（一）核心工作特性 外环凸轮作为主动件，通过自身轮廓曲线的旋转带动从动件做规律运动，运动过程中二者接触点始终处于动态变化状态，存在复杂的摩擦磨损行为。其工作特性主要体现在三个方面：
一是接触形式多样，根据机构设计不同，可表现为点接触、线接触，接触应力集中且随轮廓变化而波动；
二是运动状态多变，包含匀速运动、变速运动及间歇运动，易产生冲击载荷，加剧接触部位的磨损；
三是工况环境复杂，多数应用场景下需承受一定负载、温度变化及粉尘、润滑油介质的影响，对材料的适配性要求极高。
（二）材料配对核心要求
外环凸轮与从动件的材料配对需满足摩擦学性能、力学性能、工艺性能及经济性四大核心要求。
摩擦学性能方面，需保证配对材料间摩擦系数稳定且处于合理范围，既能避免因摩擦系数过大导致能耗增加、发热严重，又能防止摩擦系数过小引发打滑失效；力学性能方面，配对材料需具备足够的硬度、耐磨性及抗冲击性，以承受接触应力与冲击载荷，抵抗表面剥落、划痕等损伤；工艺性能方面，材料需易于加工、热处理，能够精准成型凸轮轮廓与从动件接触面；经济性方面，需在满足性能要求的前提下，控制材料成本与加工成本，兼顾实用性与性价比。
二、常用外环凸轮与从动件材料类型及特性
外环凸轮与从动件的材料选择需基于各自的功能定位，结合工况负载针对性搭配。目前行业内常用材料主要分为金属材料与复合材料两大类，各类材料的成分、力学性能及适用场景存在显著差异。
（一）金属材料
金属材料因力学性能优异、工艺成熟，是外环凸轮与从动件的主流选择，常用类型包括结构钢、合金钢、铸铁等。 结构钢与合金钢多用于外环凸轮制造，其中45钢作为常用结构钢，具备良好的强度与塑性，经调质、表面淬火处理后，表面硬度可达HRC55-60，耐磨性满足中轻载工况需求，且成本低廉、加工便捷，适用于普通自动化设备中的凸轮机构。
20CrMnTi、40Cr等合金钢，通过渗碳淬火处理后，表面硬度可达HRC60-65，心部保持良好韧性，具备优异的抗冲击性与耐磨性，适合重载、高频冲击工况下的外环凸轮，广泛应用于推土机、挖掘机等工程机械中。 铸铁材料多用于从动件制造，灰铸铁HT200、HT250具备良好的耐磨性、减震性及切削加工性，且成本较低，其石墨片可起到自润滑作用，能降低与凸轮接触时的摩擦系数，适用于中低速、轻中载工况。球墨铸铁QT450、QT600则通过球化处理，力学性能优于灰铸铁，强度与韧性显著提升，经表面淬火处理后，耐磨性进一步增强，可适配中重载工况下的从动件需求。
（二）复合材料
随着材料技术的发展，复合材料因轻量化、自润滑性好、耐磨性优异等特点，逐渐在凸轮机构中得到应用，常用类型包括聚合物基复合材料、金属基复合材料等。 聚合物基复合材料以聚四氟乙烯（PTFE）、聚酰亚胺（PI）等为基体，添加碳纤维、玻璃纤维、石墨等增强相，具备极低的摩擦系数、良好的自润滑性与耐腐蚀性能，即使在无润滑或润滑不良工况下也能稳定工作，且质量轻、减震效果好，适用于高速、轻载、无润滑工况下的从动件。
金属基复合材料以铝合金、铜合金为基体，添加陶瓷颗粒、碳纤维等增强相，兼具金属材料的强度与复合材料的耐磨性，表面硬度高、摩擦系数稳定，可用于中重载、高速工况，但成本相对较高，加工工艺复杂。
三、不同材料配对的摩擦系数与耐久性对比分析
为明确不同材料配对的适配性，通过模拟实际工况开展对比实验，选取钢-铸铁、钢-聚合物基复合材料、合金钢-球墨铸铁、钢-金属基复合材料四种典型配对方案，测试不同负载条件下的摩擦系数变化与耐久性表现，实验结果如下。
（一）钢-铸铁配对（45钢凸轮-HT250铸铁从动件）
