CN102528381A - 过盈装配方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种过盈装配方法及设备，以通过热装法将包容件与被包容件过盈装配后满足包容件与被包容件之间较高的抗转动扭矩，同时保证包容件的表面硬度。该方法是在对包容件进行淬火热处理的同时进行包容件与被包容件的过盈装配，即在淬火热处理的加热阶段将被包容件装入受热膨胀后的包容件中，然后再在淬火热处理的冷却阶段使装上被包容件的包容件快速冷却，从而完成装配。过盈装配设备包括机架，所述机架上分别设置有包容件定位单元、包容件淬火加热单元、包容件淬火冷却单元以及被包容件定位单元，所述包容件定位单元与被包容件定位单元之间的相对位置根据包容件与被包容件的设计位置关系设定。

Description

过盈装配方法及设备

技术领域

本发明涉及一种过盈装配方法及设备，具体涉及一种热装法及热装设备。

背景技术

由于高压共轨油泵中的凸轮轴所承受的载荷远远高于普通凸轮轴，因此目前国内外生产的高压共轨油泵用凸轮轴均采用整体式结构，即芯轴与凸轮片是在同一坯料上一起被加工出来的。由于该凸轮轴采用了整体式结构，因此其加工难度较大，成本较高。鉴于此问题，本申请人的发明人考虑用组合式结构来代替整体式结构，即将芯轴与凸轮片分开加工后再组装到一起。然而，通过实践发现，将高压共轨油泵的凸轮轴设计为组合式结构以后，按照常规的工艺根本无法制造出满足技术要求的组合式凸轮轴。问题的关键在于凸轮片与芯轴的过盈装配以及凸轮片的热处理上。

本领域公知的实现包容件与被包容件的过盈装配方法有压入法、热装法、冷装法和油压法四种。由于高压共轨油泵的凸轮轴所承受的载荷大，因此要求芯轴与凸轮片的过盈量大(达到0.1毫米左右)，采用压入法、冷装法和油压法根本无法实现高压共轨油泵凸轮轴的芯轴与凸轮片的过盈装配。因此，适合于高压共轨油泵的凸轮轴的过盈装配方法只能是热装法。由此便出现了热装时凸轮片的加热问题。

在热装法过盈装配技术中，最为关键的工艺便是对加热温度的控制以及对零件热处理时机的掌握。根据“机械零部件手册：选型/设计/指南，余梦生、吴宗泽主编，机械工业出版社，1996年6月”第1548页中的记载，对于未经热处理的包容件，加热温度应低于400℃；对于已经过经热处理的包容件，加热温度应低于回火温度。也就是说，目前的热装法是将包容件的热处理与过盈装配分开进行的，即要么先将包容件热处理后再与被包容件进行装配，要么先将包容件与被包容件进行装配然后再对包容件进行热处理。

针对本申请的高压共轨油泵凸轮轴，由于对凸轮片要求很高的表面硬度，因此必须对其进行淬火热处理；实践发现，如果先通过热装法将凸轮片过盈装配到芯轴上以后再对凸轮片进行淬火热处理，则会因凸轮片的热处理变形导致芯轴与凸轮片之间的配合变松，凸轮片相对于芯轴的抗转动扭矩只能达到200-300NM，完全无法满足使用要求；但如果先对凸轮片进行淬火热处理后再通过热装法将凸轮片过盈装配到芯轴上，由于凸轮片与芯轴之间的过盈量大，故对凸轮片的加热温度要求较高，而凸轮片的回火温度一般为160℃左右，凸轮片热装时的加热温度将大大高于凸轮片的回火温度，这样就相当于对凸轮片进行了一次正火处理，导致凸轮片的表面硬度下降到HRC30左右，无法满足高压共轨油泵凸轮轴的使用要求。

因此，以现有技术制造的组合式高压共轨油泵凸轮轴不可能同时达到凸轮片与芯轴通过过盈配合联接后两者之间的抗转动扭矩明显高于300NM且凸轮片的表面硬度远大于HRC30。

