毕业设计（论文）-摩托车凸轮轴生产制造工艺研究.doc

1 河南科技学院河南科技学院 2007 届本科届本科毕业论毕业论文（文（设计设计） ） 论论文文题题目：摩托目：摩托车车凸凸轮轴轮轴生生产产制造工制造工艺艺研究研究 学生姓名：学生姓名： 吴慧超吴慧超 所在院系：所在院系： 机机电电学院学院 所学所学专业专业：机：机电电技技术术教育教育 导师导师姓名：姓名： 李达敏李达敏 完成完成时间时间： ：2009 年年 5 月月 20 日日 2 河南科技学院本科生毕业论文（设计）任务书河南科技学院本科生毕业论文（设计）任务书 题目名称:摩托车凸轮轴生产制造工艺研究 学生姓名吴慧超所学专业机电技术教育学号20040315032 指导教师姓名李达敏所学专业机电一体化职称 高级实验师 完成期限 2008 年 12 月 22 日 至 2009 年 5 月 24 日 一、论文（设计）主要内容及主要技术指标 本课题主要是对摩托车凸轮轴的制造加工工艺进行研究, 本文通过大量质量缺陷分析、工艺分析 并结合已有的实验结果分析.对摩托车凸轮轴生产过程中各种缺陷及其产生原因进行了分析讨论, 找出了影响凸轮轴最终性能和使用寿命的因素，并提出了对工艺的优化和改进措施。 主要技术要求: 1.对现有摩托车凸轮轴的加工制造工艺进行分析. 2.找出影响凸轮轴最终性能和使用寿命的因素. 3.对已有的工艺措施提出改进和优化建议. 毕业论文（设计）的基本要求 1开题报告一份。 2毕业设计（论）一份；有 400 字左右的中英文摘要，正文后有 10 篇以上的参考文献，参考文 献应在 10 篇以上，主要是期刊、杂志，少量是教材。正文中要引用 5 篇以上文献，并注明文献出处。 论文总字数在 6000 字以上。 3毕业设计中期检查表一份。 4毕业设计总字数在 10000 字以上。 5有不少于 2000 汉字的与本课题有关的外文翻译资料。 三、毕业论文（设计）进度安排 1.2008 年 12 月 22 日-2009 年 1 月 9 日，下达毕业设计任务书；寒假期间完成英文资料翻译和 开题报告。 2. 2009 年 2 月 16-2 月 27 日（第 1-2 周），指导教师审核开题报告、设计方案和英文资料翻译。 3. 2009 年 3 月 2 日-4 月 24 日（第 3-10 周），毕业设计单元部分设计。 4. 2009 年 4 月 26 日-5 月 1 日（第 10=11 周），毕业设计中期检查。 5. 2009 年 5 月 4 日-5 月 22 日（第 12-14 周），整理论文资料，撰写毕业论文。 6. 2009 年 5 月 25-5 月 28 日（第 15-16 周）上交毕业设计报告，指导教师、评阅教师审查评阅设 计报告，毕业设计答辩资格审查。毕业设计答辩，学生修改整理设计报告。 学生姓名吴慧超班级机教 043指导教师李达敏 论文（设计）题目摩托车凸轮轴生产制造工艺研究 3 河南科技学院本科毕业论文（设计）中期河南科技学院本科毕业论文（设计）中期进展情况检查表进展情况检查表 河南科技学院本科生毕业论文（设计）开题报告河南科技学院本科生毕业论文（设计）开题报告 1.从图书馆、网上查找相关的资料，阅读资料，了解摩托车凸轮轴的生产状况以及工 作条件,摩托车凸轮轴的失效缺陷等作出明确的概括,了解到摩托车凸轮轴的关键加工 要点,了解到凸轮轴总生成图:凸轮轴毛坯件-高频淬火-去应力回火-粗车凸轮- 粗磨凸轮-精磨凸轮-品质检验-磷酸镁处理-压装 传统的凸轮加工工艺流程为：粗车凸轮粗磨凸轮精磨凸轮. 2.对凸轮轴的材质有了初步了解,对冷激铸铁凸轮轴和可锻铸铁凸轮轴的优缺点. 3.对已有的摩托车凸轮轴生产制造工艺进行比较研究,对其中存在的问题在网上搜集 相关资料. 目 前 已 完 成 任 务 是否符合任务书要求进度：符合 1.在比较分析的基础上完善摩托车凸轮轴各种实验数据的汇总和分析。 2.在实验数据的基础上探究成因和解决的方法。 3.对凸轮轴的加工工艺作出改善和优化 尚 需 完 成 的 任 务能否按期完成论文（设计）：能 存 在 问 题 1.对现在摩托车凸轮轴的材料工艺和实验过程和数据还不了解。 2.凸轮轴材料的材质方面的资料不多，摩托车凸轮轴加工工艺过程掌握不 全面。 3.开始书写时内容,格式不规范，语句不符合论文要求 存 在 问 题 和 解 决 办 法 拟 采 取 的 办 法 1.查阅大量相关图书，深入了解现在摩托车凸轮轴的加工工艺以及各种实 验数据的汇总。 