关键词：装配式凸轮轴；三点式；轴向滚花过程
凸轮轴在汽车发动机中属于五大核心部件之一，同时也是发动机配气机构中关键零部件之一。装配式凸轮轴主要是针对凸轮、中空轴管、端头、六方等多个部件进行选材与加工，而后将其装配成凸轮轴。从产品质量而言，装配式凸轮轴更加具备优势。滚花加工在装配式联接中属于第一道工序，同时也是决定凸轮轴表面齿形、齿高等参数的重要工具，因此，为了提高装配式凸轮轴可靠性与质量，就应针对装配式凸轮轴三点式轴向滚花过程展开研究与分析。
一、装配式凸轮轴特点分析
凸轮轴作为发动机配气机构的主要部件，具有结构复杂、承载不均衡、精度要求高等特点。随发动机功率及转速的不断提高，对凸轮轴运动的平稳性、动平衡性能、耐磨性能及抗扭强度提出了更高的要求。要求在保证凸轮轴高强度与可靠性的前提下，凸轮轴的设计制造应具有结构紧凑、重量轻、材料优化、加工流程简化的特点。目前，凸轮轴生产企业普遍采用传统的制造方法，大多是由铸造或锻造生产，个别的也有用碳钢切削加工制造。传统方法加工凸轮轴存在诸多弊端如：加工工艺流程中有粗加工、半精加工和精加工，要求加工设备多，加工余量大，过程繁琐，需粗磨、半精磨、精磨轴颈和凸轮；采用自助线，设备数和工位数多，初期投资较大，不便于产能的扩大。
上个世纪八十年代开始起步的装配式凸轮轴加工方法得到企业重视并飞速发展。装配式凸轮轴是将凸轮轴分成芯轴、凸轮、轴颈、端头等部件，分别对各部件进行材料性能优化及精益加工，再组装成凸轮轴整体。与铸造或锻造制坯切削加工凸轮轴等传统方式生产相比，装配式凸轮轴具有生产效率高、重量轻、性能好、成本低、材料利用合理等优点。装配式凸轮轴的芯轴与凸轮、轴颈连接的主要方式有焊接式、烧结式和机械式。本项目研究的滚花连接法属于机械式连接法，将异型材料相互连接的原理应用于装配式凸轮轴的制造上，属于机械式连接法。该连接方法连接工艺简单、可柔性化生产、工艺稳定性好、能耗小、尺寸精度高。同时，这种滚花连接装配式凸轮轴具有很高的结合强度，连接可靠，能够承受发动机长时间的高速、大负荷运转，安全性好、使用寿命长，与其他装配式凸轮轴制造技术相比有着显而易见的优势，装配式凸轮轴新工艺必须有先进的生产装备支撑。
目前，我国发动机凸轮轴生产技术水平与发达国家相比有很大的差距，尤其是在装配式凸轮轴新工艺的关键技术与核心设备的研究开发、自主设计、独立制造与推广应用方面还是空白。滚花装配式凸轮轴的研究可替代国外同类产品的进口、增补国内空白，对我国汽车工业、发动机行业提高产品质量与生产效率、促进行业结构升级、提高生产技术水平、降低生产成本、增加经济效益、增强其在国内外市场的竞争能力具有重要意义[1]。
二、道具齿形对滚花过程产生的影响
1.刀具齿高影响分析
当保持滚花刀齿顶角不变情况下，应充分模拟出不同齿高滚花刀对芯轴滚花加工过程，具体情况如表1所示：
表1：滚花刀几何参数与滚花载荷
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表1中a、b、c、d四组参数展开轴向滚花加工，通过具体情况可以得知，随着刀具齿高不断增加，促使过盈量也在随之增大。这一因素表示，在实际生产过程中，为了可以有效提高芯轴、齿轮片材料、几何尺寸的联接强度时，就应选择具备较大齿高的滚花刀具。但在实际生产过程中，当刀具进给量与齿顶角等相关参数固定时，随着刀具齿高增加，促使滚花刀承受载荷值也会随之增加，同时滚花过程刀具数量越多，造成损耗也会更加严重。
2.荷载情况分析
