CN102000824A

CN102000824A - 一种发动机凸轮轴凸轮的制造方法

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Publication number: CN102000824A
Application number: CN2009101023866A
Authority: CN
Inventors: 曹红斌; 包崇玺; 朱承旭
Original assignee: NBTM New Materials Group Co Ltd
Current assignee: NBTM New Materials Group Co Ltd
Priority date: 2009-09-02
Filing date: 2009-09-02
Publication date: 2011-04-06

Abstract

一种发动机凸轮轴凸轮的制造方法，其特征在于依次包括如下步骤：①准备好原料，即铁、铬、钼、镍、碳及铜的混合粉，然后加入质量比0.1～1％的润滑剂；②将上述混合粉在压力大于600MPa的压机上压制成密度大于7.3g/cm³的凸轮零件；③烧结，将该凸轮零件在温度1100℃～1350℃下进行烧结，烧结的时间为10～30分钟以上，烧结在真空烧结炉或连续式烧结炉中进行；④热处理，根据烧结零件的化学成分要求，确定热处理工艺，热处理淬火温度为800～1000℃，保温30～45分钟，或采用高频热处理，回火温度为150～400℃，保温110～130分钟。本制造方法工艺简单，产品精度高、强度大、表面光滑度好，并且降低了生产成本，提高了生产效率。

Description

一种发动机凸轮轴凸轮的制造方法

技术领域

本发明涉及一种发动机凸轮轴凸轮的制造方法。

背景技术

凸轮作为发动机的重要部件，负责发动机各缸进、排气门的定时开启与关闭。凸轮轴是靠凸轮顶动气缸的进排气门来实现气门的开关。

凸轮的侧面呈鸡蛋形。其设计的目的在于保证汽缸充分的进气和排气，具体来说就是在尽可能短的时间内完成气门的开、关动作。另外考虑到发动机的耐久性和运转的平顺性，气门也不能因开关动作中的加减速过程产生过多过大的冲击，否则就会造成气门的严重磨损、噪声增加或是其他严重后果。因此，凸轮和发动机的功率、扭矩输出以及运转的平稳性有很直接的关系。

配气机构对凸轮轴各个部位的性能要求有很大不同：凸轮要求耐磨损、耐胶着、耐点蚀；轴颈要求滑动性能好；芯轴要求刚性、弯曲、扭转性能好。(1)传统凸轮轴很难同时满足上述要求，材料利用也不尽合理。(2)传统整体式铸造或锻造生产模式很难制造出凸轮密布排列的紧凑结构。(3)传统方法制造凸轮轴需大量的机械加工工序，耗费大量的机械加工工时，机床、刀具、夹具、操作人员和作业面积方面较难有新突破。(4)传统加工需对凸轮表面进行耐磨性强化处理(如铸造凸轮轴的激冷、淬火或重熔，锻造凸轮轴的表面渗碳淬火等)，是对整体凸轮轴进行的，并伴有变形，多数是用人工校直，费时费力不易保证精度。(5)凸轮型面的机械加工较难进行，也是影响加工质量的重要因素。传统方法制造凸轮轴，不仅使大量材料变成废屑，而且生产效率低、材料消耗与能源消耗大，自动化水平较低，在降低零件重量方面也难有作为。传统凸轮及凸轮轴采用整体铸造方法生产，但由于机械加工量大，加工效率低，成本较高，现在很少采用整体铸造法的凸轮轴。

装配式凸轮轴是近20年来开发的新型内燃机零件，它与铸造或锻造整体式的凸轮轴相比，具有质量轻、加工成本低、材料利用合理等优点；可将凸轮宽度减小，并排列紧凑，可以降低汽车的成本、减轻发动机重量、提高发动机性能。目前，世界上许多汽车制造厂家越来越多地生产装配式凸轮轴并用于高性能发动机。