2.参考现有摩托车凸轮轴的加工工艺。 3.进一步学习研究国内外先进的摩托车凸轮轴的加工工艺。 4.与导师、同学共同探讨、协商、寻找可靠解决问题的途径。 指导教师 签 字 日期 年 月 日 教学院长 （系主任） 意 见 签字： 年 月 日 4 题目名称: 摩托车凸轮轴生产制造工艺研究 学生姓名吴慧超 专业机电技术教育 学号20040315032 指导教师姓名李达敏所学专业职称 完成期限 2008 年 12 月 22 日 至 2009 年 6 月 5 日 一、选题的目的意义 摩托车配气机构的主要零件-一凸轮轴是摩托车发动机最大的摩擦件;在发动机中运行速度较 高、接触应力大、润滑困难;特别是凸轮轴桃尖部位长期工作在高的接触疲劳应力下，极易产生 刮伤、撕裂、割落、及早期磨损失效;严重时几个小时，甚至更短的时间就损坏，造成发动机异 响，返修。凸轮轴的工作特点决定了它必须是具有一定的强度和刚度，一定韧性、良好的耐磨 性。同时，由于凸轮轴的结构特点，它还必须有好的机械加工性能.各大摩托车生产厂商的竞争 越来越激烈,对用户都提出了三包服务,而凸轮轴质量问题占市场品质问题索赔总金额的 24%. 为了提高产品信誉, 必须对发动机品质提出了更高的要求. 而凸轮轴质量问题已经越来越受 到重视,加强凸轮轴产品质量不仅能够在用户确立良好信誉,促进产品销售.而且能够在三包期 内减少产品事故,从而减少了索赔金额, 降低了市场三包索赔率.以为公司为公司创造巨大的经 济效益和社会效益. 5 二、国内外研究现状 根据网络资源以及相关资料调查，类似本课题的项目在国内外有一定的研究成 果。国外许多生产厂商已经对已有的凸轮轴生产工艺进行革新,并且效果显著,取得 了很大的经济效益和社会效益.如日本的本田公司.而国内的各大摩托车生产厂商 也已经做了很多的研究. 经对市场反馈回来的凸轮轴的失效原因分析，造成凸轮轴三包期内失效的原 因主要是来自凸轮轴生产制造过程中的各种缺陷，因而，对现行的凸轮轴生产工 艺进行优化和改进，是防止凸轮轴早期失效，降低市场三包费用的根本途径。摩托 车生产企业的工艺技术人员为了提高凸轮轴的使用寿命，对铸造、热处理、 以及机械加工工艺的改进和优化都做出了不懈的探索和努力，如由原来的凸轮轴 整体淬火工艺改进成凸轮的高频淬火工艺，大大增强了凸轮轴的冲击韧性和抗疲 劳强。但在凸轮的早期磨损方面，由于影响因素太多、影响过程复杂，因此凸轮轴 凸轮磨损引起发动机失效一直以来都是困扰摩托车发动机质量的一大难解之题.摩 托车凸轮轴已经成为影响发动机工作性能的核心部件，因此,研究与开发摩托车凸 轮轴生产制造工艺并对已有的工艺进行革新很有必要。 三、主要研究内容 4. 对现有摩托车凸轮轴的加工制造工艺进行分析. 5. 找出影响凸轮轴最终性能和使用寿命的因素. 6. 对已有的工艺措施提出控制重点和难点. 6 四、毕业论文（设计）的研究方法或技术路线 1.实际调查研究，在此基础上进探讨行分； 2.通过图书馆、网络查阅相关文献资料，了解国内外发展趋势； 3.与指导老师商讨以及与同组同学共同分析和探讨； 4.结合所学理论知识，进行分析、研究。 主要参考文献与资料 1王中宝.冷激铸铁凸轮轴的制造工艺J.摩托车术.2000 2陶令恒等编.铸造手册M.北京.机械工业出版社.1997.4 3上海市机械制造工艺研究所.金相分析技术M.上海科学技术文献出版社.1987.7 4大连工学院金属材料热处理编写小组编.金属学及热处理M.北京.科学出版社.1977.12 5孙盛玉.戴雅康著.热处理裂纹分析图谱J.大连.大连出版社.2002.4 6廖彪.凸轮轴凸轮的磨损与修复J.摩托车技术.1997.7（36） 7龙正秀.JH70.JH125 凸轮轴铸造工艺.重庆J.中国嘉陵工业股份有限公司(集团).1995.8 8李太明.凸轮轴感应加热热处理工艺.重庆J.中国嘉陵工业股份有限公司(集团).1996.8 9陈训培.凸轮轴高低温石墨化退火工艺J.重庆.中国嘉陵工业股份有限公司(集团).1998.10 10姜振雄.铸铁热处理M.北京.机械工业出版社.1978 重庆大学 11秦国友.定量金相J.成都.四川科学技术出版社.1987.9（253） 12高彩桥.摩擦金属学M.哈尔滨.哈尔滨工业大学出版社，1988.（16） 13潘立鹄.低合金冷激铸铁凸轮轴的生产技术J.中国制造装备与技术，2005（3） 14钱人一.凸轮轴制造工艺综述J.