轴热模锻优化的终锻温度Tf与热模锻允许的最低终锻温度Tfmin的数学关系式为：
Tf＝Tfmin+(100～150)℃
式中Tf——终锻温度/℃，最高与最低的温度区间范围≤50℃，Tf min——热模锻允许的最低终锻温度/℃。
其中：所述的凸轮轴热模锻的热切边温度Tt与的终锻温度Tf的数学关系式为：
Tt＝Tf－50℃
式中Tt——热切边温度/℃，最高与最低的温度区间范围≤50℃，Tf——终锻温度/℃。
其中：所述的凸轮轴热模锻优化的热校正温度Ts与优化的热切边温度 Tt的数学关系式为：
Ts＝Tt－50℃
式中Ts——热校正温度/℃，最高与最低的温度区间范围≤50℃，Tt——热切边温度/℃。
其中：所述的凸轮轴“热模锻→热切边→热校正”操作总时间为0.9～ 1.1min/件。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的凸轮轴热模锻精密级长度尺寸公差的控制方法，通过优化和精准确定凸轮轴热模锻件长度尺寸的金属冷却收缩率以及优化和精准控制凸轮轴热模锻的始锻温度、终锻温度、热切边温度、热校正温度和“热模锻(滚挤制坯、终锻)→热切边→热校正”操作总时间等联合控制方法优化和精准控制凸轮轴热模锻精密级长度尺寸公差，有效解决了现有凸轮轴热模锻技术难以达到GB/T12362《钢质模锻件公差及机械加工余量》精密级长度尺寸公差要求的难题，将凸轮轴模锻件长度尺寸合格品率由普通级70％～90％提高到精密级98％以上。
附图说明
图1a为本发明中涉及的一种凸轮轴模锻件毛坯图的主视图简图；
图1b为图1a的俯视图简图。
图2a为本发明中涉及的一种凸轮轴锻模主视图简图(含1个滚挤模膛、 2个终锻模膛)；
图2b为图2a主视图中的滚挤模膛的A-A剖视图简图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本实施例提供的凸轮轴热模锻精密级尺寸公差的控制方法，在本发明中，所述的凸轮轴热模锻的主要工艺过程为：在加热炉中加热坯料→在锻模上热模锻(滚挤制坯、终锻)→在切边压力机上热切边→在锻模终锻模膛中热校正→在现场环境下自然冷却；所述的凸轮轴锻模终锻模膛的形状与尺寸是通过凸轮轴热模锻件图来体现的；所述的凸轮轴模锻件精密级长度尺寸公差的控制方法是通过优化和精准确定凸轮轴热模锻件长度尺寸的金属冷却收缩率以及通过优化和精准控制凸轮轴热模锻的始锻温度、终锻温度、热切边温度、热校正温度和“热模锻(滚挤制坯、终锻)→热切边→热校正”操作总时间等联合控制方法。
凸轮轴热模锻件是在冷态凸轮轴模锻件的基础上增加金属冷却收缩量而在锻模终锻模膛中形成的凸轮轴热模锻件，或者说凸轮轴锻模终锻模膛的形状与尺寸是通过凸轮轴热模锻件图来体现的(参见附图2a、2b)，即在凸轮轴热模锻冷却以后的模锻件即为冷态凸轮轴模锻件(参见附图1a、1b)。
金属冷却收缩量大小与金属冷却收缩率大小有直接关系，金属冷却收缩率大小与金属热模锻件尺寸大小有直接关系，金属热模锻件尺寸大小与金属冷模锻件尺寸公差大小有直接关系。
现有技术的金属热模锻件尺寸L、金属冷模锻件尺寸l以及金属热模锻件冷却收缩率δ之间的数学关系式为：
L＝l(1+δ)(mm)；
式中L——金属热模锻件尺寸(mm)，l——金属冷模锻件尺寸(mm)，δ——金属热模锻件冷却收缩率(％)。
在本发明中，将凸轮轴热模锻件从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸划分为N组区间(其中，N＝1，2，3……，N为凸轮组数量，每一凸轮组的凸轮数量为2N)，即以凸轮轴热模锻件长度尺寸区间的单端基准尺寸线为长度基准线，将凸轮轴热模锻件从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸划分为 6、8、10、12等组凸轮(凸轮数量分别为12、16、20、24个等)区间(每相邻2组凸轮间距皆相同)，其中每组中的从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸区间皆具有的2个凸轮(每相邻2个凸轮间距皆相同)。
在本发明中，在凸轮轴热模锻件中的每组从长度基准线到凸轮外侧的不同长度尺寸确定不同的金属冷却收缩率，即以凸轮轴热模锻件长度尺寸区间的单端基准尺寸线为长度基准线，将N组凸轮的从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸依次确定为递增变化的金属冷却收缩率；将N组凸轮中的每组中的2个凸轮的从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸确定为相同或相近的金属冷却收缩率(“相近”是指具有微小差别或可忽略不计的“相同”)；N组凸轮中的每相邻2组凸轮的从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸的金属冷却收缩率确定为相同的递增级差。
在本发明中，凸轮轴热模锻件从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸的实际金属冷却收缩率δN与凸轮轴热模锻件从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸的基准金属冷却收缩率δ0、凸轮轴热模锻件从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸的优选金属冷却收缩率递增级差δn-1的数学关系式为：
δN＝δ0+δn-1
