淺談汽車凸輪塊精密鍛造技術與裝備

文/高崇暉·哈特貝爾金屬成型技術（上海）有限公司

凸輪軸是汽車發動機的關鍵部件之一，其作用是按照發動機的工作循環精確控制氣門的開啟和閉合動作，使得進氣、排氣都比較充分，由于氣門運動規律直接影響著發動機的動力和運轉特性，因此凸輪軸在發動機部件中有著十分重要的地位。在工作狀態下，凸輪軸的轉速很高且需承受周期性的沖擊載荷，因此對凸輪軸的精度、強度、耐磨性和支撐方面的要求很高。

裝配式凸輪軸的優勢凸輪軸的傳統制造方法主要由整體鑄造、鍛造或軋制生產毛坯，后續采用繁瑣的機加工工序去除多余的材料達到精度要求，整套工序耗時耗力，且材料利用率較低，也無法滿足各工作部位的不同性能要求。

裝配式凸輪軸設計采用“化整為零”的方法，將凸輪塊、芯軸等部件分開制造，如凸輪塊毛坯一般以精密塑性成形方法制造，芯軸用無縫鋼管冷拔，最后采用熱裝、冷裝或滾花等方式進行組裝后再進行精加工，這種裝配式制造方法在凸輪軸整體重量降低(20%～40%）、提高材料利用率、縮短機加工工時、實現生產自動化和提升發動機性能等方面有著顯著的優勢。因此，裝配式凸輪軸符合汽車輕量化和節能環保的發展趨勢。

裝配式凸輪軸主要應用于高性能發動機，目前，世界上許多發動機制造商越來越多使用裝配式凸輪軸制造新技術。同時，隨著國內自主研發水平的提高，裝配式凸輪軸已廣泛應用于合資和自主品牌汽車，已展現出廣闊的應用前景。

圖1 裝配式凸輪軸

凸輪塊鍛件要求

凸輪塊鍛件是精鍛件，其尺寸和形位公差及表面質量要求很高，圖2為凸輪塊的鍛件圖。一般來說，端面為非機加工面或留少量磨削余量，凸輪輪廓面只留幾十絲的磨削加工余量，內孔有少量機加工余量，鍛造圓角要求在R1以內，凸輪輪廓度在0.2mm，兩端面平行度在0.25mm，表面磕碰痕跡深度在0.3mm以內，局部脫碳層深度需控制在0.1mm以內。此外，每根凸輪軸大約配有8～10片凸輪塊，凸輪塊的用量很大，如何按時保質保量地交貨也成為鍛件生產中的一大難題。

圖2 凸輪塊鍛件圖

凸輪塊鍛件生產設備

凸輪塊鍛件采用“近凈成形”鍛造技術生產，這就需要使用專業化和自動化程度很高的設備。高速熱鐓機是一種高速、精密成形和全自動化的鍛造設備，是凸輪塊這類鍛件的生產利器。以瑞士哈特貝爾熱鐓機AMP20N（圖3）為例，配合自動上料和中頻感應加熱，棒料加熱后進行剪切下料，經過三個工位成形（含沖孔），生產節拍最高可達每分鐘200件。而且，生產過程全部實現自動化，基本排除人為因素對鍛件質量產生影響。主要技術參數如表1 所示。

表1 AMP20N的技術參數

工藝與模具設計

圖3 AMP20N高速熱鐓機

凸輪塊毛坯的外輪廓為凸輪形狀，為異形非回轉體類鍛件，鍛件需沖孔。第一工位的預成形體積分配成為工藝設計的關鍵，需要根據設計經驗進行初始設計，主要目的是向凸輪桃尖區域聚集材料，在終鍛時可以同時充滿不同的區域，合理的體積分配才能保證不產生毛刺或大的圓角，成形力也可以控制在合理的范圍。CAE軟件模擬可優化預成形的形狀，得到合理的工藝，圖4和圖5為兩個工位的模擬情況。

圖4 第一工位預成形

圖5 第二工位終鍛成形

模具采用組合式設計，根據部件的功能選擇適合的材料及相應的熱處理和表面處理工藝。特別是非回轉體類的易損件模具，可以顯著降低模具成本。根據高速熱鐓機的工藝特點，使用的原材料為圓鋼，熱剪切下料，第一工位進行預成形，第二工位終鍛成形，第三工位進行沖孔。模具的三維模型設計如圖6所示。

圖6 模具三維模型

高速熱鐓機的模具布局為水平布置，剪切下料后的料段由剪切頭傳送至第一工位成形，同時，二三工位成形的工件由機械手傳送至下一工位。長棒料的料頭料尾部位由設備ESA電子剔料系統自動識別及丟料。模具工作區域及機械手的結構如圖7所示。

圖7 模具工作區域

大批量生產

高速熱鐓機生產線（圖8）主要由上料架⑤、中頻感應加熱爐②、熱鐓機③和傳送帶④組成，模具冷卻直接采用水冷，需要配套相應的冷卻水回收循環系統①。此外，凸輪塊鍛件原材料一般為軸承鋼，需特別注意鍛后鍛件與冷卻水的接觸時間，避免產生水淬裂紋。

圖8 高速熱鐓機生產線

圖9為批量生產的凸輪塊鍛件，經過優化預成形體積分配，終鍛成形后的凸輪塊端面邊緣充填飽滿，尤其是桃尖部位的鍛造圓角很小，凸輪輪廓度及端面平面度均達到圖紙要求。凸輪塊鍛件經過退火、拋丸處理后進行內孔機加工，裝配至芯軸后再進行輪廓磨削及表面淬火。

圖9 凸輪塊鍛件

結論

在汽車輕量化的發展趨勢下，裝配式凸輪軸的市場需求越來越大，相應凸輪塊鍛件的市場需求量也越來越大。凸輪塊毛坯作為非回轉體類鍛件，尺寸公差小、本身質量及一致性要求高。應用多工位精密鍛造技術，優化凸輪塊鍛件的預成形形狀，實現合理的體積分配，使得圓角填充度滿足圖紙要求。分析高速熱鐓機的工藝特點，驗證了其是凸輪塊鍛件的高效大批量生產的適合設備。