上海汽车.2005.3:2630 15张绍平.摩托车凸轮轴加工工艺要点分析.机械工人(冷加工).2003.5:1617 指导教师审批意见 签名： 年 月 日 7 摘摘 要要 本文通过大量质量缺陷分析、工艺分析并结合已有的工艺试验结果。 对摩 托车凸轮轴生产过程中各种缺陷及其产生原因进行了分析讨论，找出了影响凸 轮轴最终性能和使用寿命的因素，并提出了对工艺的重点和难点控制措施。 结果表明，在现行工艺下，影响凸轮轴最终性能及使用寿命的因素是凸轮轴 凸轮表面硬度及表面显微组织中残余共晶碳化物的数量。控制凸轮轴坯件化学 成分中硅含量是控制凸轮轴坯件高温石墨化退火后残余共晶碳化物数量的关键 因素，而采用调质热处理工艺代替凸轮轴低温退火，能有效避免凸轮轴高频淬火 后的硬度不足、过热、过烧等质量缺陷的产生。 关关键词键词：凸轮轴，质量缺陷，工艺重点及难点，调质 8 Motorcycle Camshaft Manufacturing Technology Abstract This study is according defect analysis of quality, technology analysis and the result of the craft test .analyzing and discussing about the reason which caused varies defect in the production of motors camshafts, found out the factor which affected the ultimate performance and life-span, and bring forward the methods for control point and crux of the technology. Result show, under present processing, the factors which affecting the ultimate performance and life-span are the surface hardness of cam and quantity of remaining eutectic carbide in surface microstructure .the key to control the quantity of remaining eutectic carbide after high-temperature graphitization annealing is control the silicon quantity in the chemical indegrient of blank .it can efficiently to avoid the lack of hardness ,overheat and oversinter after camshafts high-frequency quenching, with the.employing of quench and high-temperature temper instead camshafts low- temperature annealing. Keywords :Camshaft, The defect of quality ,The Craft point and crux , Temper 9 目目 录录 1 绪论.1 1.1 凸轮轴工作概况.2 1.2 凸轮轴生产制造工艺.2 1.3 几种摩托车凸轮轴生产工艺比较.3 1.4 工艺控制的背景及预期效果和意义.4 2 影响凸轮轴坯件成品率的主要缺陷及对凸轮轴坯件性能指标的影响.4 2.1 KTZ65002 可锻铸铁凸轮轴坯件现行生产工艺流程.4 2.2 凸轮轴毛坯主要缺陷.4 2.3 现行工艺条件下凸轮轴坯件的主要缺陷.7 2.4 坯件主要缺陷对凸轮轴坯件性能指标的影响.7 2.5.1 坯件缺陷对机械加工性能的影响.8 2.5.2 凸轮轴坯件缺陷对最终热处理性能的影响.9 3 凸轮轴成品主要缺陷.10 3.1 凸轮轴总成生产流程图.10 3.2 凸轮轴成品结构尺寸图.11 3.3 成品凸轮轴主要缺陷.11 3.3.1 宏观及性能指标缺陷。.11 3.3.2 显微组织缺陷.11 3.3.3 