发明内容

本申请所要解决的第一个技术问题是提供一种用于高压共轨油泵的凸轮轴，该凸轮轴的芯轴与凸轮片通过过盈装配后既能满足凸轮片相对芯轴的抗转动扭矩，同时又能够保证凸轮片的表面硬度；本申请要解决的第二个技术问题是提供一种用于高压共轨油泵的凸轮轴的制造方法，该方法可将芯轴与凸轮片过盈装配并满足凸轮片相对芯轴的抗转动扭矩，同时保证凸轮片的表面硬度；本申请要解决的第三个技术问题是提供一种实施上述方法的用于高压共轨油泵的凸轮轴的过盈装配设备；本申请要解决的第四个技术问题是提供一种过盈装配方法，以通过热装法将包容件与被包容件过盈装配后满足包容件与被包容件之间较高的抗转动扭矩，同时保证包容件的表面硬度；本申请要解决的第五个技术问题是提供一种过盈装配设备。

本申请为解决上述第一个技术问题所提供的用于高压共轨油泵的凸轮轴包括了芯轴和位于该芯轴上的凸轮片，所述凸轮片与芯轴之间通过过盈配合联接后该凸轮片相对于芯轴的抗转动扭矩≥500NM，并且该凸轮片的表面硬度≥HRC58。本申请认为，上述用于高压共轨油泵的凸轮轴不同于现有的高压共轨油泵凸轮轴；其中，凸轮片相对于芯轴的抗转动扭矩≥500NM的技术特征表征了热装后凸轮片与芯轴之间的配合关系，而凸轮片的表面硬度≥HRC58的技术特征则表征了热装后凸轮片的材料性能；上述这些技术特征使得本申请的凸轮轴本质上区别于现有的高压共轨油泵凸轮轴，这种区别的产生源于本申请发明人创造性思维和实践，在现有技术中找不到相应的教导或启示。

对于高压共轨油泵的凸轮轴而言，当凸轮片相对于芯轴的抗转动扭矩≥500NM时，该凸轮轴就已经能够满足在高压共轨油泵中的使用要求了。在此基础上，最好能使凸轮片与芯轴之间通过热装法过盈配合联接后该凸轮片相对于芯轴的抗转动扭矩≥3000NM，从而进一步的提高凸轮轴的使用性能。

本申请为解决上述第二个技术问题所提供的用于高压共轨油泵的凸轮轴的制造方法是：在对凸轮片进行淬火热处理的同时进行凸轮片与芯轴的过盈装配，即在淬火热处理的加热阶段将芯轴装入受热膨胀后的凸轮片中，然后再在淬火热处理的冷却阶段使装上芯轴的凸轮片快速冷却，从而得到装配完成的凸轮轴。该方法的创新点在于凸轮片的淬火热处理与凸轮片和芯轴之间的过盈装配是同时进行的：先将凸轮片加热至淬火温度，在加热过程中完成芯轴与凸轮片的装配，然后再迅速冷却凸轮片，从而在完成凸轮片的淬火同时将凸轮片过盈装配到芯轴上。该方法回避了热装与淬火孰先孰后的问题，故既不会出现因热装在先淬火在后而产生的芯轴与凸轮片之间配合变松的情况，也不会出现因淬火在先热装在后而产生的凸轮片表面硬度下降的情况。

通过试验表明，上述方法可以直接获得凸轮片相对于芯轴的抗转动扭矩≥500NM，并且凸轮片的表面硬度≥HRC58的用于高压共轨油泵的凸轮轴。在此应当特别强调的是，由于现有技术中并无这种通过凸轮片与芯轴的过盈装配后达到凸轮片相对于芯轴的抗转动扭矩≥500NM，凸轮片的表面硬度≥HRC58的用于高压共轨油泵的凸轮轴，因此该凸轮轴属于一种新产品，本申请的高压共轨油泵的凸轮轴的制造方法属于新产品的制造方法。

作为对上述方法的进一步改进，可先将凸轮片预装在工装芯轴上，然后再将工装芯轴与芯轴轴向可拆卸对接以形成芯轴组件，淬火加热时使芯轴组件相对凸轮片轴向运动直到凸轮片运动至芯轴上的预定位置后停止运动，最后再卸下工装芯轴。上述改进措施中运用了工装芯轴这一辅助工具。使用工装芯轴的好处是可以实现凸轮片的预定位，以便凸轮片与芯轴的装配并保证装配精度。在上述改进措施的基础上，最好是当凸轮片受热膨胀时保证芯轴组件处于竖立状态以使芯轴组件依靠自身重力下落，以避免通过人工或机械来实现芯轴组件与凸轮片的轴向相对运动。

