汽车凸轮轴的CBN磨削技术

CBN砂轮磨削具有高效、高精度、低成本等显著优点，是凸轮轴磨削加工技术发展的必然趋势。依据多年实验研究的结果和相关技术文献，文章指出了国内在将凸轮轴的CBN磨削技术推向市场的过程中主要的制约因素，并提出了积极的建议，以期在凸轮轴加工中广泛采用CBN磨削技术，提高发动机整体的加工技术水平。 

凸轮轴作为发动机的关键零件之一，其加工质量的好坏直接影响发动机的动力特性；同时，凸轮轴又是一种非圆磨削的工件，其加工余量大且材料难磨，对磨削精度和生产效率要求都很高，加工难度比较大。因而，凸轮轴的磨削技术一直是业内人士关注的重点。如何提高磨削效率和加工质量是凸轮轴磨削急需解决的问题，主要应考虑如下几个影响因素： 

● 机床的特性； 

● 凸轮轮廓磨削成形的方式； 

● 砂轮性能和冷却液； 

● 磨削工艺，包括修整工具及修整工艺。 

国内外凸轮轴磨削技术发展现状 

目前，国内多数轿车主机厂的凸轮轴生产线和专业生产凸轮轴的厂家均引进了CBN磨削技术，但仍有很多的载重汽车、柴油机和摩托车发动机的凸轮依然采用传统的刚玉砂轮、靠模仿形的磨削工艺。粗磨工序使用的是国产中低速磨床（35m/s以下），精磨工序部分厂家使用进口磨床，但使用速度均在60m/s以下，修整工具以单点金刚石笔居多，进口磨床和少数国产磨床采用金刚石滚轮修整。这种传统技术给凸轮轴的磨削带来的问题主要体现在如下几个方面： 

● 凸轮轮廓精度低且难以提高 

采用靠模样板磨削，凸轮轮廓形状误差最小只能控制在±0.03mm范围内，而全数控无靠模磨削则可控制在±0.01mm内。另外，普通磨料砂轮在使用时，外径变化范围大（80～100mm），而砂轮直径每变化1mm就会使凸轮轮廓产生0.007mm的变化，因而难以进一步提高凸轮轮廓精度。 

● 凸轮表面易产生烧伤、裂纹等缺陷，很难提高生产效率 

由于凸轮磨削余量大且材料难磨，普通磨料砂轮的性能很难适应，磨削质量和生产效率两者往往不能兼顾。 

● 综合经济效益不高 

普通磨料砂轮的耐用度和使用寿命低，需频繁修整或更换，使修整工具损耗加快，辅助时间和劳动强度增加，既影响了生产效率，又加大了生产成本。另外，砂轮用量大，其质量波动也影响了磨削工艺的稳定性，又因大量磨削残物的产生，增加了磨削液的过滤清理量，对环境造成一定的污染。 

CBN磨削技术的应用，使传统凸轮轴磨削过程中的难题迎刃而解。十几年前，有关使用CBN砂轮磨削凸轮轴的报导只在有限的国外文献中见到。在大规模工业化生产中，使用CBN专用数控凸轮轴磨床磨削凸轮轴的技术在某些西方发达国家也刚刚进入实用阶段。紧跟世界先进制造技术发展的潮流，郑州磨料磨具磨削研究所于20世纪90年代初，在国内率先自主研究开发了用于汽车凸轮轴磨削的陶瓷结合剂CBN砂轮，在国产普通高速（60m/s）强力凸轮轴磨床上粗磨冷激铸铁凸轮轴，取得了良好的使用效果。但由于受到当时机床条件和砂轮制造技术的限制，还没能达到更理想的效果。至90年代中期，工业化国家的多数汽车制造厂均已采用了CBN砂轮磨削凸轮轴，国内主要的轿车生产线上也陆续引进了这项技术。它是以CBN专用数控CNC凸轮轴磨床、高速及高性能陶瓷CBN砂轮、专用磨削液、修整滚轮和磨削工艺整套技术的形式引进的。该技术的主要特点是：砂轮使用速度高（80～125m/s），加工效率高（工件由毛坯粗、精磨一次完成，效率是普通砂轮的2～3倍）。随着凸轮轴的CBN磨削技术及其专用磨床的不断引进，国内研究的CBN专用高速数控凸轮轴磨床也即将进入市场。对此，在完善国产磨床用CBN砂轮粗磨凸轮轴技术，积极研究用CBN砂轮精磨凸轮轴的同时，郑州磨料磨具磨削研究所又开始研制为进口CBN专用数控凸轮轴磨床配套的高速、高效陶瓷CBN砂轮，并已取得了一定成果。研制的砂轮使用速度为80m/s，耐用度和寿命相当于进口砂轮的1/2，而价格只有进口砂轮的1/3。研制的陶瓷CBN砂轮与同类进口砂轮相比，主要差距在于耐用度、寿命和产品质量稳定性偏低，不能完全替代进口砂轮在凸轮轴生产线上连续使用。为了迎头赶上这种快速发展的技术水平，近两年，郑州磨料磨具磨削研究所又研发成功了使用速度为125m/s的磨凸轮轴陶瓷CBN砂轮，其使用速度、磨削效率、磨削质量均达到进口同类产品水平，具有很高的性价比，产品质量稳定质量，完全可以替代进口。这些都表明我国CBN砂轮的制造和应用技术已达到了新的水平。 