现行工艺条件下成品凸轮轴主要缺陷数学统计分析 .12 4 影响凸轮轴工作寿命的主要性能指标和缺陷分析.13 4.1 凸轮轴工作寿命评价指标.13 4.2 影响凸轮轴工作寿命的主要性能指标.13 10 4.2.1 凸轮表面硬度对凸轮轴工作寿命的影响.13 4.2.2 凸轮轴表面粗糙度对凸轮工作寿命的影响.13 4.2.3 凸轮轴凸轮表面显微组织对凸轮轴工作寿命的影响 .13 5 凸轮轴坯件生产工艺控制的重点和难点.15 5.1 铸造工艺控制要点.15 5.1.1 工艺控制要点.15 5.1.2 工艺控制重点和难点.15 5.2 凸轮轴坯件的热处理工艺.16 5.2.1 热处理工艺要点.17 5.2.2 热处理工艺控制重点和难点.17 6 凸轮轴成品生产工艺控制的重点和难点.18 6.1 凸轮轴高频淬火工艺.18 6.1.1 工艺要点.19 6.1.2 工艺重点及难点.19 6.2 凸轮轴精磨工艺.20 6.2.1 凸轮轴精磨工艺控制要点.20 6.2.2 凸轮轴精磨工艺控制的难点.20 7 结束语.20 致谢.21 参考文献.21 1 绪论绪论 1.1 凸凸轮轴轮轴工作概况工作概况 摩托车配气机构的主要零件之一凸轮轴是摩托车发动机最大的摩擦件；在发 11 动机中运行速度较高、接触应力大、润滑困难;特别是凸轮轴桃尖部位长期工作在 高的接触疲劳应力下，极易产生刮伤、撕裂、割落、及早期磨损失效。严重时几个 小时，甚至更短的时间就损坏，造成发动机异响、返修。凸轮轴的工作特点决定 了它必须是具有一定的强度和刚度，一定韧性、良好的耐磨性。同时，由于凸轮 轴的结构特点如图 1.1 所示，它还必须有好的机械加工性能。 图 1.1 凸轮轴结构图 1.2 凸凸轮轴轮轴生生产产制造工制造工艺艺 （1） 采用钢件制造摩托车凸轮轴 早期摩托车凸轮轴的生产采用了碳钢或 45 号钢经锻造、切削加工成型，然 后进行渗碳、淬火、回火处理或表面高频淬火处理，使桃尖部位的显微组织为针 状马氏体淬硬层，其淬硬层深度一般为 11.5m，硬度为 HRC55 63。这种工艺 过程较为复杂、工序较多、周期长而且生产成本高。 （2）采用冷激铸铁制造凸轮轴 采用低合金冷激铸铁制造摩托车凸轮轴是一种加工工序少、成本低廉的制 造工艺。它采用了在凸轮轴桃尖部位获得相当深度的白口组织来保证凸轮表面 的耐磨性和心部的韧性。一般白口层的硬度控制在 HRC45，有的企业为了进一 步强化其耐磨性，还对凸桃部位进行高频淬火处理。 （3） 采用灰铸铁制造凸轮轴 灰口铸铁以其良好的加工性和铸造性能被广泛应用于摩托车零部件生产。 用灰口铸铁生产摩托车凸轮轴具有工艺简单，成本低廉、耐磨性和减震性较好的 特点。其热处理一般采用淬火、回火或高频淬火处理来达到获得凸桃尖部耐磨性 的目的。 12 （4） 采用球墨铸铁制造摩托车凸轮轴 在铸铁中，当石墨呈球状时，石墨对金属基体连续性的破坏作用最小，同时 还能避免石墨呈片状时造成的应力集中.所以，采用球墨铸铁等温淬火工艺生产 摩托车凸轮轴，既能提供摩托车凸轮轴耐磨性所需的硬度，又能提供整体的强度 和塑韧性。 （5） 采用可锻铸铁制造摩托车凸轮轴 可锻铸铁是由一定成分的白口铸铁毛坯经石墨化退火而成。采用可锻铸铁 制造摩托车凸轮轴是当今国内外比较常用的生产制造工艺。可锻铸铁凸轮轴一 般需经过淬火、回火或高频淬火处理，才能获得应有的耐磨性和强度、韧性指标。 1.3 几种摩托几种摩托车车凸凸轮轴轮轴生生产产工工艺艺比比较较 由于凸轮轴的复杂结构，采用钢件生产制造摩托车凸轮轴工序多、工艺复杂、 成本高.特别是钢制凸轮轴为保证凸桃的耐磨性，凸桃表面显微组织是以针状马 氏体为基体组织，没有低硬度的组织形成的储存油凹谷。在摩托车凸轮轴高速转 动时，润滑条件恶劣，极易发生早期磨损。所以，采用钢件生产制造摩托车凸轮 轴的工艺在国内外己不多见。 相对钢而言，铸铁件本身具有良好的耐磨性、减振性，而且由于石墨的储油 和自润滑作用，铸铁被大量应用于发动机零部件的生产上。其工艺简单，加工性 能好，便于流水线生产。 在我国摩托车发展史上，采用灰口铸铁、冷激铸铁、球墨铸铁以及珠光体可 锻铸铁生产制造摩托车凸轮轴，都形成了比较成熟的工艺，其生产出的产品也各 有优缺点。 不可否认，单就耐磨性而言，采用冷激铸铁生产制造的摩托车凸轮轴具有相 当高的耐磨性，但由于其主要显微组织是白口组织和灰口组织，整体的强度和韧 性较差、脆性大，在长时间的弯曲疲劳应力的作用下，易发生疲劳断裂。