一种组合式凸轮轴的制造方法

专利名称：一种组合式凸轮轴的制造方法
技术领域：
本发明属机械加工技术领域，涉及
心管芯轴的组合式凸轮轴的制造方法，
种组合式凸轮轴的制造方法，特别是具有空
背景技术：
凸轮轴是汽车发动机五大核心部分之一，传统的汽车发动机凸轮轴制造方法主要 是采用整体铸造或整体锻造凸轮轴毛坯，然后切削加工生产，个别也有采用碳钢坯料直接 切削加工制造。铸造式凸轮轴主要有冷硬铸铁，淬火铸铁等，是目前汽车凸轮轴的主要生产 形式。在日本以冷硬铸铁凸轮轴为主，在美国以淬火铸铁凸轮轴为主。 在发动机配气机构中，对凸轮轴各个部位的性能要求是不同的。对于凸轮，要求耐 磨损、耐胶着、耐点蚀；对于轴颈要求滑动性能好；对于轴则要求刚性、弯曲、扭转性能好。 传统的凸轮轴主要是铸造或锻造加工而成，各个部位金属性能相同，这种由单一金属组成 的凸轮轴很难同时保证发动机配气机构对凸轮轴各个部位不同性能的要求；而且传统凸轮 轴的制造特点也决定了凸轮的排列也不可能很紧凑，材料利用也不尽合理，后续加工复杂， 在轻型化及减少成本方面难有新的突破。因此，质量小、加工成本低、材料利用合理的组合 式凸轮轴受到业内人士的高度重视，是凸轮轴未来发展的必然趋势。 组合式凸轮轴制造技术优点主要体现在(l)可实现柔性设计、柔性生产与敏捷 制造。(2)有利于材料分体优化与凸轮轴结构形式选择。(3)采用近净成形工艺成形凸轮， 可大幅度降低制造成本。(4)可使凸轮轴整体重量降低20% 40%，节约材料可达30%以 上。对降低能耗及促进环保具有促进作用。(5)可针对不同零件采用最适宜的热处理技术 与表面强化技术。(6)凸轮轴的全部部件分体加工，并装配集成，降低装配工时与装配成本。 (7)提高凸轮轴整体刚度。(8)凸轮工作型面任意。(9)可大幅度节省凸轮轴机械加工设备 与工时。(10)凸轮在芯轴上的排列可以非常紧凑，在多气门顶置凸轮轴的加工制造方面显 示出巨大的优越性。(11)大幅度提高凸轮轴生产的自动化及集约化程度。
目前，组合式凸轮轴的连接方式主要有焊接式、烧结式、机械式。焊接连接式凸轮 轴由于焊接时容易产生热变形，使凸轮轴的尺寸精度降低，激烈的热变化也容易使焊接部 位产生裂纹，质量难以保证；烧结连接式凸轮轴在进行粉末烧结成形凸轮的同时，凸轮又要 在液相状态下与钢管扩散连接，此过程必须在100(TC以上烧结炉内进行，在高温下轴容易 产生弯曲，造成尺寸精度误差，而且在烧结时，对材料的性能也有限制，需大型烧结炉，热效 率不高。相比之下机械式连接技术较为成熟，应用较广泛，是目前组合式凸轮轴生产的主要 方法。 专利CN1433871A所述的滚花法，是将芯轴外壁与凸轮的内壁沿轴向滚压出槽子， 然后将凸轮套在芯轴上并推入滚花处。芯轴表面和凸轮内壁存在锥度，并且发生塑性变形， 使之间的连接非常牢固。但是制槽的工艺要求十分苛刻，效率低，制造成本较高。
专利US28925254及CN1222379C所述的内部高压成型法，在一相应于最终凸轮轴 形状的模具中，使凸轮轴上突出部分或者凸轮整件从一个空心轴中成型。这种装配工艺所需设备昂贵，模具加工复杂，成本较高。 专利CN101249541A选用空心管作为主轴，通过定制的工装将主轴上的零件定位。 虽然简化了工艺，但是定制工装误差较大，并且在扩管过程中容器产生相对位移，导致凸轮 轴精度降低，最终影响使用。

发明内容
本发明为解决目前滚花法制槽的工艺要求苛刻、效率低、制造成本较高，内部高压 成型法所需设备昂贵，模具加工复杂，成本较高以及空心管作为主轴，通过定制的工装将主 轴上的零件定位定制工装误差较大等问题，提供了一种组合式凸轮轴的装配与连接方法。 此方法可实现零部件的精确定位，并保证芯轴与凸轮等部件之间紧密连接，且凸轮轴整体 质量小、加工成本低、材料利用率高。 —种组合式凸轮轴的制造方法，其具体工艺步骤为首先将空心管芯轴校直，然后 采用数控装配机进行凸轮、轴颈等部件与芯轴的紧配合冷装定位，进而通过机械扩径实现 凸轮、轴颈等部件与芯轴的紧密连接，使发生塑性变形的芯轴与发生弹性变形的凸轮、轴颈 等牢固结合，最后采用激光焊接方法将传动部件固定在凸轮轴两端。 所述的凸轮、轴颈等部件在芯轴上的定位采用数控装配机紧配合冷装定位，凸轮、
轴颈等部件的轴向位置装配精度为±0. 05mm，角向装配精度为±20'。 所述的机械扩径是将中部最大直径为D的锥形拉头通过液压牵引的方式穿过原
内径为A1芯轴，使芯轴扩径。D减去A1的值为空心管壁厚的5%至10%。 所述的凸轮等部件的孔径C与芯轴原外径Bl的差值为0. 01-0. 02mm。所述的凸轮为铁基粉末冶金件，其硬化层深度为1. 00-2. OOmm， HRC硬度大于53。 本发明有如下优点空心芯轴、凸轮等部件是分体制造，其材料的优化及精密成形
技术可大幅度节约材料；凸轮等零部件在芯轴上的定位采用了数控装配机，可实现凸轮相
位角与轴向位置的控制、调整与修改，有利于产品的设计制造；凸轮等零部件通过紧配合冷
装定位，可避免机械扩管时零部件的位移与变形；发生了塑性变形的芯轴与发生弹性变形
的凸轮紧密结合，不受温度变化影响；使用激光焊接将传动部件固定在凸轮轴两端，热区非
常小，降低的焊接温度避免了凸轮轴的变形。 本发明将粉末冶金凸轮等部件采用紧配合冷装定位，芯轴材料塑性变形固定，整 体工艺简单，较铸铁类凸轮轴减重明显，综合成本低，装配精度高，完全满足各类汽车发动 机凸轮轴的使用要求。