刀具正常运行工况下，刀具边缘为最大部分，变性值最大达到1.578mm，变形现象会自中心向边缘逐步扩散，盾构机刀盘受力期间，半径越大则受力越大，此刻，刀具面板各部位的为应力存在差异，应通过设置边缘刀具来平衡刀盘边缘变形问题。应力分布方面，正常加工作业下，面板各部位应力相同，主梁部位应力稍大，悬臂、链接部位应力值最高，应力相对集中，故应采取合理的加工工艺，焊接阶段确保刀盘的整体变形始终处于可控范围内。此外，在针对该情况进行处理时，需要待自由端轴承更换完毕并试验运行后，确保其振动值可以达到1.12mm/s，即为恢复正常。同时应寻找出故障原因，并在找到原因后，及时根管出口逆止门，通过焊接方式将锁母与轴套点焊接牢固，而后针对其展开试验运行，待确保运行无故障后才可以正式投入使用。此外，齿形滚挤时经历了分齿，梯形齿及三角齿三个阶段，加工中多次加载卸载，轴管表面金属产生加工硬化，压装性能及联接可靠性提高[2]。
三、研究现状及展望
目前，国内凸轮轴的生产大部分仍沿用传统一体式加工方法，即整体铸造或锻造生产毛坯，然后采用繁琐复杂的机械加工。同时，凸轮轴表面经渗碳淬火，必然会伴有变形的发生，为后续校直工序带来了诸多困难，对凸轮轴产品质量影响很大。现在机械加工阶段国内绝大多数仍然沿用靠模车削和磨削方法加工凸轮型面，仅有极个别厂家引进国外凸轮轴数控车床。国内上海通用汽车有限公司引进了美国通用汽车公司装配式凸轮轴的制造技术和设备，其它发动机生产厂家由于引进整条生产线的投资巨大等原因至今尚未引进国外装配式凸轮轴制造新技术与自动化生产设备。
近年来，国内对装配式凸轮轴连接技术及装备的研制给予了高度重视并取得很大进展。哈尔滨工业大学液力成形工程研究中心开展了组合式空心凸轮轴液压扩径连接技术及内高压成形设备的研制，依靠内高压液力将空心轴体扩胀实现与凸轮的连接。吉林大学辊锻工艺研究所对滚花连接技术进行了深入研究，在该领域己获得“装配式凸轮轴滚花式连接自动化装配机”（专利号CN03111054.1）和“装配式凸轮轴新型连接方法”（专利号CN03111055.X）等多项专利技术。这些为开发、研制适合我国国情的装配式凸轮轴加工工艺和自动化生产设备奠定了基础，以此来代替进口节约资金，创造更加显著的经济效益[3]。
结束语：综上所述，轴体的滚花加工是组合式凸轮轴装配加工的重要环节，不同滚花刀参数对装配过盈量和刀具负荷会产生显著影响。三点轴向滚花时轴管受力均匀，表面金属流动充分且未达到失效极限，轴管内部未发生塑性变形，保持了较高的内部圆度。此外，为了可以更好解决影响，仍需要在未来不断针对该项目内容展开研究，不仅应完善相关研究并加快进展，同时也应针对相关方面设备进行完善，为生产起到帮助。
参考文献：
[1]黄晓明, 周培良, 李剑峰. 装配式凸轮轴横向滚花连接数值仿真及实验研究[J]. 滨州学院学报, 2017, 33(6):52-56.
[2]潘天堂. 预制坯结构对汽车凸轮热锻成形质量的影响分析[J]. 热加工工艺, 2019(5):173-175.
[3]杨刚. 凸轮精密冷锻成形连皮结构尺寸参数的优化[J]. 热加工工艺, 2018(21):138-140.
作者简介：刘松（1985-），男，汉族，安徽合肥人，硕士，安徽文达信息工程学院机械与汽车工程学院，讲师，研究方向：机械工程。
基金项目：本文系安徽文达信息工程学院自然科学研究项目（项目名称：装配式凸轮轴悬臂式数控装配机研究与设计 项目编号：XZR2018A08）
论文作者:刘松
论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年2期
论文发表时间:2020/3/16
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