从在市 场发现的凸轮轴恶性断裂失效来看，有相当部分属冷激铸铁件。所以，采用冷激 铸铁生产制造的凸轮轴只适应在低转速，小负荷的发动机中工作。 采用可锻铸铁和球墨铸铁生产制造摩托车凸轮轴是当今普遍流行的生产工 艺。可锻铸铁和球墨铸铁有着相近的机械性能指标，即较高的强度、韧性、塑性 指标，能够满足凸轮轴承受高的接触疲劳应力和弯曲疲劳应力的需要。根据统计 资料表明，作为中国摩托车生产基地的重庆，采用可锻铸铁和球墨铸铁生产摩托 车凸轮轴的占 98%以上。市场质量信息反馈也表明，采用可锻铸铁及球墨铸铁的 凸轮轴发生 A 类恶性质量事故的几乎未发现，而采用灰口铸铁和冷激铸铁生产 的凸轮轴发生 A 类恶性断裂事故的却时有发生。 13 1.4 工工艺艺控制的背景控制的背景及及预预期效果和意期效果和意义义 随着近年来国内摩托车企业的迅猛发展,各大摩托车生产厂商的竞争也日趋 激烈,而用户的要求也越来越高,对发动机的三包期也相应延长,因而对发动机品 质提出了更高的要求, ，据嘉陵公司不完全统计，仅 2000 年，州 125 车凸轮轴在 三包期内发生凸桃裂纹、异常磨损造成的索赔金额达 503400 元，2001 年 3 八 4 月份赔偿 590 件，金额 35388 元，占市场品质问题总金额的 24%，凸轮轴质量问 题己严重地影响了嘉陵车在用户中的质量信誉。经对市场反馈回来的凸轮轴的 失效原因分析，造成凸轮轴三包期内失效的原因主要是来自凸轮轴生产制造过 程中的各种缺陷，因而，对现行的凸轮轴生产工艺进行优化和改进，是防止凸轮 轴早期失效，降低市场三包费用的根本途径。凸轮轴失效的主要形式是凸轮早期 磨损，造成凸轮轴早期磨损的原因很多，它们主要是来自于凸轮轴生产制造的各 个环节各类质量缺陷，主要可分为铸造缺陷、热处理缺陷和机械加工缺陷三大类， 随着国内摩托车生产技术的不断发展，各个摩托车生产企业的工艺技术人员为 了提高凸轮轴的使用寿命，对铸造、热处理、以及机械加工工艺的改进和优化都 做出了不懈的探索和努力，如由原来的凸轮轴整体淬火工艺改进成凸轮的高频 淬火工艺，大大增强了凸轮轴的冲击韧性和抗疲劳强。但在凸轮的早期磨损方面， 由于影响因素太多、影响过程复杂，因凸轮轴凸轮磨损引起发动机失效一直以来 都是困扰摩托车发动机质量的一大难解之题。 凸轮轴生产工艺的优化和控制将立足于中国嘉陵工业股份有限公司现行凸 轮轴工艺及设备条件下开展的，通过大量的产品缺陷分析、工艺分析和工艺试验 数据，对影响凸轮轴生产、加工以及最终使用寿命的各种工艺因素进行分析、讨 论，研究出相应的工艺重点和难点并实施，从而形成一套更加合理的生产工艺。 通过控制摩托车凸轮轴制造工艺，能有效提升摩托车发动机的质量，相应解决长 期的发动机凸轮轴生产废品率高的难题，有效降低市场三包索赔金额，给企业带 来巨大的经济效益和社会效益。同时，通过对凸轮轴生产工艺技术的实践与分析 研究，能够使工艺人员加深对凸轮轴生产工艺的了解，提高对工艺的把握度，对 企业生产和技术有着深远的意义。 2 影响凸影响凸轮轴轮轴坯件成品率的主要缺陷及坯件成品率的主要缺陷及对对凸凸轮轴轮轴坯件性能指坯件性能指标标的影的影 响响 2.1 KTZ65002 可可锻铸铁锻铸铁凸凸轮轴轮轴坯件坯件现现行生行生产产工工艺艺流程流程 2.2 凸凸轮轴轮轴毛坯主要缺陷毛坯主要缺陷 凸轮轴坯件常见主要缺陷有宏观缺陷(包括宏观铸造缺陷和机械加工缺陷、 14 微观铸造缺陷和热处理缺陷)。 （1） 宏观缺陷 裂纹：凸轮轴坯件中的铸造裂纹分为冷裂纹和热裂纹，分别形成于高温和较 低温度，热裂纹断口呈氧化色，裂纹走向曲折而不规则，是沿晶界断裂所致;冷裂 纹是穿晶断裂，走向呈连续直线状，表面干净，具有金属光泽或有较轻的氧化色 阁。产生裂纹的原因主要是在铸造过程中，铸件凝固时收缩受阻造成的。 缩孔、缩松：缩孔、缩松均存在于凸轮轴热节处。缩孔呈有树枝状晶的不规则 棱角状孔洞，集中分布(如图 2.2)，而缩松呈分散状，由许多细小的缩孔组成(如 图 2.3)。产生缩孔、缩松的主要原因是在铸造时的补缩不足，而补缩不足则跟浇 冒口的设计、以及铁液的碳硅含量有关。 图 2.1 KTZ65002 可锻铸铁凸轮轴坯件现行生产工艺流程 15 图 2.2 缩孔 图 2.3 缩松 （2）微观缺陷 枝晶状石墨：对可锻铸铁来说，枝晶点状(如图 2.4)和枝晶片状石墨(如图 2.5) 都属于灰口缺陷，会造成铸件机械性能的严重降低。