精密锻造凸轮与钢轴进行组合是装配式凸轮轴亦称组合式轮轴，是将凸轮轴分解成凸轮、芯轴、轴颈等可装配件，分别进行材料优化及精益加工后，再组装成凸轮轴的新型组合设计与现代制造模式。装配式凸轮轴采用芯轴和凸轮分体制造后连接成一体，其连接方式主要为焊接式、烧结式、机械式。

烧结式凸轮轴在进行粉末烧结成凸轮的同时，凸轮又要在液相状态下与钢管扩散连接，因此此过程必须在1120℃以上烧结炉内进行。在高温下凸轮轴容易产生弯曲，易造成尺寸精度误差；烧结时对材料的性能也有限制，且需大型烧结炉，热效率不高。

焊接和机械连接方式使用的凸轮一般使用锻造工艺生产。锻造凸轮，在尺寸精度、表面粗糙度、生产效率以及成本方面存在问题。普通模煅把加热后的毛坯进行多道制坯辊煅，又在压力机上进行预煅及终煅，然后再进行切边、大、小头冲孔、热校正及冷精压等多道工序。因此锻造效率较低。锻造过程由于在高温下进行，模具易产生龟裂，很容易失效，锻造零件表面存在的粗糙度和精度较差，同时高性能高精度锻件的生产成本高居不下，所以其制造方法还有待于改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述技术现状而提供一种精度高、强度大、工艺简单、低成本的发动机凸轮轴凸轮的制造方法，解决精密锻造凸轮尺寸精度、生产效率、模具寿命以及成本问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种发动机凸轮轴凸轮的制造方法，其特征在于依次包括如下步骤：

1、准备好原料，将铁、铬、钼、镍、碳及铜按质量百分比混合成混合粉，配比为：

铁 84.5～99.8％

碳 0.1～1.0％

铬 0～5.0％

钼 0～3.0％

镍 0～4.0％

铜 0～3.0％

其中，铬、钼、铜、镍可以以铁合金或母合金形式加入，碳以石墨形式加入，然后加入质量百分比含量为0.1～1％的润滑剂；

2、将上述混合粉在压机上压制成密度大于7.3g/cm³的凸轮零件，压制压力大于600MPa；

3、烧结，将该凸轮零件在温度1100℃～1350℃中进行烧结，烧结的时间为10～120分钟，烧结在真空烧结炉中进行或者是氮气为基础、氢气的比例在1～75vol％的烧结炉中进行；

4、热处理，根据烧结零件的化学成分要求，确定热处理工艺，热处理淬火温度为800～1000℃，保温30～45分钟，回火温度为150～400℃，保温110～130分钟；

对于烧结后碳含量大于0.4％的凸轮可以采用高频热处理，热处理的硬化层深度0.2～5mm，回火温度为150～400℃，保温110～130分钟。

作为改进，所述步骤1中的润滑剂优选为蜡。

作为改进，所述步骤1中的润滑剂及石墨等可以采用粘接处理方式加入。

作为改进，所述步骤2中所述的压制可以采用温压成形或模具加热成形以降低压制压力。

作为改进，所述步骤2中所述的压制可以采用模壁润滑方式降低润滑剂的含量。

作为改进，所述步骤4热处理后，还可增加步骤5，即将热处理后零件进行喷丸处理，以进一步提高产品的疲劳强度和表面密度。

作为改进，所述步骤5后，还可增加步骤6进行研磨端面，即根据产品高度、平面度以及平行度的要求进行研磨。

作为改进，所述步骤6后，还可增加步骤7进行研磨凸轮表面，即根据凸轮最终装配尺寸要求进行研磨。

与现有技术相比，本发明的优点在于：制作工艺简单，具有精度高、表面光洁度好，有效地消除了锻造过程中由于在高温下进行而使模具易产生龟裂的难题，从而降低了生产成本，提高了生产效率。

附图说明

图1为凸轮结构示意图；

图2为凸轮结构剖视图。

具体实施方式

以下结合附图、实施例对本发明作进一步详细描述，以下的百分比均为质量百分比。

实施例一：

①准备好原料，即铁合金和碳的混合粉，其配比为：铁合金(铬为1.5％，钼为0.2％，铁为98.3％)为99.45％，碳为0.25％，然后加入含量为0.3％的有机硅烷类蜡润滑剂；