图la是将凸轮2通过过盈紧配合冷装固定在芯轴1上之后的结构图； 图lb是芯轴、凸轮、轴颈等部件完成涨管后的结构图； 图2a是凸轮的正视图； 图2b是凸轮的侧视剖面图； 图3a是锥形拉头的正视图； 图3b是锥形拉头的俯视图 图中1.芯轴，2.凸轮，3.锥形拉头；A1为芯轴安装前的内径，A2为芯轴安装后的内径，Bl为芯轴安装前的外径，B2为芯轴安装后的外径，C为凸轮的内径，D为锥形拉头中 部最大直径。
具体实施例方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明
实施例1 芯轴为20#钢管，内径A1 = 16. OOmm，外径Bl = 22. 02mm ;凸轮为铁基粉末冶金 件，其硬化层厚度大于1.50mm， HRC硬度55，内径C = 20. 05mm ;锥形拉头中部外径D = 16. 20mm。采用数控装配机按规定顺序、轴向间距与相位角要求进行过盈紧配合冷装定位， 将凸轮2通过紧配合冷装固定在芯轴l上，然后将锥形拉头3通过液压牵引的方式芯轴1， 使芯轴发生塑性变形，从而与发生弹性变形的凸轮2紧密结合。涨管之后芯轴内径变为A2 =16. 18mm，芯轴与凸轮结合处，其外径未发生变化，而芯轴与凸轮未结合处，外径变为B2 =22. 16mm。最后采用激光焊接方法将传动部件固定在凸轮轴两端。
实施例2 芯轴为45#钢管，内径A1 = 18. 50mm，外径Bl = 23. 51mm ;凸轮为铁基粉末冶金 件，其硬化层厚度大于1.85mm， HRC硬度59，内径C = 23. 55mm ;锥形拉头中部外径D = 18. 65mm。采用数控装配机按规定顺序、轴向间距与相位角要求进行过盈紧配合冷装定位， 将凸轮2通过紧配合冷装固定在芯轴l上，然后将锥形拉头3通过液压牵引的方式芯轴1， 使芯轴发生塑性变形，从而与发生弹性变形的凸轮2紧密结合。涨管之后芯轴内径变为A2 =18. 62mm，芯轴与凸轮结合处，其外径未发生变化，而芯轴与凸轮未结合处，外径变为B2 =23.61mm。最后采用激光焊接方法将传动部件固定在凸轮轴两端。
权利要求
一种组合式凸轮轴的制造方法，其特征是制造工艺步骤为首先将空心管芯轴校直，然后采用数控装配机进行凸轮、轴颈部件与芯轴的紧配合冷装定位，进而通过机械扩径实现凸轮、轴颈与芯轴的紧密连接，使发生塑性变形的芯轴与发生弹性变形的凸轮、轴颈牢固结合，最后采用激光焊接方法将传动部件固定在凸轮轴两端。
2. 按照权利要求1所述组合式凸轮轴的制造方法，其特征在于凸轮、轴颈部件在 芯轴上的定位采用数控装配机紧配合冷装定位，凸轮、轴颈部件的轴向位置装配精度为±0. 05mm，角向装配精度为±20'。
3. 按照权利要求1所述组合式凸轮轴的制造方法，其特征在于所述的机械扩径是将中部最大直径为D的锥形拉头通过液压牵引的方式穿过原内径为A1的芯轴，使芯轴扩径；D减去A1的值为空心管壁厚的5%至10%。
4. 按照权利要求1或2或3所述组合式凸轮轴的制造方法，其特征在于凸轮的孔 径C与芯轴原外径Bl的差值为0. 01-0. 02mm ;凸轮为铁基粉末冶金件，凸轮硬化层深度为 1. 00-2. OOmm， HRC硬度大于53。
全文摘要
本发明属机械加工技术领域，涉及一种组合式凸轮轴的制造方法，特别是具有空心管芯轴的组合式凸轮轴的制造方法。制造工艺步骤为首先将空心管芯轴校直，然后采用数控装配机进行凸轮、轴颈部件与芯轴的紧配合冷装定位，进而通过机械扩径实现凸轮、轴颈与芯轴的紧密连接，使发生塑性变形的芯轴与发生弹性变形的凸轮、轴颈牢固结合，最后采用激光焊接方法将传动部件固定在凸轮轴两端。本发明整体工艺简单，较铸铁类凸轮轴减重明显，综合成本低，装配精度高，完全满足各类汽车发动机凸轮轴的使用要求。
文档编号B23P19/04GK101733632SQ20091024382
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月23日 优先权日2009年12月23日
发明者孟溟灏, 李 一, 李楠, 柳学全, 石文, 霍静 申请人:钢铁研究总院