凸轮轴的CBN磨削技术要素 

工业化国家在研发CBN磨削技术时的一个显著特点是将CBN磨料、磨具、磨床和磨削工艺作为一个系统工程来进行的。如美国在20世纪90年代初，为解决凸轮轴的CBN磨削技术，联合了GE公司（CBN磨料）、Norton公司（磨具）和Landis公司（磨床）三家本行业的顶级公司共同攻关。他们最终是以高速CBN砂轮、高速数控CBN专用磨床和CBN磨削工艺一整套技术提供给市场。 

在凸轮轴的磨削系统中，必须同时考虑到CBN砂轮制造和应用技术所涉及的各方面的影响因素，才会最终得到令人满意的磨削结果。凸轮轴CBN磨削技术的重要影响因素主要有： 

● CBN砂轮 

性能优越的砂轮必须同时具备磨削锋利、自锐性好和耐用度高等特征。在制造和选择砂轮时主要考虑结合剂、磨料、砂轮浓度和磨具硬度。 

1、结合剂 

在CBN磨具的四种结合剂（树脂、陶瓷、金属、电镀）中，以陶瓷结合剂的CBN磨具发展最快。在世界范围内，陶瓷CBN磨具的比例已由20世纪80年代的4%上升到现在的50%以上，增速迅猛。由于陶瓷CBN磨具具有磨削效率高、形状保持性好、耐用度高、易于修整、磨料利用率高（为75%以上，其余类型结合剂为50～60%）、砂轮使用寿命长等优势，因而成为高效、高精度磨削的首选磨具。目前，用于凸轮轴磨削的CBN砂轮全部采用陶瓷结合剂。 

2、磨料选择 

在磨削加工中，磨料是磨具中的主体，其性能好坏直接影响磨削效果。CBN磨料与刚玉磨料相比，具有更高的硬度和强度（见表4），因而切削锋利且耐磨。在凸轮轴加工这样高强度的磨削情况下，使用CBN磨料是最佳选择。不同牌号的CBN磨料，因制造工艺的不同，其晶体形态、颗粒形状也各不相同，它们各自具有不同的强度、热稳定性、耐化学侵蚀性和破碎特性。应根据结合剂的种类、磨削工件和磨削方式的不同，选择不同牌号的磨料。需要指出的是，CBN磨料在高温下易与水和碱性氧化物发生化学反应而使其结构受到破坏，这是在选择磨削液的种类、压力和流量时必须考虑的因素。 

3、浓度 

砂轮浓度的高低表示在磨削时砂轮工作面单位面积上参加磨削的磨粒数的多少，高浓度可带来高的磨削比，200%浓度比100%浓度砂轮寿命长4～5倍。目前，高速、高效磨削均采用较高的砂轮浓度，如进口磨凸轮轴磨床配套的陶瓷CBN砂轮浓度一般均为200%。 

4、硬度 

磨具的硬度等级表示结合剂对磨料把持力的大小，它是制造商工艺控制的重要指标，也是用户选择磨具性能的主要参数。砂轮硬度均匀和稳定及硬度高低的合理选择是保证磨削质量的重要前提。国外陶瓷CBN砂轮一般有3～7个硬度等级可供选择，国内目前尚未制订CBN砂轮（包括金刚石磨具）的硬度检验标准，制造商仅以配方硬度进行控制。 

