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高精度重载变速箱输出轴加工工艺

作者:秩名     时间:2020-11-20 13:52     已有 人浏览
        变速箱行星输出轴即通常所说的行星架,属于旋转体结构,为变速箱关键零件,承担安装行星齿轮和太阳轮的作用,承受大扭矩载荷和高转速,一般选择铸钢或球墨铸铁材质,对其几何精度和位置精度要求非常高。如图1所示为国外某重载变速箱输出轴的典型结构。
 
     
零件配套于从国外引进的某14挡变速箱,成品质量22kg,共200多个产品特性,相对国内变速箱输出轴,该零件的尺寸精度高,重要项有15项,其中6级精度尺寸有4项,5级精度尺寸有6项,如行星孔位置度国内一般为0.1mm,该产品要求0.04mm。
 
1. 重要加工要素分析
输出轴重要加工特性集中在轴承支承处和行星齿轮轴支承处。
(1)轴承支承处 与轴承内圈配合的外圆轴颈、连接传动齿圈的各花键齿,用于确定轴的位置并支承轴,尺寸精度通常为IT5~IT7。这些部位的几何形状特性主要包括圆度、圆柱度和齿形齿向要求,相互位置特性包括同轴度、圆的径向跳动、重要端面对轴心线的垂直度、端面间的平行度和轮廓度等,以保证装配接触面积可以有效地承担动载荷的要求,满足高速运转后的动平衡指标。
(2)行星齿轮轴支承处如图2所示,本文所述输出轴有5个行星齿轮安装孔,该处是影响整体传动精度、变速箱噪声值的重要部位,主要特性包括齿轮安装孔的孔径,孔与基准的位置度,安装孔的中心线与零件的中心线,孔直线度,孔的两端有倒角、沉孔结构,安装孔相对G基准(铸造行星窗)的位置度。
 
 
2. 空间基准的构成及基准的选择
 
输出轴在变速箱中属于空间旋转轴,所以产品的主基准设定在由5个行星孔构建的中心与远端轴承安装轴的中心构成的虚拟连线,该设计基准即为装配基准,加工时很难直接应用。该产品加工时基准和产品装配基准如何有效地转换利用,减少定位误差,是工艺设计中的关键。
(1)初基准选择 该输出轴产品提出了50mg的静不平衡要求,加工成形件存在铸态部位,其中5个行星齿轮安装孔相对G基准(铸态行星窗口)有0.5mm的位置度,这对毛坯的初定位提出了较高的要求。根据分析,该产品影响静不平衡的主要部位为端部非对称部位,5个孔部位相关铸件平面的轴、径向尺寸误差的控制可靠性是判断初基准选择合适与否的标准,该产品中,需要考虑产品铸造分型的特点,在车削的粗加工工序中,选择了距离行星孔最近的外圆、端面和距离其最远的轴端中心孔为初基准,在孔系加工中,选择铸态行星窗的中轴为初基准(见图2)。
(2)精基准选择 一般精基准选择要符合基准重合、统一原则,尽可能选设计基准或装配基准作为定位基准;尽可能在多数工序中用同一个定位基准;选择精度高、安装稳定可靠表面为精基准。由于该产品的设计基准为一条空间连线,在实际加工中是无法用于定位的,在加工中选择了一个具有足够刚性且利于定位的转换基准,即行星窗端部的局部外圆和轴承安装端的中心孔。
3. 产品结构及工艺系统对加工精度的影响
(1)外圆特性对车削工艺系统的精度要求 因该输出轴属于较重零件,零件自身在未成形前的不平衡量、工艺系统的刚性对精度的影响都很大,需关注零件的粗精加工分序、工艺系统的相关特性。
(2)加工孔系设备精度对孔系位置度的影响 如图3所示,孔系关键特性5个行星孔对中轴线及相互位置度的要求为0.04mm。当机床几何轴X、Y轴移动时,5个孔中心半径90mm实际增加或减少为:R=SQRT(X2+Y2)。计算中,假设72°圆心角不变。
 
 
   孔位置变化引起的孔中心距L变化:△L=2(R+△R)sin72°/2-L=2×(90+0.014)sin36°-105.80=105.817-105.80=0.017(mm)。
 