凸轮轴坯件的轴颈部位最容 易出现枝晶状石墨，在随后的机械加工过程中，极易发生破裂。造成该缺陷的主 要原因是铁液的化学成分配比不当，浇注时轴颈部位壁薄、过冷度较大而产生。 （3）热处理缺陷 （1）残余共晶莱氏体:可锻铸铁是通过白口铸铁石墨化退火而成，如果退火不 良，如保温时间不足，就会残余下部分共晶莱氏体组织，由于莱氏体是一个硬而 脆的相，它会给凸轮轴的机械加工以及成品的使用寿命带来不良的影响，因此， 残余共晶莱氏体量是凸轮轴毛坯件热处理质量的一个重要指标，一般不允许出 现。 （如图 2.6） （2）残余共晶碳化物:残余共晶碳化物实际上是凸轮轴白口生坯中莱氏体组 织发生分解不完全，其中的碳化物还呈较大块状或短棒状，它对凸轮轴成品的使 用寿命有不良的影响。其含量应小于 1%，凡含量超过者，均为不良品。 （3）点状石墨:点状石墨是凸轮轴坯件中存在的一种松散的絮状石墨，主要是 由于在高温石墨化退火时，温度过高而造成的石墨形态不良。 （4）脱碳:脱碳对于凸轮轴坯件来说，是一种较为常见的缺陷(如图 2.7)，由于 在高温下长时间的石墨化退火，凸轮轴表面的碳容易被烧损而出现脱碳，一般凸 轮轴根据机械加工余量，允许小于 0.1 mm 深度的脱碳层，大于该深度即为废品。 （5）珠光体量不足：为了保证凸轮轴在最终的淬火热处理时能得到足够的硬 度，凸轮轴坯件必须具备较高的珠光体含量，通常我公司将该指标控制在 95%以 上。产生珠光体量不足的原因，与低温石墨化退火时间较长有关。珠光体粒状与 片状比例不良:珠光体粒状与片状比例的要求，是凸轮轴毛坯特有的技术要求，主 16 要是为了调节凸轮轴坯件的硬度，既要有较好的机加工性能，又有较好的淬火性 能。 图 2.4 枝晶点状石墨 图 2.5 枝晶片状石墨 图 2.6 残余共晶莱氏体 图 2.7 脱碳 2.3 现现行工行工艺艺条件下凸条件下凸轮轴轮轴坯件的主要缺陷坯件的主要缺陷 为了找出现行生产工艺的主要问题所在, 就必须掌握现行工艺条件下，凸轮 轴坯件各种缺陷发生的频次，分布情况。根据有关资料统计表明,凸轮轴坯件各种 缺陷的发生频率中, 珠光体粒状与片状比例不良、残余共晶碳化物、二次网状碳 化物、枝晶状石墨、化学成分的影响这五个方面的影响最为严重。 2.4 坯件主要缺陷坯件主要缺陷对对凸凸轮轴轮轴坯件性能指坯件性能指标标的影响的影响 凸轮轴坯件性能指标主要是指机械加工性能和热处理性能。 凸轮轴坯件在铸造成型后还必须经过粗加工、粗磨凸轮等机械加工工序，部 分车型的(如 JH70)凸轮轴坯件还需加工深孔，在大规模生产的条件下，对凸轮轴 坯件的机械加工性能的要求较高。凸轮的机械加工主要是切削和磨削，加工困难 主要体现在切削加工过程，由于切削加工性能和材料的基体硬度有紧密的关系 17 随着基体硬度的提高，材料的切削性能呈下降趋势，反之，则呈上升趋势。 凸轮轴坯件在经机械加工后，最终进行高频淬火热处理以使凸轮部位获得 所需要的表面硬度，所以，凸轮轴坯件缺陷对热处理的影响，实际上就是对凸轮 轴高频淬火工艺的影响，而对凸轮轴高频淬火产生影响的坯件缺陷主要是组织 缺陷。 2.5.1 坯件缺陷坯件缺陷对对机械加工性能的影响机械加工性能的影响 （1）珠光体粒状与片状比例不良的影响 珠光体组织在凸轮轴坯件中是最主要的基体组织，其形态可分为粒状珠光 体和片状珠光体;粒状珠光体的硬度低于片状珠光体，因此，切削性能比片状珠光 体好;而片状珠光体比粒状珠光体有更好的高频淬火性能。为了兼顾淬火性能和 机械加工性能，我公司对珠光体形态及数量做出了要求，即 40%一 60%片状，60%一 40%粒状，当片状超过比例时，会造成硬度偏高，加工困难，特别是钻深孔，钻头 的使用寿命大幅度降低。 （2）残余共晶碳化物的影响 残余共晶碳化物在凸轮轴坯件组织中属微量组成相，虽然其本身硬度很高， 但对整体硬度的提高不大，它对切削加工性能的影响不完全是通过硬度来实现 的。在残余共晶碳化物量超过 3%，切削加工性能的大幅度降低，其影响甚至超过 硬度对加工性能的影响。 （3）二次网状碳化物 二次网状渗碳体对凸轮轴机械加工性能的影响也是通过对基体硬度的影响 来实现的，由于渗碳体呈网状分布，使凸轮表面硬度值有较大幅度的提高，增加 了切削加工和磨削加工的难度，加快了刀具的磨损报废。 （4）枝晶状石墨 枝晶状石墨的存在使基体的塑韧性、强度、硬度值都大幅度的下降，它的存 在有利于切削加工，但由于它的出现使凸轮轴坯件及成品的机械性能恶化，并且， 在加工过程中凸轮轴颈部容易发生批量破裂而产生报废，所以，枝晶石墨整体对 机械加工的影响是负面的。 （5）化学成分的影响 化学成分缺陷是现行工艺条件下主要的坯件缺陷之一，它对机械加工性能 的影响是一个比较复杂而综合的过程，它主要是通过对铸造、对热处理、对金相 组织的影响来间接影响凸轮坯件的硬度，从而影响机械加工性能。由于可锻铸铁 的是有白口生坯经石墨化退火而成，石墨化的程度是直接影响凸轮游离渗碳体 量的因素，石墨化越彻底，即是说渗碳体分解越彻底，石墨化程度越不完全，残 余渗碳体的量就越多。 18 因此，我们可以认为化学成分中各种元素对凸轮机械加工性能的影响按照 对石墨形成的作用分为两类，即有促进石墨化作用的元素，能促进共晶渗碳体的 分解，减少残余渗碳体量的作用，提高凸轮轴的机械加工性能；有阻碍石墨化作 用的元素，有可能使石墨化退火后残余渗碳体量较多，不利于凸轮轴坯件的机械 加工性能。特别是石墨中最主要的元素 Si 对凸轮轴固体石墨化过程具有较大的 影响，随着硅含量的增高，共晶碳化物的分解过程加快，分解更彻底，机械加工 性能越好，随着硅含量的降低，共晶碳化物的分解愈困难，机械加工性能也随之 降低。 （6）珠光体量不足 珠光体量不足是指凸轮轴坯件珠光体量达不到规定的 95%的含量，表现在 基体硬度上会使硬度值达不到规定值或偏下限，有利于机械加工。 （7）其它缺陷的影响 由于凸轮轴坯件的其它缺陷影响非常小，可以认为凸轮轴坯件的其它缺陷 对凸轮轴坯件的机械加工没有比较明显的影响。 2.5.2 凸凸轮轴轮轴坯件缺陷坯件缺陷对对最最终热处终热处理性能的影响理性能的影响 （1）珠光体粒状与片状比例不良的影响 珠光体粒状与片状比例不良是凸轮轴坯件最主要缺陷。作为珠光体可锻铸 铁材料的凸轮轴坯件，为了便于大批量加工生产，需要具有良好的加工性能，因 此，希望获得以粒状珠光体为主要成分的具有良好机械加工性能的基体组织;但 由于高频淬火的工艺特殊性，即加热、保温时间极短，以粒状珠光体为主的基体 组织在高频淬火时往往无法获得应有的表面硬度和硬化层深度，所以，对珠光体 组织中片状与粒状比例的规定是在加工和淬火特定工艺条件下的坯件缺陷。 （2）残余共晶碳化物和二次网状碳化物的影响 残余共晶碳化物和二次网状碳化物都是凸轮轴坯件常见的组织缺陷，二者 在形态上虽有所不同，但对凸轮轴高频淬火的影响是一致的。即由于淬火加热速 度快，时间短，来不及溶入奥氏体中，在淬火后能基本保持淬火前的形态，而且 在碳化物的周围，有时会使奥氏体中的碳过饱和而在淬火后产生较多的残余奥 氏体，从而使硬度及耐磨性降低;除此之外，网状二次碳化物会增大高频淬火裂纹 形成的敏感性，容易引起淬火裂纹。 （3）珠光体量不足 珠光体量不足对高频淬火的影响主要体现在奥氏体化不能完全实现，这是 因为珠光体量不足必然导致铁素体量的增多，延缓奥氏体化的速度，使在正常工 艺下淬火无法完全得到马氏体组织。 （4）化学成分的影响 19 化学成分缺陷对凸轮轴高频淬火的影响是通过化学成分缺陷引起的组织变 化来实现的，如促进石墨形成元素会使残余共晶分解更彻底，使高频淬火时奥氏 体均匀化时间缩短，有利于高频淬火。而阻碍石墨形成元素会使残余共晶碳化物 的分解不彻底，造成高频淬火时奥氏体均匀化困难，或淬火后残余奥氏体量增多。 （5）石墨缺陷的影响 石墨缺陷本身对高频淬火没有大的影响，但象枝晶石墨、聚虫状石墨的大量 存在，会引起坯件石墨周围贫碳而出现较多铁素体组织，不利于高频淬火。裂纹 的影响是由于在粗磨时，坯件裂纹没有得到完全消除，在进行高频淬火时裂纹会 在热应力和组织应力的作用下进一步发生扩展，使零件在高频淬火后报废。 小小结结： ： （1）在凸轮轴机械加工过程中，对加工性能起决定性作用的因素是珠光体组 织和渗碳体组织的形态和分布;其中，作为基体主要组成相的珠光体组织粒状和 片状比例是主要影响因素，它直接通过对基体硬度的影响来影响凸轮轴坯件的 机械加工性能，当片状珠光体量超过 60%，凸轮轴的机械加工性能变差。 （2）现行工艺中影响凸轮轴坯件热处理性能的最主要因素是基体中珠光体组 织粒状与片状比例，当片状珠光体量不足 40%时，将不能保证高频淬火后凸轮表 面的硬度和组织要求。 （3）现行工艺中其它一些坯件缺陷对凸轮轴机械加工性能和热处理性能的影 响是轻微的和间接的。 3 凸凸轮轴轮轴成品主要缺陷成品主要缺陷 现行凸轮轴总成生产工艺凸轮轴坯件在钻深孔和粗磨凸轮后，还必须经过 热处理成成品。 