凸輪軸是汽車發動機的五大件之一，凸輪軸的桃形磨削加工是凸輪軸機加工的關鍵工序。隨著磨削技術的發展和對凸輪軸的質量、產量的要求的提高，凸輪軸桃形磨削技術也不斷改進。

　凸輪軸桃形的功用及加工要求

　凸輪軸是發動機配氣機構的關鍵零件。發動機的連續運轉正是通過凸輪軸桃形對氣門的順序啟閉、氣門開度的規律控制，使發動機的進氣、壓縮、做功、排氣四個沖程周而復始、定時順序地循序完成的。進氣和排氣沖程凸輪軸的桃尖推動挺桿頂開氣門，進入新鮮空氣、排出廢氣。壓縮、做功沖程則關閉氣門。凸輪軸的桃形(見圖1)通過對氣門的啟閉時序和開度的控制，控制發動機的運轉，對發動機的性能有很大影響。

　　普通的汽車發動機，凸輪軸桃形對氣門的啟閉作用是在高速運轉中進行的。凸輪軸桃形和氣門挺桿之間呈滑動摩擦狀態。桃形輪廓的設計質量、加工精度、表面質量、材料對發動機配氣機構的動力性能、凸輪軸-挺桿的接觸應力、油膜潤滑特性影響極大，并進而影響到發動機的動力性、經濟性、可靠性、壽命，以及排放、振動、噪音等。質量差的桃形輪廓其曲線不連續，或者加工出的廓形不符合設計要求，表面粗糙、有波紋、燒傷等，在工作中易引起沖擊、跳動、潤滑特性惡化、易磨損、激勵噪音、振動等問題，影響發動機的性能、壽命，增加油耗、排放等。

　　所以，根據凸輪軸桃形的功用和工作特點，凸輪桃形除了要有合理的廓形設計、材料耐磨性、一定的剛度外，廓形的加工精度和表面質量也是至關重要的。加工精度很差的廓形設計得再好也是沒有意義的。粗糙度很差，表面有燒傷、波紋，對桃形的正常工作和壽命都會有不利影響。

　　傳統的凸輪軸桃形磨削工藝

　　傳統的凸輪軸磨削采用機械靠模仿型磨削法。設計人員按凸輪輪廓計算出凸輪上每一點的升程值，工藝人員根據此升程值設計、制作標準凸輪，然后利用標準凸輪在凸輪軸磨床上以反靠法磨制一套靠模樣板。磨削時靠模樣板緊靠在一個滾輪上，通過搖擺架使被加工凸輪和靠模樣板同步擺動、同軸旋轉，由此磨出與樣板升程形狀相一致的凸輪輪廓（見圖2）。

　　這種結構的凸輪軸磨床存在的主要問題是：

　　⒈ 生產準備周期長、制造柔性差。
　　⒉ 磨削凸輪輪廓精度難以保證，產生誤差的因素多。
　　⒊ 容易產生升程誤差，大大地縮短了砂輪的使用壽命，零件精度也難以提高。
　　⒋ 砂輪線速度低，修整工具和工藝落后，機床生產效率低。

　　新型的凸輪軸桃形磨削工藝

　　筆者所在工廠采用德國JUNKER公司的CNC凸輪軸磨床（見圖3）進行凸輪軸桃形的無靠模數控磨削。其工作原理如下：整個凸輪輪廓(包括基圓、側圓和凸尖)由砂輪架(X軸)的運動和工件主軸(C軸)的旋轉運動同步協調動作而成。砂輪在特定的進給角范圍內沿基圓做連續徑向進給：當凸輪軸旋轉時，砂輪架提供進給運動，也按凸輪輪廓移動（見圖4）。由于金屬切削量化較大，必須按凸輪輪廓控制凸輪軸的角速度，在基圓和側面處的金屬切削率大體保持常數。

　　該種磨削方式由于取消了靠模，實現了自動修整砂輪、自動補償、恒線速磨削、自動軸向定位、砂輪自動動平衡等技術，使得凸輪軸桃形的磨削精度大大提高。目前筆者所在工廠的凸輪軸桃形的加工精度為：輪廓總升程誤差0.01mm；相鄰每度升程誤差0.0025mm；相位誤差（從凸輪到凸輪）小于0.25°；基圓誤差±0.01mm；表面粗糙度Ra0.5-0.4。