 3.孔间距的变化影响行星齿轮的啮合状态,影响传动平稳性。
 
当5个行星安装孔圆心角72°的实际角度增加或减少,则5个中心孔中心距相应变化量△L=2Rsin(θ/2+△θ)-L。如果5个孔的圆心相位角变化±0.1°时,半径为90mm,中心距变化:2×90sin(72°/2+0.1°)-105.8=0.255(mm)。
   根据汽车零部件产品工序能力Ppk1.33的要求,对机床的定位精度及重复定位精度提出的要求为其公差范围的1/3,这样锁定了孔系加工设备的精度主要参数要求,同时根据中心距对相位角变化和尺寸直角坐标变化的不同敏感程度,给孔加工方法选取提供了方向。
   (3)铸件铸造特性对精度的影响 该产品材料为QT600-5铸件结构,铸件应力残余往往是这类高精度产品加工不可忽视的影响因素,该输出轴最大外形尺寸250mm×360mm,毛坯形态质量28kg,局部截面变化较大,尤其是5个行星窗处,由于铸造凝固过程中内外部冷却不均匀而产生较大的残余应力,受制造成本影响,铸件没有采取铸后去应力措施,这些残余应力必然在加工过程中逐渐释放出来,如果工艺设计不当,会使铸造特性在加工后发生改变,影响加工精度,需关注加工中切削热的有效利用及粗精加工的尺寸分配。
   (4)刀具系统特性对精度的影响 该产品加工工艺主要包含车削、铣削、镗削、滚齿和插齿等,由于产品为球墨铸铁,切削性能尚可,在刀具的选择上重点关注加工精度和加工效率的保证,其中孔系加工的难度较大,精镗孔的镗杆刀具对底孔预加工质量比较敏感,机床X、Y轴重复定位误差的累积,精加工的孔与原半精加工孔的同轴度误差及余量分配,都需要在孔系加工中给予关注。
   (5)夹具系统特性对精度的影响 夹具是确保产品高精度的关键,夹具的基准选择、夹具定位及重复定位精度以及夹紧力是夹具设计的几个关键点。该产品在设计定位装置时,要关注产品基准与设备轴线的关系;在设计夹紧装置时,要关注可靠性,这里的可靠性要兼顾克服加工过程的切削力和大转动惯量时必要的安全自锁,同时避免夹紧变形,不影响产品的精加工质量。该产品涉及粗车夹具,精车夹具,加工中心铣削、滚削夹具,插齿加工夹具,动平衡加工夹具以及清洗夹具,根据其加工特点,均遵循以上原则,有各自不同的设计要点。

4. 加工工艺路线分析
 
   在以上产品结构及重要加工要素分析完后,对制定工艺流程有了基本的依据,重载输出轴这类结构,常规加工方法按照基准先行、先粗后精和先主后次的原则,一般通过十余工序完成加工:10粗车轴承安装端端面外圆中心孔→20调头粗车行星窗端部端面→30半精车内孔并钻油孔→40去应力处理→50精车轴承安装端端面、外圆→60粗、半精镗5个齿轮孔,铣面倒角→70精镗5个齿轮孔,铣面倒角→80滚齿→90插齿→100齿倒角→110钻侧油孔→120动平衡检测去重→130打印标识→140零件光整去毛刺→150零件清洗、防锈包装。该流程工序节拍分布不均衡,生产组织不精益。
随着多轴智能加工设备和组合机床的发展,集成工艺在汽车零件加工中的应用越来越广泛,但多轴智能加工设备的单序节拍很长,主要是较大数量的工步间刀具更换时间和各空间转位这些对于切削来说的无效时间过长,如现在国外主流设备切屑对切屑的换刀时间为2s,国内达到了6s以下;组合机床的柔性较差,投资大,需要较大的产能匹配来降低投资风险。这两种工艺对于预计单线年产6万辆的中等产量无疑是不适合的。
   根据该输出轴的特点,结合现装备特点,选择性价比更高、具有足够柔性的工艺方案:OP10粗车行星窗端部外圆、钻内孔→OP20粗车轴承安装端端面→OP30打加工流水号标记→OP40精车轴承安装端端面、外圆,车槽,钻油孔→OP50粗、半精镗5个齿轮孔,铣面倒角,精镗5个齿轮安装孔→OP60滚齿、齿端倒角→OP70插齿→OP80动平衡检测去重→OP90去毛刺清洗包装。
该工艺设计比传统工艺减少了6道工序,且相对集成工艺效率更高,投资收益性更好。生产线局部如图4所示。
 