为实现工装芯轴与芯轴之间的轴向可拆卸对接可采用多种方式，比如直接通过销钉连接，或将工装芯轴与芯轴的连接端部进行小量的过盈连接。本申请具体采用的方式为：在工装芯轴内设有轴向通孔，所述芯轴端面上设有与该轴向通孔相对应的螺纹孔，所述工装芯轴与芯轴之间通过位于该轴向通孔中并连接所述螺纹孔的螺钉可拆卸对接。最好在所述工装芯轴的一端设置定位凹槽，使所述芯轴端部与该定位凹槽相适配，这样可以提高工装芯轴与芯轴之间的定位精度。

本申请为解决上述第三个技术问题所提供的用于高压共轨油泵的凸轮轴的过盈装配设备包括机架，所述机架上分别设置有凸轮片定位单元、凸轮片淬火加热单元、凸轮片淬火冷却单元以及芯轴定位单元，所述凸轮片定位单元与芯轴定位单元之间的相对位置根据凸轮片与芯轴的设计位置关系设定。该设备的使用方法为：首先，将凸轮片放置在凸轮片定位单元上，这样，凸轮片即被凸轮片定位单元所限位；然后，通过凸轮片淬火加热单元对凸轮片进行加热，并在淬火热处理的加热阶段利用凸轮片与芯轴的相对运动将芯轴装入受热膨胀后的凸轮片中；当凸轮片与芯轴相对运动至凸轮片与芯轴的设计位置时，芯轴即被芯轴定位单元所限位；然后，通过凸轮片淬火冷却单元使凸轮片快速冷却，完成凸轮片淬火以及凸轮轴的装配。

基于上面已陈述的理由，所述凸轮片定位单元与芯轴定位单元的设计最好满足当凸轮片受热膨胀时芯轴依靠其自身重力相对于凸轮片下落并最终通过芯轴定位单元而限位。此外，所述机架上还设置有在对凸轮片与芯轴进行装配时对芯轴进行导向的芯轴导向单元，以便保证凸轮片与芯轴相对运动的准确性。

本申请为解决上述第四个技术问题所提供的过盈装配方法为：在对包容件进行淬火热处理的同时进行包容件与被包容件的过盈装配，即在淬火热处理的加热阶段将被包容件装入受热膨胀后的包容件中，然后再在淬火热处理的冷却阶段使装上被包容件的包容件快速冷却，从而完成装配。

当被包容件为轴类零件时，可先将包容件预装在工装芯轴上，然后再将工装芯轴与被包容件轴向可拆卸对接以形成芯轴组件，淬火加热时使芯轴组件相对包容件轴向运动直到包容件运动至被包容件上的预定位置后停止运动，最后再卸下工装芯轴。最好，当包容件受热膨胀时保证芯轴组件处于竖立状态以使芯轴组件依靠自身重力下落。

其中，所述工装芯轴内设有轴向通孔，所述被包容件端面上设有与该轴向通孔相对应的螺纹孔，所述工装芯轴与被包容件之间通过位于该轴向通孔中并连接所述螺纹孔的螺钉可拆卸对接。最好在工装芯轴的一端定位凹槽，使所述被包容件端部与该定位凹槽相适配。

本申请为解决上述第五个技术问题所提供的过盈装配设备包括机架，所述机架上分别设置有包容件定位单元、包容件淬火加热单元、包容件淬火冷却单元以及被包容件定位单元，所述包容件定位单元与被包容件定位单元之间的相对位置根据包容件与被包容件的设计位置关系设定。

其中，所述包容件定位单元与被包容件定位单元的设计最好满足当包容件受热膨胀时被包容件依靠其自身重力相对于包容件下落并最终通过被包容件定位单元而限位。此外，所述机架上还设置有在对包容件与被包容件进行装配时对被包容件进行导向的被包容件导向单元，以便保证包容件与被包容件相对运动的准确性。