②将上述混合粉在压力大于600Mpa的压机上压制成密度大于7.45g/cm³的凸轮零件；压制可以采用温压成形、模具加热成形；

③烧结，将该凸轮零件在温度1250℃中进行烧结，烧结的时间为20分钟，烧结在真空烧结炉中进行或者是以氮气为基础、氢气的比例在10vol％的烧结炉中进行；

④热处理，根据烧结零件的化学成分要求，确定热处理工艺，热处理碳势为0.8％，淬火温度为840℃，保温30分钟，回火温度为200℃，保温130分钟。

热处理后成品硬度为HRC50～55，抗拉强度大于1300MPa，屈服强度大于1000MPa，冲击强度大于40J，延伸率大于1.5％。

凸轮结构见图1、2，其中黑色区域为高频硬化层。

实施例二：

①准备好原料，即铁合金和碳的混合粉，其配比为：铁合金(铬为1.5％，钼为0.2％，铁为98.3％)为99.1％，碳为0.60％，然后加入含量为0.3％的有机硅烷类蜡润滑剂；

②将上述混合粉在压力大于600Mpa的压机上压制成密度大于7.40g/cm³的凸轮零件；压制可以采用温压成形、模具加热成形。

③烧结，将该凸轮零件在温度1250℃中进行烧结，烧结的时间为30分钟，烧结在真空烧结炉中进行或者是氮气为基础、氢气的比例在10vol％的烧结炉中进行；

④热处理，采用高频热处理，热处理硬化层深度在凸轮尖端和过渡部位2.5mm，其他部位1.8mm，硬度HV1大于520，回火温度为200℃，保温130分钟。

热处理后成品硬度为HRC45～55，抗拉强度大于1600MPa，屈服强度大于1250MPa，冲击强度大于40J，延伸率大于1.2％。

实施例三：

①准备好原料，即铁、铬、碳及镍的混合粉，其配比为：铁合金(铬为1.5％，钼为0.2％，铁为98.3％)为97.95％，碳为0.25％，镍为1.5％，然后加入含量为0.3％的有机硅烷类蜡润滑剂；

②将上述混合粉在压力大于600Mpa的压机上压制成密度大于7.4g/cm³的凸轮零件；压制可以采用温压成形、模具加热成形。

③烧结，将该凸轮零件在温度1300℃中进行烧结，烧结的时间为30分钟，烧结在真空烧结炉中进行或者是氮气为基础、氢气的比例在75vol％的烧结炉中进行；

④热处理，根据烧结零件的化学成分要求，确定热处理工艺，热处理淬火温度为900℃，热处理碳势0.8％，保温35分钟，回火温度为200℃，保温120分钟。

⑤即将热处理后将零件进行喷丸处理，以进一步提高产品的疲劳强度和表面密度。

烧结后产品硬度为HV10大于200，抗拉强度大于650MPa，屈服强度大于450MPa，冲击强度大于80J，延伸率大于4％。

实施例四：

①准备好原料，即铁、铬、碳及镍的混合粉，其配比为：铁合金(铬为1.5％，钼为0.2％，铁为98.3％)为97.95％：碳为：0.25％，镍为1.5％，然后加入含量为0.3％的有机硅烷类蜡润滑剂；

实施例五：

①准备好原料，即铁、铬、钼、镍、碳及铜的混合粉，其配比为：铁为85.1％，碳为0.8％，铬为5.0％，钼为1.5％，镍含量为4％，铜含量为3％，然后加入含量为0.6％的有机硅烷类蜡润滑剂；