 
5. 主要工艺及控制要点
 
(1)车削工序的工艺要点分析 工序内容:外圆及端面(含外螺纹、内螺纹孔)、侧面油孔及孔口倒圆角。加工零件主要质量指标要求:外径φD+0.013 -0.013mm、圆度0.007mm;各台阶外圆的同轴度要求0.013mm,φD对B基准跳动<0.01mm,对B面的垂直度0.02mm(300mm)。
(2)加工方案选择 该产品轴承安装外径尺寸和形位公差要求都很高,传统工艺一般采用磨削加工,随着高刚性精密数控车床技术的发展,以车代磨技术已经有较广泛的运用,采用以车代磨工艺,具有设备投资少、维护费用低、加工效率高以及更加环保的优点,但相对设备精度及整个切削系统,包括对夹具和刀具的设计提出了更高的要求,为提高车削系统刚性,在基准选择和装夹方式上采取了一定的措施。
(3)粗、精加工基准及装夹方式的选择 如前所述,粗、精车形成了后序的加工基准,该工序的加工基准选择行星孔端面的最大外径和安装轴承端的轴中心,两个最远端形成的轴线,减少了误差放大的风险。
装夹方式:在高速、大用量切削时,一般采用卡顶法,尾座顶尖采用弹性顶尖,但是,由于顶尖弹性的限制,顶紧力不是很大,有使工件脱离顶尖的危险。本产品采用卡拉式装夹方法,如图5所示,采用后拉式液压卡盘加中心顶尖,可确保零件的定位端面与卡盘紧贴,兼顾定位精度和切削时的系统刚性。
 
 
  精车加工较重的工件时,关键是减少零件转动时的振动,而中心孔定位会造成装夹不稳,切削用量也不能太大,在精车时采用最大外圆(所有后序的转换定位基准)和中心孔为定位基准,同时对中心孔精度提出了特别要求,采用小尺寸中心孔B-3,以提高后序精加工设备尾座顶尖和其的接触面积,减少加工中的振动,然后采用弹性辅助跟刀架支撑加工(见图6)。采用跟刀架能抵消加工时径向切削分力的影响,从而减少切削振动和工件变形。
 
 
零件加工工步:采用φC外圆大端面定位,中间需中心架支撑后外圆夹紧。先加工小端的端面及内孔、内螺纹;后尾架顶尖定位支撑,中心架撤离,加工零件所有外圆及大端面。
 
 
(4)工艺设备特点 加工该类重型零件,要求机床拥有极佳的重载切削能力和很高的材料去除率。结合产品特性及工序能力要求,相关的主要设备特性有各坐标轴的精度(定位精度、重复定位精度)、主轴精度(包括跳动、角向定位精度),对精加工设备提出了X、Z向定位精度0.007mm,重复定位精度0.003mm的要求,X轴和Z轴均配备光栅尺,为闭环控制系统。主轴冷却系统是保证尺寸热稳定性的有效措施,在动态精度验收中均需进行确认。
 
工装调整精度要求:定位端面跳动≤0.01mm;夹持标准件检测端面和外圆跳动均≤0.01mm,夹具具有端面定位可靠性气检装置。
(5)创新点 ①对集成工艺的运用,有效兼顾投资及工序节拍。对部分非关键特性,装夹时间大于加工时间的部位,尽量考虑采用集成工艺,如该产品精车削工序通过在数控电动转塔刀架(带内冷)上增加2个动力头,实现一次装夹完成对油孔及其孔口的R圆角、去毛刺实现集成加工,减少了一台钻孔设备的投入,有效地实现了油孔加工的防错,同时也降低了制造成本。②具有极高经济性的线边检测及反馈系统:设备可根据线边电子量仪检测反馈的结果自动进行控制区间的补偿,结合设备的CMK能力,选择了不占用加工节拍的方案,通过设定一个内部调整控制限,线边测量+边界反馈+自动调整,有效保证了产品稳定的工序能力,相对在线测量技术是一种更加经济的方案。③内应力改善:粗加工时采用干式大走刀切削,切削热帮助释放铸件内应力,精加工机床采用大流量喷水,以减少切削热对尺寸的影响。④精度及结构强化:圆角处车削加工采用具有一定负后角的刀具,在切削过程中,对截面圆角过渡处进行一定的挤压成形,对该处实际产生了一定的压应力,从而形成了强化层,提高了输出轴20%左右的疲劳强度。⑤后序基准的可靠建立:精车加工同时产生了后序铣削、滚齿、插齿及动平衡等加工的定位基准,除产品图样要求外,在工序安排中,同时对φC对右侧内R顶尖孔与C的同轴度及其自身圆度提出工艺要求,符合同轴度0.016mm和圆度0.006mm的要求,以确保转换基准的可靠。
 