该配对为传统经典组合，成本低廉、工艺成熟，适用于中低速、轻中载工况。实验中，在轻载（载荷500N）、转速300r/min条件下，摩擦系数稳定在0.15-0.20，得益于铸铁中石墨片的自润滑作用，磨损速率较低，连续运行1000小时后，凸轮表面磨损量仅为0.02mm，从动件接触面无明显划痕。
当负载提升至1500N（中重载）时，摩擦系数升至0.25-0.30，接触部位发热加剧，石墨片磨损脱落速度加快，连续运行800小时后，凸轮表面出现轻微剥落，从动件接触面磨损量达0.08mm，耐久性明显下降。此外，在无润滑工况下，该配对摩擦系数急剧升高，磨损速率大幅增加，仅运行200小时即出现明显失效迹象，因此需依赖充足润滑维持性能。
（二）钢-聚合物基复合材料配对（45钢凸轮-PTFE基复合材料从动件）
该配对具备优异的自润滑性能，适用于高速、轻载、无润滑或润滑不良工况。实验中，在高速（转速800r/min）、轻载（载荷300N）条件下，摩擦系数稳定在0.05-0.10，远低于钢-铸铁配对，运行过程中发热少，连续运行1200小时后，凸轮与从动件磨损量均小于0.01mm，耐久性表现优异。
但该配对力学性能有限，当负载超过800N时，聚合物基复合材料从动件易发生塑性变形，接触面积增大，摩擦系数波动加剧，连续运行500小时后，从动件表面出现明显磨损沟槽，凸轮表面无显著损伤，因此不适用于重载工况。同时，该材料耐热性较差，环境温度超过120℃时，自润滑性能下降，磨损速率加快，需控制工作环境温度。
（三）合金钢-球墨铸铁配对（20CrMnTi凸轮-QT600从动件）
该配对通过优化材料力学性能，适配中重载、高频冲击工况，是工程机械凸轮机构的优选方案。实验中，在重载（载荷2000N）、转速500r/min条件下，经渗碳淬火处理的20CrMnTi凸轮表面硬度高，QT600球墨铸铁从动件具备良好的强度与耐磨性，摩擦系数稳定在0.18-0.23，连续运行1000小时后，凸轮表面磨损量为0.03mm，从动件接触面磨损均匀，无剥落、裂纹等缺陷。在高频冲击载荷（冲击频率10次/分钟）作用下，该配对能有效吸收冲击能量，凸轮齿根无应力集中现象，从动件接触部位无明显损伤，耐久性与抗冲击性均优于钢-铸铁配对。但该配对成本高于传统组合，且对热处理工艺要求较高，需严格控制渗碳层厚度与硬度分布。
（四）钢-金属基复合材料配对（40Cr凸轮-铝合金陶瓷颗粒增强复合材料从动件）
该配对兼顾强度与耐磨性，适用于高速、中重载工况，在高端设备中应用广泛。实验中，在高速（转速1000r/min）、中载（载荷1200N）条件下，摩擦系数稳定在0.10-0.15，运行过程中磨损均匀，连续运行1100小时后，磨损量均小于0.02mm，耐久性表现良好。
金属基复合材料从动件具备优异的耐热性，环境温度升至150℃时，性能无明显下降，且抗冲击性优于聚合物基复合材料。但该配对成本较高，铝合金陶瓷颗粒增强复合材料加工难度大，批量生产经济性较差，限制了其大规模应用，仅适用于对性能要求极高的高端设备。
四、基于负载条件的材料配对选择建议
结合上述实验分析，外环凸轮与从动件的材料配对需以负载条件为核心，结合转速、温度、润滑情况及经济性需求综合选择，实现性能与成本的平衡。
（一）轻载工况（载荷≤800N）
轻载工况下，优先追求低摩擦系数、低能耗及经济性，可根据转速与润滑条件选择配对方案。中低速（转速≤500r/min）、有润滑工况，推荐钢-铸铁配对（45钢凸轮-HT250铸铁从动件），成本低廉、工艺成熟，能满足日常运行需求；高速（转速＞800r/min）、无润滑或润滑不良工况，推荐钢-聚合物基复合材料配对（45钢凸轮-PTFE基复合材料从动件），自润滑性能优异，磨损小、发热少，可提升机构运行稳定性。同时，若环境温度较高（超过100℃），需替换为耐高温聚合物基复合材料，避免性能下降。