式中δN——凸轮轴热模锻件从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸的实际金属冷却收缩率δN(％)，为依次递增变化的具体数值，N＝1，2，3……，为凸轮组数量；δ0——凸轮轴热模锻件从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸的基准金属冷却收缩率(％)，为相同不变的基准数值；δn-1——凸轮轴热模锻件从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸的优选金属冷却收缩率递增级差 (％)，为相同不变的具体数值，n＝1,2,3……，为凸轮组次序数，以距离长度基准线最近的第一组凸轮为起点次序数。
以现有总长尺寸为1152mm、材料牌号为精选45钢(现有技术热模锻的金属冷却收缩率δ＝1.450％～1.500％)、共6组凸轮(12个凸轮)的凸轮轴热模锻为例，在凸轮轴热模锻件中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ共6组凸轮从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸区间确定的基准金属冷却收缩率为δ0＝1.0120％(为相同不变的具体数值)，从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸的优选金属冷却收缩率递增级差δn＝0.0001％(为相同不变的具体数值)，所对应的实际金属冷却收缩率δN＝1.0120％～1.0125％(为较小数值与区间的依次递增变化的具体数值)，即按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ的凸轮组顺序所对应的6组凸轮从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸区间的实际金属冷却收缩率具体为：δ1＝1.0120％、δ2＝1.0121％、δ3＝1.0122％、δ4＝1.0123％、δ5＝1.0124％和δ6＝1.0125％；通过优化和精准确定凸轮轴热模锻件的实际金属冷却收缩率，可有利于确保凸轮轴热模锻达到精密级长度尺寸公差要求。
现有技术只规定了凸轮轴热模锻的始锻温度和终锻温度区间范围，没有规定热切边温度和热校正温度区间范围。如果始锻温度、终锻温度、热切边温度和热校正温度过低，相应导致金属冷却速度加快与冷却收缩率变小以及在热校正时极易啃伤距离凸轮轴热模锻件长度基准线较远端的外侧凸轮和导致长度尺寸变长超差等废品率增高，因此，应将凸轮轴热模锻件再次加热到相应的优化温度区间后再次进行相应的热模锻操作；如果始锻温度、终锻温度、热切边温度和热校正温度过高，相应导致金属冷却速度变慢与冷却收缩率变大以及在热校正时极易啃伤距离凸轮轴热模锻件长度基准线较远端的内侧凸轮和导致长度尺寸变短超差等废品率增高，因此，应将凸轮轴热模锻件立即降温到相应的优化温度区间后再次进行相应的热模锻操作。
在本发明中，凸轮轴热模锻优化的始锻温度Ti与热模锻允许的最低始锻温度Timin、热模锻允许的最高始锻温度Timax的数学关系式为：
Timin+20℃≤Ti≤Timax－30℃
式中Ti——优化的始锻温度(℃)(最高与最低的温度区间范围≤50℃)， Timin——热模锻允许的最低始锻温度(℃)，Timax——热模锻允许的最高始锻温度(℃)。
在本发明中，凸轮轴热模锻优化的终锻温度Tf与热模锻允许的最低终锻温度Tfmin的数学关系式为：
Tf＝Tfmin+(100～150)℃
式中Tf——优化的终锻温度(℃)(最高与最低的温度区间范围≤50℃)， Tfmin——热模锻允许的最低终锻温度(℃)。
在本发明中，凸轮轴热模锻优化的热切边温度Tt与优化的终锻温度Tf的数学关系式为：
Tt＝Tf－50℃
式中Tt——优化的热切边温度(℃)(最高与最低的温度区间范围≤50℃)，Tf——优化的终锻温度(℃)。
在本发明中，凸轮轴热模锻优化的热校正温度Ts与优化的热切边温度 Tt的数学关系式为：
Ts＝Tt－50℃
式中Ts——优化的热校正温度(℃)(最高与最低的温度区间范围≤50℃)，Tt——优化的热切边温度(℃)。
将现有凸轮轴热模锻(精选45钢)的始锻温度Timin＝1170℃、Timax ＝1250℃和最低终锻温度Tfmin＝850℃代入上述公式：得出优化的始锻温度为Ti＝1190℃～1220℃、优化的终锻温度为Tf＝950℃～1000℃、优化的热切边温度为Tt＝900℃～950℃、优化的热校正温度为Ts＝850℃～900℃；通过优化和精准确定始锻温度、终锻温度、热切边温度和热校正温度，可更有利于确保凸轮轴热模锻达到精密级长度尺寸公差要求。
现有技术对凸轮轴“热模锻(滚挤制坯、终锻)→热切边→热校正”操作总时间没有具体要求，但该操作总时间与凸轮轴热模锻的终锻温度、热切边温度、热校正温度以及金属冷却收缩率密切相关。如果该操作总时间过长或过短，相应会导致凸轮轴热模锻的终锻温度、热切边温度、热校正温度的过低或过高、金属冷却收缩率变小或变大以及长度尺寸变长或变短超差等现象。
在本发明中，将凸轮轴“热模锻(滚挤制坯、终锻)→热切边→热校正”操作的优化总时间控制在(0.9～1.1)min/件范围内；通过优化和精准确定凸轮轴热模锻操作总时间，可更有利于确保凸轮轴热模锻达到精密级长度尺寸公差要求。
在本发明中，在凸轮轴热模锻件中除从长度基准线到凸轮外侧长度尺寸以外的其它所有长宽高尺寸的金属冷却收缩率皆按现有技术方案确定，即可满足凸轮轴热模锻相应长宽高尺寸公差要求。
由上述技术方案可以看出，本发明有效解决了现有凸轮轴热模锻技术难以达到GB/T12362《钢质模锻件公差及机械加工余量》精密级长度尺寸公差要求的难题，将凸轮轴模锻件长度尺寸合格品率由普通级70％～90％提高到精密级98％以上。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出任何若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。