6. 铣削及镗削工艺要点
 
铣削及镗削工序形成了产品各装配孔系,是影响变速箱传动精度、噪声等的关键因素。
输出轴产品孔系的主要质量指标要求如图7所示。其中D基准为图3中5个行星孔构建的中心,F基准为φD(轴承安装轴)的中心,G基准为5个铸造行星窗口。
 
 
      5个行星孔的形位要求是输出轴产品关键特性,其中孔平行度、直线度要求都包含在位置度综合评价中,要关注这两项的公差控制对位置度的影响。孔直线度、位置度包含最大实体原则,要充分考虑提高孔径的工序能力以提高位置度的保证能力。
  (1)粗、精加工基准及装夹方式的选择 对初基准及产品检测基准运用要点:零件以B基准面的相对面端面定位,与φD同时加工的外圆初定心;角度定位后上端面压紧;探针测头用φC外圆找正定心后加工。
装夹要求:零件采用自定心夹紧,立式定位,具有对φC外圆中心找正的功能。程序具有自动设定基准的功能。零件定位带角向预检或预定位。
  (2)工艺设备及工装特点 在设备配置中,分别对卧加和立加工艺进行了工艺分析对比,卧加具有较好的排屑性,可自由地实现5轴联动加工,具有上料空间大、刚性更好等特点。目前较多企业选择双工作台卧加设备,该产品在国外生产线采用多工位专用设备,这两种方案的投资都非常大。分析该零件长径比>1,同时考虑到该产品的质量较重,为合理利用该重心可靠性及基准,兼顾投资收益,选择立式加工中心及一体化特殊刀具实现了产品加工(见图8)。
 
 
1)设备精度特点。基于前面对产品误差的分析,对相关设备参数明确定义:X/Y/Z轴定位精度≤0.007mm;X/Y/Z轴重复精度≤0.003mm。除对设备静态精度要求外,特别在动态精度验收环节关注加工热对设备精度的影响,以考量设备主轴冷却性能、丝杠热精度保持等,将孔径、孔位置度、平行度作为验收设备CMK的参考指标,使主轴和丝杠刚性可以得到综合考量。
2)设备配置特点。在标准设备配置基础上,选择大直径双接触式主轴(BBT50主轴或HSK100),加强机床的主轴刚性,同时要求主轴采用内冷结构以提高长期工作的稳定性,具有热补偿功能;机床配自动找正装置,具备零件外圆及角向找正功能。
3)工装特点。工装调整精度:定位端面跳动≤0.008mm;夹紧套配有检测用标准件,夹持标准件检测端面和外圆跳动均≤0.005mm。
(3)工艺创新点 ①夹具采用双工位液压夹具,端面定位配三点式气检,确保零件定位可靠。同时夹具定位面上有两个吹气装置,保证定位面的清洁,使得跳动等特性得到可靠保证。②精加工时的压紧变形和释放前序的应力变形是精加工阶段需要关注的细节。在粗加工时需要较大的压紧力以提高切削效率,而在精加工时的夹紧力除了提供必要的夹持外,还要选择合理的压紧点以及减小变形,因此,采用二次夹紧解决应力释放问题。粗加工前用寻边器对零件定位圆进行找正,精加工前对零件的夹紧进行一次释放再重新压紧,对定位圆进行二次找正,对压紧力的变化要求在程序控制中得到有效的实施。③高刚性镗刀及大量复合刀具的运用是控制质量和效率的关键。
在以上措施实施后,该输出轴精度要求较高的几个关键特性,如5个行星轮安装孔位置度0.04mm(Ppk=2.34)、孔径φDJS7(Ppk=2.05),平行度0.02mm(Ppk=1.83)等的工序能力Ppk达到了目标要求(见图9、图10)。
 
 
7. 结语
 
围绕高精度重型变速箱输出轴的结构特点,展开对其主要加工工艺的研究,有效地解决了产品加工的可靠性问题,同时,产品线的投资经济性远高于同产品的国外生产线。在汽车零件的工艺设计中,需要多种基础知识支撑,辅以大量严谨的工艺试验来验证工艺可靠性,同时也必须兼顾工艺的经济性,才能确保产品的QCD(质量、成本和交付)优势。

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