3.1 凸凸轮轴总轮轴总成生成生产产流程流程图图 凸轮轴总成生产流程如图 3.1 所示： 凸轮轴 毛坯件 高频淬火去应力回火 品质检验磷酸镁处理压装 精磨 20 图 3.1 凸轮轴总成生产流程图 3.2 凸凸轮轴轮轴成品成品结结构尺寸构尺寸图图 图 3.2 凸轮轴成品结构尺寸图 3.3 成品凸成品凸轮轴轮轴主要缺陷主要缺陷 成品凸轮轴主要缺陷可分为宏观及性能指标缺陷和显微组织缺陷。其中，两 类缺陷互为因果，但受生产工艺的影响又有各自的特点。 3.3.1 宏宏观观及性能指及性能指标标缺陷。缺陷。 （1）性能指标缺陷 凸轮轴性能指标缺陷主要是指硬度不足和淬硬层深度不良，不能提供凸轮 轴工作所需要的耐磨性能。通常，引起凸轮轴硬度不足和淬硬层深度不良的原因 很多，但总的来说可分为工艺因素和坯件自身的缺陷因素。由于高频淬火的时间 很短，如果高频淬火工艺参数选择不当，坯件原始组织状态不良都可能引起高频 淬火后的硬度不足和淬硬层深度不良。 （2）宏观缺陷 宏观缺陷主要是指在精磨后发现的磨削裂纹，其产生原因分为两类，一类是 淬火后回火不足或有组织缺陷，精磨时发生开裂形成;另一类是磨削工艺不当，产 生的热应力超过材料所能承受的强度而发生开裂。 3.3.2 显显微微组织组织缺陷缺陷 （1）非马氏体组织 21 表现为应淬火区域有大量非马氏体组织，主要原因是高频淬火工艺参数选 择不良或坯件原始组织不良，致使采用正常的淬火工艺无法得到所需的马氏体 组织。非马氏体组织带来的后果是零件的硬度达不到技术要求，无法提供工作所 需的耐磨性。 （2）过热 过热是由于高频淬火时温度过高或加热时间过长所致，其组织表现为马氏 体针异常粗大，并出现大量残余奥氏体。因为感应淬火的尖角效应，它最容易发 生在凸轮轴的桃尖部位，它的发生，使凸桃尖部的硬度大幅度降低而达不到应有 的耐磨性。 （如图 3.3 所示） （3）过烧 过烧产生的原因与过热一样，只不过比过热更为严重，除了马氏体针极其粗 大外，局部区域还有基体熔融现象和莱氏体组织出现。过烧也容易发生在凸桃尖 部，使凸桃尖部的硬度达不到技术要求，无法提供要求的性能。 （如图 3.4 所示） 图 3.3 过热组织 图 3.4 过烧组织 3.3.3 现现行工行工艺艺条件下成品凸条件下成品凸轮轴轮轴主要缺陷数学主要缺陷数学统计统计分析分析 现以嘉陵公司凸轮轴生产单位一公司发动机二分厂自 2001 年 12 月到 2002 年 6 月发现的有缺陷的凸轮轴成品为样本空间进行统计，总计 47 件，其各 类缺陷的数量分布如表 3.1 所示 表 3.1 成品凸轮轴质量缺陷数量分布表 缺陷名称出现频次累计出现频次比率累计比率 硬度不足18183636 过热 15333066 裂纹10432086 淬硬层深度不良447894 22 非马氏体组织249498 过烧 1502100 从上表可看出，前三项缺陷的出现数量分布占了所有缺陷数量的 86%，而位 于第四、二、五、六位的非马氏体组织、过热、过烧、淬硬层深度不良四种缺陷在 凸轮轴宏观性能上的表现也是硬度不足。所以，可以认为，现行工艺条件下，硬 度不足和磨削裂纹是凸轮轴成品最主要的质量缺陷。 4 影响凸影响凸轮轴轮轴工作寿命的主要性能指工作寿命的主要性能指标标和缺陷分析和缺陷分析 4.1 凸凸轮轴轮轴工作寿命工作寿命评评价指价指标标 凸轮轴的工作寿命是以摩托车发动机凸轮轴的升程曲线作为评价指标，按 凸轮轴寿命试验规范，在进行摩托车发动机 200 小时台架试验或 7000 公里道路 试验内，凸轮轴升程曲线应能够满足发动机配气的基本升程要求。在正常工作状 态下，凸轮轴的凸轮的最大直径即桃尖部位是整个升程曲线中最容易受到破坏 的地方，因此，我们也可以用凸轮的高度值来作为凸轮轴工作寿命的评价指标。 4.2 影响凸影响凸轮轴轮轴工作寿命的主要性能指工作寿命的主要性能指标标 4.2.1 凸凸轮轮表面硬度表面硬度对对凸凸轮轴轮轴工作寿命的影响工作寿命的影响 在正常工况下，凸轮为铸铁件，摇臂为钢件镀硬铬。凸轮表面与摇臂表面在 正常情况下主要是发生粘着磨损。粘着磨损在材料方面起决定作用的是粘着磨 损系数、磨损常数与材料的硬度，在确定的摩擦付中，磨损系数和常数一定的情 况下，硬度是决定材料耐磨损性能的关键因素。随着材料硬度值的提高，材料的 耐粘着磨损性能越好。 通过已知的大量实验结果表明，凸轮的粘着磨损过程