②将上述混合粉在压力大于600Mpa的压机上压制成密度大于7.3g/cm3的凸轮零件；压制可以采用温压成形、模具加热成形。

③烧结，将该凸轮零件在温度1300℃中进行烧结，烧结的时间为30分钟，烧结在真空烧结炉中进行或者是氮气为基础、氢气的比例在15vol％的烧结炉中进行；

④热处理，根据烧结零件的化学成分要求，确定热处理工艺，热处理淬火温度为900℃，保温45分钟，回火温度为200℃，保温130分钟。

⑤将热处理后的零件进行喷丸处理，以进一步提高产品的疲劳强度和表面密度。

⑥进行研磨端面，即根据高度、平面度以及平行度的要求进行研磨。

实施例六：

①准备好原料，即铁、铬、钼、镍、碳及铜的混合粉，其配比为：铁为92.6％，碳为0.8％，铬为2％，钼为1％，镍含量为2％，铜含量为1％，然后加入含量为0.6％的聚酰胺类蜡润滑剂；

②将上述混合粉在压力大于600MPa的压机上压制成密度大于7.3g/cm³的凸轮零件；压制可以采用温压成形、模具加热成形。

③烧结，该凸轮零件在温度1300℃中进行烧结，烧结的时间为25分钟，烧结在真空烧结炉中进行或者是氮气为基础、氢气的比例在10vol％的烧结炉中进行；

④热处理，根据烧结零件的化学成分要求，确定热处理工艺，热处理淬火温度为850℃，保温45分钟，回火温度为400℃，保温120分钟。

⑤进行研磨端面，即根据高度、平面度以及平行度的要求进行研磨。

实施例七：

①准备好原料，即铁、铬、钼、镍、碳及铜的混合粉，其配比为：铁为90.2％，碳为0.5％，铬为0.5％，钼为1.5％，镍含量为3.5％，铜含量为3％，然后加入含量为0.8％的乙撑双硬脂酰胺(Ethylene bis-stearamide，EBS)润滑剂；

③烧结，将该凸轮零件在温度1100℃中进行烧结，烧结的时间为120分钟，烧结在真空烧结炉中进行或者是氮气为基础、氢气的比例在10vol％的烧结炉中进行；

④热处理，根据烧结零件的化学成分要求，确定热处理工艺，热处理淬火温度为950℃，保温40分钟，回火温度为350℃，保温115分钟。

Claims

1.一种发动机凸轮轴凸轮的制造方法，其特征在于依次包括如下步骤：

①准备好原料，将铁、铬、钼、镍、碳及铜按以下质量百分比混合成混合粉，配比为：

铁 84.5～99.8％

碳 0.1～1.0％

铬 0～5.0％

钼 0～3.0％

镍 0～4.0％

铜 0～3.0％

其中，铬、钼、铜、镍以铁合金或母合金形式加入，碳以石墨形式加入，然后加入质量百分比为0.1～1％的润滑剂；

②将上述混合粉在压力大于600MPa的压机上压制成密度大于7.3g/cm³的凸轮零件；

③烧结，将该凸轮零件在温度1100℃～1350℃中进行烧结，烧结的时间为10～120分钟，烧结在真空烧结炉中或者是氮气为基础、氢气的比例在1～75vol％的烧结炉中进行；

④热处理，根据烧结零件的化学成分要求，确定热处理工艺，热处理淬火温度为800～1000℃，保温30～45分钟，回火温度为150～400℃，保温110～130分钟；

对于烧结后碳含量大于0.4％的凸轮还可以采用高频热处理，热处理的硬化层深度0.2～5mm，回火温度为150～400℃，保温110～130分钟。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤①中的润滑剂优选为蜡。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤②中的压制采用温压成形或模具加热成形。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述步骤④热处理后，还增加步骤⑤，即将热处理后的零件进行喷丸处理，以进一步提高产品的疲劳强度和表面密度。

5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于：所述步骤⑤后，还增加步骤⑥进行研磨端面，即根据产品高度、平面度以及平行度的要求进行研磨。

6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于：所述步骤⑥后，还增加步骤⑦进行研磨凸轮表面，即根据凸轮尺寸要求进行研磨。