显然，上述的包容件与被包容件的过盈装配方法以及包容件与被包容件的过盈装配设备是在本申请中的用于高压共轨油泵的凸轮轴的制造方法及其过盈装配设备的基础上概括得出的。显然，本领域技人员很容易理解，所说的包容件与被包容件可以涵盖机械领域多种具有轴毂过盈配合联接关系的两个零件，比如齿轮和齿轮轴等等。

下面将结合附图和具体实施方式对本申请做进一步的说明。本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本申请的工装芯轴与凸轮片的装配示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为本申请的装有凸轮片的工装芯轴与芯轴的对接示意图。

图4为本申请的过盈装配设备(过盈装配前)的结构示意图。

图5为本申请的过盈装配设备(过盈装配后)的结构示意图。

图6为本申请的用于高压共轨油泵的凸轮轴的结构示意图。

图7为本申请凸轮片相对于芯轴的抗转动扭矩的测试原理图。

具体实施方式

首先对用于高压共轨油泵的凸轮轴的制造方法进行具体说明。如图6所示，用于高压共轨油泵的凸轮轴包括芯轴2和位于该芯轴2上的凸轮片1，该芯轴2和凸轮片1是分开制造的，且制造芯轴2和凸轮片1的工艺是现有的；将芯轴2和凸轮片1制造好以后，可以先对芯轴2进行热处理，使其材料性能达到设计要求；由于对凸轮片1要求很高的表面硬度，因此还必须对凸轮片1进行淬火热处理；在对凸轮片1进行淬火热处理的加热阶段，凸轮片1受热膨胀，其内孔的孔径增大，这时应立即将芯轴2装入凸轮片1中，装配时注意保持凸轮片1与芯轴2的相对位置，到位后可保温一段时间，然后对凸轮片1实施快速冷却，冷却介质可以采用水、油、空气等，冷却后即得到装配完成的凸轮轴。淬火后可以再对凸轮片1进行回火处理以降低材料的内应力。在对凸轮片1进行淬火热处理前，可先对其进行渗碳、渗氮或碳氮共渗处理，以进一步提高其表面硬度。上述方法的创新点是回避了热装与淬火孰先孰后的问题，故既不会出现因热装在先淬火在后而产生的芯轴2与凸轮片1之间配合变松的情况，也不会出现因淬火在先热装在后而产生的凸轮片1表面硬度下降的情况。

如图6所示，在完成芯轴2与凸轮片1的过盈装配后，可以在芯轴2与凸轮片1的轮毂之间插入销3。当芯轴2上设有至少两块凸轮片1，所述销3最好位于相邻的两块凸轮片1之间。设置销3能够对凸轮片1进行精确定位，并增大凸轮片1所能承受的轴向及周向载荷。

作为本申请的又一创新点，以便在实施上述方法的过程中保证凸轮片1的装配精度，如图1所示，在实施上述方法的过程中还利用到了工装芯轴4，该工装芯轴4与凸轮片1之间轻度过盈，以便通过一般的压装将凸轮片1安装到工装芯轴4上并保证凸轮片1与工装芯轴4之间不会轻易的发生偏移；安装时注意保证凸轮片1与工装芯轴4的相对位置，一是要保证凸轮片1与工装芯轴4之间的周向位置，即如图2所示当有两个以上的凸轮片1时确保凸轮片1之间的相对角度，二是要保证凸轮片1与工装芯轴4之间的轴向位置；如图1所示，工装芯轴4中设有一轴向通孔401，该轴向通孔401的一端设有定位凹槽402，该轴向通孔401的另一端与定位凹槽402之间为一台阶孔；如图3所示，芯轴2的一端设有与所述定位凹槽402适配的轴颈202，轴颈202的端面上设有与轴向通孔401相对应的螺纹孔201；所述工装芯轴4与芯轴2之间通过位于该轴向通孔401中并连接所述螺纹孔201的螺钉5可拆卸对接；通过上述的螺钉5将工装芯轴4与芯轴2轴向可拆卸对接以形成芯轴组件，对凸轮片1进行淬火加热时只要使芯轴组件相对凸轮片1轴向运动，就能够使凸轮片1运动至芯轴2上的预定位置，最后再卸下工装芯轴4就完成了凸轮轴的装配。由于在将凸轮片1安装到工装芯轴4上时已经对凸轮片1进行过准确的定位，因此在芯轴组件相对凸轮片1轴向运动时只要控制好芯轴组件的运动距离，最后就能够保证凸轮片1与芯轴2的相对位置。