  CNC凸輪軸磨床的主要技術特征

　德國JUNKER公司的CNC凸輪軸數控磨床具有以下技術特征：

　⒈ 高剛度、高強度、整體鑄造重載床身，有高的抗震性能。

　⒉ 砂輪頭架導軌：采用交流變頻伺服電機、精密無間隙滾珠絲桿驅動、靜壓過約束導軌，并配有全閉環電子測量反饋裝置，以確保砂輪定位精度。

　⒊ 砂輪頭：配備特種靜壓主軸磨頭，砂輪頭架與機床統一設計，采用無摩擦、無磨損靜壓軸承，保持砂輪同心度長期使用不變。

　⒋ 工作臺：采用交流變頻伺服電機、高精度無間隙精密滾珠絲桿驅動，并配有閉環電控裝置，以確保工作臺精確地軸向定位。

　⒌ 工作臺導軌及其潤滑：機床工作臺導軌配有自動噴潤滑油油嘴，潤滑油通過油泵、過濾器后注入軌面。

　⒍ 主軸頭（驅動工件的床頭箱）：高精度活動主軸，由一同軸驅動的變頻伺服電機驅動，并配有角度測量裝置。工作轉速可以選用電機工作轉速范圍內任一恒定轉速，或采用恒定切削量，優化變轉速，不僅可以實現在工件每轉凸輪形面上每一磨削點磨削量恒定，還可以防止磨削裂紋和燒傷，保證凸輪表面的磨削質量。

　⒎ 砂輪配有自動動平衡裝置，砂輪轉速從30m/s到80m/s可無級調速，并可以實現任一轉速的恒線速磨削。

　⒏ 采用西門子840控制系統，具有人機對話界面，可手動進行切削參數的設定和加工尺寸的調整。該系統可計算出并連續控制不斷磨損的砂輪，磨削出凸輪型線；并對凸輪輪廓在磨削過程中實現自動插補，能在生產過程中保證砂輪型線的統一性。該系統同時控制工件頭架主軸的無級變速、砂輪的恒線速，使砂輪架按凸輪型線的升程和降程數值進行橫向往復運動，形成凸輪輪廓，提高了凸輪的制造精度，并有利于多品種的生產。

　⒐ 采用CNC砂輪修整器，通過CNC控制金剛石修整器修整砂輪，提高了砂輪的修整精度和壽命。

　⒑ 自動進給補償：在磨削過程中，機床可實現自動補償砂輪直徑的磨損值（因修整砂輪使其直徑減少），補償方法可以編程實現。

　⒒ 靜壓潤滑及液壓站：與機床主體隔離，配有靜壓動力系統，為靜壓導軌、靜壓砂輪主軸供油。該系統由供油泵、濾芯、降溫器組成，以保持該供油系統有一穩定的油溫，并以滿足清潔度要求的油供給。

　⒓ 冷卻液系統：配有恒溫器及過濾系統，機泵系統，以確保足夠的冷卻液供給磨削的砂輪、修整器噴嘴、機床沖洗系統。

　⒔ 電器柜：CNC控制系統的電器柜，裝有空調，以保證CNC控制系統安全可靠地工作。

　凸輪軸磨削加工中的常見問題

　凸輪軸桃形有很高的尺寸精度要求和表面質量要求。高的加工要求提高了加工的難度，也相應地易產生一些質量問題。凸輪軸桃形磨削加工中的常見問題有：

　⒈ 波紋

　波紋主要表現為：⑴ 整個桃形(包括基圓、兩側、桃尖)產生波紋；⑵ 在桃形的兩側、桃尖產生波紋；⑶ 在個別位置產生少量波紋。

　第⑴種情況一般是砂輪平衡、砂輪在線平衡系統、機床剛度(特別是主軸剛度)等原因引起。引起第⑵種情況的原因：工件的恒轉速磨削中，在輪廓的兩側及桃尖處磨削量會發生較大變化，引起磨削力發生變化，因而易產生波紋。變轉速磨削中，轉速變化設置不當，以及主軸剛度下降時，也有可能在兩側及桃尖產生波紋。

　⒉ 表面燒傷

　表面燒傷的原因主要包括：⑴ 磨削用量；⑵ 磨削余量；⑶ 磨削液及冷卻方式；⑷ 砂輪修整；⑸ 砂輪質量。

　在工件恒轉速磨削中，桃形兩側磨削的磨除率會大大增加，因而易產生燒傷。

　⒊ 粗糙度超差

　粗糙度超差的原因主要包括：⑴ 磨削用量；⑵ 磨削余量；⑶ 磨削液及冷卻方式；⑷ 砂輪修整；⑸ 砂輪質量。

　CBN砂輪的使用

　筆者所在工廠的凸輪軸桃形磨削采用的是CBN砂輪。CBN砂輪雖然價格很高，但因耐用度高、壽命長、磨削效率高、更換砂輪的輔助時間少、修整工具損耗減小等因素，分攤到每件產品的費用反而低于普通砂輪，即經濟性更優。通過統計可以看出：CBN砂輪較普通砂輪有明顯優勢，CBN磨具可以降低成本40%。而且，隨著技術的日益成熟，它還有提高的潛力。

　　總結和展望

　　汽車生產企業只有以用最低的成本生產出高質量的產品為目標，才能在競爭中求得生存。凸輪軸作為汽車發動機的重要零件，在發動機制造技術中占有重要地位，是影響發動機性能的重要零件。其凸輪桃形的磨削加工技術是汽車零件制造技術中最具挑戰性的工藝環節之一，也是影響凸輪軸生產率和經濟性的關鍵環節。