● 磨床 

砂轮作为以磨床为中心的磨削体系中的一个附件，只有通过磨床所具有的优异特性并优化各种磨削参数，才能最大限度地发挥优势，对CBN磨削来说尤其如此。 

1、高速度 

提高砂轮的工作线速度可明显提高磨削效率和磨削比，降低磨削力，从而降低磨削成本。如使用陶瓷CBN砂轮磨削凸轮轴，当砂轮速度从80m/s提高到160m/s时，磨削时间相同，则修整间隔（耐用度）增加2倍；当砂轮速度由35m/s增加至60m/s时，在不同的单位金属去除率（Q′w）情况下，法向磨削力（F′n）均减小1/3左右。CBN砂轮因其结构特点及CBN磨料的特性，为高速、超高速磨削提供了可能。80～125m/s的使用速度已成为目前国内进口的CBN专用凸轮轴磨床基本特征之一。在条件允许的情况下，使用尽可能高的速度是提高CBN磨削的技术性和经济性的重要前提。 

2、机床的高刚性和抗震性 

高速磨削和CBN砂轮磨削的特点，要求机床主轴和整体要具有很高的刚性和良好的抗震性，从而保证磨削工件的精度和表面质量，这是CBN高速磨削技术中对磨床的基本要求。不具备这些条件，在使用CBN砂轮时，要想获得更高的金属去除量，工件的几何精度和表面质量就会变差。波纹是常见的表面质量缺陷，它是由振动产生的。引起振动的原因有多种，包括机床刚性低、抗震性差、机床共振或砂轮参数设计不合理造成磨削力过大等。有资料显示：机床的刚度应不小于100N/0.001mm的数量级为好。 

● 修整 

使用金刚石滚轮修整，不仅可提高修整效率，更重要的是可获得较好的砂轮形貌。使用其他修整工具，很难完成对高硬度砂轮表面的修整。修整装置的进给精度要高，每次进给量应在mm级，过量的修整既影响磨削质量又会大大减少砂轮使用寿命。修整速比Vr /Vc是修整工艺中一个重要的参数，它的改变会使砂轮表面形貌显著变化，并最终影响到工件的表面质量。 

● 冷却液 

在磨削过程中，90%以上的能量转化为热能，这些热必须被冷却液最大限度地吸收，否则工件就会被烧伤。对CBN砂轮来讲，还要考虑CBN磨料与水在高温下所产生的化学反应对磨料的破坏。正确选择冷却液种类和冷却工艺参数，往往会收到事半功倍的效果。不同的冷却液，会使砂轮的磨削比相差几倍甚至十几倍。表5为冷却液对CBN砂轮的影响，结果表明砂轮在磨削过程中的机械磨损、化学侵蚀和热损伤的程度与冷却效果密切相关。 

问题和建议 

目前，国内在将凸轮轴的CBN磨削技术推向市场的过程中的制约因素主要体现在如下几个方面： 

1、进口的磨床和配套的CBN砂轮价格昂贵，磨床价格是国内普通凸轮轴磨床的10倍左右，是国内研制同类磨床的3～4倍；进口CBN砂轮的价格是国内同类砂轮的3～5倍，使得在国内市场的进一步推广受到成本方面的制约。 

2、国产凸轮轴加工用的磨床大多数速度低，其精度、刚性、抗振性、修整、冷却等条件均不能满足使用CBN砂轮的要求。因此，在使用CBN砂轮时，往往得不到期望的效果。 

3、国内CBN砂轮的主要磨削性能已达到国外同类产品水平，只是在砂轮的耐用度、使用寿命和质量稳定、适应性方面略低，但价格较低，因而有着较高的性价比，其技术和经济性已为国内许多汽车主机厂和配套厂所认可，但仍需进一步提高CBN砂轮制造技术水平。 

4、新技术宣传力度不够，部分企业因循守旧，对新工艺的需求不强烈，对提高生产效率和加工质量不重视，是这项技术推广的外部制约因素。 

为此，提出以下几点建议： 

1、加快开发国产CBN专用高速数控凸轮磨床，重点解决其刚性和抗振性的关键技术，首先使80m/s的磨床尽快投放市场，使其技术性和经济性能满足大多数中小企业的需要。在此基础上，再开发速度更高、性能更完善的产品。 

2、CBN砂轮的研究应立足于提高性能、完善工艺、稳定质量和批量化生产。应加强基础理论研究和专用设备的研发。通过为进口磨床配套砂轮的研制解决其制造的关键技术，满足进口砂轮国产化的需要。同时，考虑到目前国产凸轮轴磨床的技术现状，在CBN砂轮制造技术参数的设计上尽量满足这部分磨床使用CBN砂轮的要求，使CBN磨削尽可能地发挥最大效果。 

3、在磨床、磨具制造和用户之间建立紧密联系，加强沟通和协作，共同促进CBN磨削技术的不断提高。