为了更好的实施上述方法，本申请还提供了一种过盈装配设备。如图4-5所示，该过盈装配设备8包括机架801，所述机架801上分别设置有凸轮片定位单元、凸轮片淬火加热单元、凸轮片淬火冷却单元以及芯轴定位单元，所述凸轮片定位单元与芯轴定位单元之间的相对位置根据凸轮片1与芯轴2的设计位置关系设定。最好，机架801上还可设置在对凸轮片1与芯轴2进行装配时对芯轴2进行导向的芯轴导向单元。具体讲，如图4所示，当装配好凸轮片1的工装芯轴4与芯轴2轴向对接后，将其通过凸轮片定位单元放置在机架801上，凸轮片定位单元包括支撑块806，支撑块806位于凸轮片1的底部从而使工装芯轴4和芯轴2处于竖立状态；凸轮片淬火加热单元包括感应器802，感应器802为环形的中空铜管，将凸轮片1放置在支撑块806上后，凸轮片1刚好位于感应器802内；凸轮片淬火冷却单元包括指向凸轮片1的喷嘴804，喷嘴804沿圆周方向连续设置于感应器802的内壁上并与中空铜管的内腔相通；芯轴定位单元包括设置在支撑块806下方的限位块803，限位块803的与支撑块806之间有一定的高度差；芯轴导向单元包括导向器805，导向器805设置在限位块803与支撑块806之间。其中，感应器802与喷嘴804的结构为现有技术，已广泛应用在各种感应淬火线圈中。

如图4所示，感应器802启动后，凸轮片1被迅速加热，随着凸轮片1内孔扩大，芯轴组件开始下落；如图5所示，当工装芯轴4的下端与限位块803接触时，凸轮片1刚好装配到芯轴2的设定位置上，略微保温后立刻对凸轮片1进行冷却，即通过各喷嘴804向凸轮片1喷淋冷却，冷却后取下工装芯轴4完成装配。

对比例和实施例

对比例1

首先制造出芯轴和凸轮片，然后对芯轴进行调质处理，对凸轮片进行渗碳处理，凸轮片表面的渗碳层厚度为1.2mm，装配前测得芯轴与凸轮片的过盈量为0.12mm；然后通过感应器将凸轮片快速加热至400℃，将芯轴装入受热膨胀的凸轮片中，自然冷却后完成芯轴与凸轮片的热装；热装后再对凸轮片进行淬火，淬火时将凸轮片感应加热至900℃，保持5秒后再喷水冷却25秒，淬火后再将凸轮片加热至160℃进行回火。回火后测得凸轮片相对于芯轴的抗转动扭矩和凸轮片的表面硬度如表1所示。

对比例2

首先制造出芯轴和凸轮片，然后对芯轴进行调质处理，对凸轮片进行渗碳处理，凸轮片表面的渗碳层厚度为1.1mm，测得芯轴与凸轮片的过盈量为0.11mm；然后对凸轮片进行淬火，淬火时将凸轮片感应加热至860℃，保持3秒后再喷水冷却20秒，淬火后再将凸轮片加热至160℃进行回火；然后再对芯轴和凸轮片进行热装，热装时通过感应器将凸轮片快速加热至500℃，将芯轴装入受热膨胀的凸轮片中，自然冷却后完成芯轴与凸轮片的热装。测得凸轮片相对于芯轴的抗转动扭矩和凸轮片的表面硬度如表1所示。

实施例1

首先制造出芯轴和凸轮片，然后对芯轴进行调质处理，对凸轮片进行渗碳处理，凸轮片表面的渗碳层厚度为1.15mm，测得芯轴与凸轮片的过盈量为0.1mm；然将凸轮片感应加热至900℃，此过程中完成对芯轴与凸轮片的热装，然后保持5秒后再喷水冷却25秒，淬火后再将凸轮片加热至160℃进行回火。测得凸轮片相对于芯轴的抗转动扭矩和凸轮片的表面硬度如表1所示。

