凸輪軸工作原理
凸輪軸是活塞發動機里的一個重要部件，作為發動機的四大主要部件之一，它的作用是控制氣門的開啟和閉合動作，主要負責進氣門、排氣門的開啟和關閉。凸輪軸在曲軸的帶動下不斷旋轉，凸輪便不斷地下壓氣門(搖臂或頂桿)，從而實現控制進氣門和排氣門開啟和關閉的功能。由于氣門運動規律關系到一臺發動機的動力和運轉特性，因此凸輪軸設計在發動機的設計過程中占據著十分重要的地位。
配氣機構主要包括正時齒輪系、凸輪軸、氣門傳動組件(氣門、推桿、搖臂等)，主要的作用是根據發動機的工作情況，適時地開啟和關閉各氣缸的進氣門、排氣門，以使得新鮮混合氣體及時充滿氣缸，廢氣得以及時排出氣缸外。

凸輪軸材料選擇
從凸輪軸結構及其工作受力情況來看，高速轉動的曲軸帶動凸輪軸的轉速通常依然很高，而且凸輪軸需要承受很大的轉矩，因此設計中對凸輪軸在強度和附磨方面的要求很高，其材質一般是優碳素鋼或合金鋼或鑄鐵來達到其強度要求。選擇中碳鋼時原材料做正火或調質處理，凸輪和軸頸部位需要中頻感應淬火來硬化處理，也可以選擇灰鑄鐵球墨鑄鐵時凸輪和軸頸部位同樣進行中頻感應淬火硬化，還可以選用滲碳鋼滲碳淬火硬化表面提高耐磨性，也有選擇冷激鑄鐵鑄造毛坯后直接機加工成形即可使用。不同選擇方案共同點都是:需要保證凸輪部位有最高的硬度和軸頸位置有足夠的強度而心部需要一定的韌性，主要滿足不同客戶的不同要求，在滿足使用性能的條件下能夠實現低成本量產，產生市場經濟價值。

材料使用情況如下

(1)滲碳鋼
如五十鈴VM凸輪軸項目選用20CrMnTi，加工過程中凸輪軸滲碳淬火+回火后凸輪和軸承擋及齒輪擋表面硬度55~61HRC，滲碳層深度0.5~0.9mm(550HV1)，凸輪心部硬度30~45HRC比傳統凸輪軸耐磨性高，一致性更好，滲碳淬火后表面得到高碳馬氏體(M)適用于耐磨性更高的要求。

(2)中碳鋼
如493凸輪軸項目45鋼齒面中頻淬火硬度48~58HRC，齒輪內部硬化層深度不少于齒高的2/3。毛坯楔橫軋制后經過正火處理得到珠光體(P)或調質處理得到索氏體(S)組織，要達到齒面高硬度就需要進行感應淬火+回火處理得到馬氏體(M)組織，有效地提高了凸輪軸齒輪的耐磨性及抗咬合性能，提高了抗疲勞性能和良好的耐腐蝕性。

(3)球墨鑄鐵
毛壞鑄造成型后得到珠光體(P)+石墨(C)組織，要達到表面硬度、高耐性，還需要對凸輪和軸頸部位進行中頻感應淬火+回火得到馬氏體(M)組織。灰鑄鐵淬火要想得到足夠的硬度還必須對原始組織珠光體含量進行控制，因為鐵素體不能而只有珠光體才可能通過加熱轉變成奧氏體再淬火轉變成馬氏體，市場上采用這種方案的客戶比較多。

(4)冷激鑄鐵

通過化學成分的調配和控制鑄造時冷卻速度，使用冷鐵激冷的方法使凸輪桃尖位置的鑄鐵中的碳盡量不以石墨(C)形式而以滲碳體(Fe₃C)的形式析出形成菜氏體(Ld')+珠光體(P)+滲碳體(Fe₃C)的白口組織也能得到較高的硬度，基圓中心位置和軸頸位置仍然得到珠光體(P)+石墨(C)的灰口組織，中間過渡層得到麻口組織，這樣凸輪軸就不用再需要進行熱處理了，機加工至精度要求成形后基本上即可滿足使用要求，而且冷激鑄鐵成本低，前幾年福特很多機型選用這種方案。

(5)軸承鋼及混合材料裝配式，凸輪軸組合式，選材有針對性，目標性強，凸輪片選用軸承鋼，本體選用鋼管，活塞選用滲碳合金鋼，法蘭選用粉末合金，如江鈴汽車V348凸輪軸項目。如圖2所示為部分量產樣品。

凸輪軸感應熱處理
凸輪軸中頻感應淬火工藝相對成熟，主要對凸輪和軸頸位置及鍵槽進行淬火硬化，工廠有豐富的生產經驗，能夠處理一般性常見的問題。不同客戶的選材及要求各有不同，工藝參數調整手段十分有限，由于淬火機是定制設備，針對固定產品很少改變匝比，頻率通常是基本固化的。投功比例可以調整。感應加熱時間非常短，只3~5s，零件升溫速度非常快，最高溫度幾乎零保溫時間即降溫，溫度測量也十分困難，主要目視測溫輔以試驗實際結果判斷。量產后出現問題時加熱時間可以細微調整，時間短硬化層淺，時間稍長一點表面過熱而淬火硬度不足，如何兼顧火硬度與硬化層深度的關系?簡單地通過加熱時間增減是很難找到平衡點的。下面介紹一種重新編程優化工藝的方法。

如原加熱時間7s工藝因客戶提高硬化層深度要求3.5~6.5mm(原要求2.0-5.0mm)，增加加熱時間至9:后雖然硬化層深度上去了，表面硬度卻下降了。這種情況可以改變工藝策略:把加熱時間分段加熱，首先加熱4s讓熱量傳導至內部來提高硬化層深度，停止加熱2s，再重新加熱7秒來保證表面淬火硬度，然后根據試驗檢驗結果細微調整以上各段時間分配。通過重新編程后試驗優化工藝參數解決了45鋼凸輪軸淬火硬度>55HRC和硬化層深度3.5~6.5mm都能夠得到滿足的問題。

總結：
以上介紹了傳統的凸輪軸選材及其工藝策略，新工藝新技術的發展對汽車發動機提出了更高更新的要求，其中輕量化是一個重要內容，相應地凸輪軸除了研發重量輕的高強度材料外，優化結構設計，中空式，裝配式凸輪軸就成為現在的一個創新方向。公司致力于中空和裝配式凸輪軸等的新產品研發，領跑凸輪軸行業的技術革新。江鈴V348凸輪軸項目體現裝配式凸輪軸應用成果，根據輕量化性能需求，改善發動機排放性能，不同部位選擇不同的材料，本體采用焊接冷拉管鋼管E355(EN10305-2)，凸輪片采用高耐磨性的軸承鋼100Cr6IS0683-17/GCr15(GB/T18254)堵塞采用滲碳合金鋼16MnCrS5(EN10084)/20CrMo(GB/T3077)，法蘭采用粉末冶金D36(DIN30910-4)，充分滿足各部位的使用性能又物盡其用，實現地球資源利用效能更大化。凸輪軸加工方案的選擇涉及技術、工藝、設備、質量、成本、產能及匹配，當客戶確定最終方案后，工廠就要落實加工策略，從原材料到供應商、加工設備、工裝、檢測設備及人員配置達到客戶產能計劃，實現產品走上市場接受市場的檢驗從而終占領市場能夠產業化量產。

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