（二）中重载工况（800N＜载荷≤2000N）
中重载工况下，需优先保证材料的强度、耐磨性与抗冲击性，兼顾摩擦系数稳定性。中低速、高频冲击工况，推荐合金钢-球墨铸铁配对（20CrMnTi凸轮-QT600从动件），经合理热处理后，可承受冲击载荷与接触应力，耐久性优异，适用于工程机械、重型设备；高速、中载工况，若预算充足，推荐钢-金属基复合材料配对（40Cr凸轮-铝合金陶瓷颗粒增强复合材料从动件），具备低摩擦、高耐磨、耐高温特性，可提升设备运行效率与使用寿命；若预算有限，可选择钢-铸铁配对的升级方案（45钢凸轮-QT600从动件），通过优化从动件材料，提升耐磨性，适配中重载需求。
（三）重载工况（载荷＞2000N）
重载工况对材料力学性能要求极高，需选择高强度、高耐磨性的配对方案，同时加强润滑与热处理工艺。推荐合金钢-球墨铸铁配对的强化方案（20CrMnTi凸轮经深层渗碳淬火处理-QT600从动件经表面淬火处理），确保凸轮表面硬度与渗碳层厚度，提升从动件强度，同时配备强制润滑系统，降低摩擦系数，减少磨损。若存在极端冲击载荷，可将从动件替换为合金钢材质（如40Cr），采用钢-钢配对，经表面氮化处理后，提升耐磨性与抗冲击性，但需严格控制润滑条件，避免咬合失效。
五、材料配对优化的辅助措施
除合理选择材料配对外，还需通过工艺优化、润滑改进、结构设计调整等辅助措施，进一步提升外环凸轮与从动件的摩擦学性能与耐久性，实现机构整体优化。
（一）优化热处理工艺
对金属材料进行针对性热处理，可显著提升表面硬度与耐磨性，减少磨损。外环凸轮可采用渗碳淬火、表面氮化等工艺，控制渗碳层厚度在0.8-1.5mm，表面硬度达到HRC60以上，同时保证心部韧性；从动件可采用表面淬火、调质处理，提升强度与耐磨性，避免过早失效。此外，需严格控制热处理参数，防止材料变形，保证凸轮轮廓精度与从动件接触平面度。
（二）改进润滑系统
良好的润滑可在凸轮与从动件接触表面形成油膜，降低摩擦系数，减少磨损，延长使用寿命。轻载工况可采用飞溅润滑方式，结构简单、成本低廉；中重载、高速工况需采用强制润滑系统，通过油泵将润滑油精准输送至接触部位，控制润滑油温度与压力，确保油膜稳定。同时，需根据材料配对选择适配的润滑油型号，钢-金属配对可选择极压抗磨液压油，聚合物基复合材料配对需选择与材料相容性好的润滑油，避免腐蚀材料。
（三）优化结构设计
通过结构设计调整，可减少接触应力，提升机构稳定性。合理设计凸轮轮廓曲线，避免接触点应力集中，增加接触面积，降低单位面积压力；从动件接触部位采用弧形设计，替代平面接触，减少磨损；在凸轮与从动件接触部位设置润滑槽，便于润滑油储存与流动，提升润滑效果。此外，可在从动件底部添加弹性缓冲结构，吸收冲击能量，减少冲击载荷对材料的损伤。
六、总结与展望
外环凸轮与从动件的材料配对是影响机构摩擦磨损性能与耐久性的核心因素，不同材料配对的适配工况存在显著差异，需以负载条件为核心，结合转速、温度、润滑情况及经济性综合选择。轻载工况优先选择低成本、高润滑性能的配对方案，中重载工况侧重材料强度与耐磨性，重载冲击工况需优化合金钢与球墨铸铁的组合并加强热处理工艺。
同时，通过优化热处理、改进润滑系统、调整结构设计等辅助措施，可进一步提升配对材料的使用性能，延长机构使用寿命。 未来，随着新材料技术与制造工艺的发展，轻量化、高性能、低成本的复合材料将成为研究热点，通过研发新型增强相复合材料、优化材料配比，可实现材料力学性能与摩擦学性能的协同提升。同时，结合数字化仿真技术，精准模拟不同材料配对在复杂工况下的摩擦磨损规律，可实现材料配对的智能化优化设计，为外环凸轮机构的高效、稳定运行提供更有力的技术支撑，推动机械传动系统向高性能、长寿命、低能耗方向发展。