实施例2

首先制造出芯轴和凸轮片，然后对芯轴进行调质处理，对凸轮片进行渗碳处理，凸轮片表面的渗碳层厚度为1.2mm，测得芯轴与凸轮片的过盈量为0.12mm；然将凸轮片感应加热至920℃，此过程中完成对芯轴与凸轮片的热装，然后保持5秒后再喷水冷却25秒，淬火后再将凸轮片加热至160℃进行回火。测得凸轮片相对于芯轴的抗转动扭矩和凸轮片的表面硬度如表1所示。

实施例3

首先制造出芯轴和凸轮片，然后对芯轴进行调质处理，对凸轮片进行渗碳处理，凸轮片表面的渗碳层厚度为1.0mm，测得芯轴与凸轮片的过盈量为0.09mm；然将凸轮片感应加热至860℃，此过程中完成对芯轴与凸轮片的热装，然后保持3秒后再喷水冷却20秒，淬火后再将凸轮片加热至160℃进行回火。测得凸轮片相对于芯轴的抗转动扭矩和凸轮片的表面硬度如表1所示。

表1

针对凸轮片相对于芯轴的抗转动扭矩，本申请统一采用如下手段进行测试：

如图7所示，首先在凸轮片1的一侧面上靠近桃尖处焊接一圆形的凸起6，然后测量出该凸起6的顶点与芯轴2的中心之间的距离D，将芯轴2的柱面削去一段后使其与安装座5上的孔适配，这样，当把芯轴2放入安装座5上后，芯轴2即被安装座5周向固定；这时，将装有凸轮轴的安装座5放在压力机上，利用压力机对凸起6施压，通过压力机的反馈界面可以看到凸起6作用于压力机的压力，当凸轮片1相对芯轴2转动时，该压力值将剧减，由此可以得到剧减前的峰值压力，将该峰值压力乘以距离D则可计算出凸轮片相对于芯轴的抗转动扭矩。

Claims (8)

1.过盈装配方法，其特征是：在对包容件进行淬火热处理的同时进行包容件与被包容件的过盈装配，即在淬火热处理的加热阶段将被包容件装入受热膨胀后的包容件中，然后再在淬火热处理的冷却阶段使装上被包容件的包容件快速冷却，从而完成装配。

2.如权利要求1所述的过盈装配方法，其特征是：当被包容件为轴类零件时，可先将包容件预装在工装芯轴(4)上，然后再将工装芯轴(4)与被包容件轴向可拆卸对接以形成芯轴组件，淬火加热时使芯轴组件相对包容件轴向运动直到包容件运动至被包容件上的预定位置后停止运动，最后再卸下工装芯轴(4)。

3.如权利要求2所述的过盈装配方法，其特征是：当包容件受热膨胀时保证芯轴组件处于竖立状态以使芯轴组件依靠自身重力下落。

4.如权利要求2所述的过盈装配方法，其特征是：所述工装芯轴(4)内设有轴向通孔(401)，所述被包容件的端面上设有与该轴向通孔(401)相对应的螺纹孔(201)，所述工装芯轴(4)与被包容件之间通过位于该轴向通孔(401)中并连接所述螺纹孔(201)的螺钉(5)可拆卸对接。

5.如权利要求4所述的用于高压共轨油泵的凸轮轴的制造方法，其特征是：所述工装芯轴(4)的一端设有定位凹槽(402)，所述被包容件端部与该定位凹槽(402)相适配。

6.过盈装配设备，包括机架(801)，其特征是：所述机架(801)上分别设置有包容件定位单元、包容件淬火加热单元、包容件淬火冷却单元以及被包容件定位单元，所述包容件定位单元与被包容件定位单元之间的相对位置根据包容件与被包容件的设计位置关系设定。

7.如权利要求6所述的过盈装配设备，其特征是：所述包容件定位单元与被包容件定位单元的设计满足当包容件受热膨胀时被包容件依靠其自身重力相对于包容件下落并最终通过被包容件定位单元而限位。

8.如权利要求6或7所述的过盈装配设备，其特征是：所述机架(801)上还设置有在对包容件与被包容件进行装配时对被包容件进行导向的被包容件导向单元。

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