某變速箱結(jié)構(gòu)改進(jìn)與加工工藝研究

劉天寓

（1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804；2.上汽通用汽車有限公司，上海 201206）

0 前言

汽車自動(dòng)起停技術(shù)是未來(lái)汽車節(jié)能技術(shù)的主流趨勢(shì)，通用公司擬將自動(dòng)起停技術(shù)運(yùn)用在全新車型中，而采用自動(dòng)起停技術(shù)則需要改進(jìn)設(shè)計(jì)，制造出新一代變速箱。

本文以變速箱產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的變動(dòng)，由此引起的產(chǎn)品線的工藝和設(shè)備改動(dòng)作為研究課題，探討出如何在最短時(shí)間內(nèi)以最小的投入獲得最大的產(chǎn)出。通過(guò)對(duì)變速箱殼體加工線的換型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，從加工工藝、刀具、工裝夾具、產(chǎn)量、工時(shí)平衡率等方面進(jìn)行考量，從而制定新的工藝和工裝夾具，開發(fā)設(shè)計(jì)新型號(hào)變速箱的加工程序，實(shí)現(xiàn)原變速箱與新一代變速箱的柔性化生產(chǎn)線，為產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)共線生產(chǎn)和提高產(chǎn)品線生產(chǎn)效率提供了依據(jù)和參考。

1 某變速箱結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)及工藝分析

1.1 變速箱結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

采用自動(dòng)起停技術(shù)后，衍生出新一代變速箱，與原變速箱相比，主要增加了蓄能器及充液電磁閥。

圖1所示為偏置式雙作用葉片泵。采用偏置式雙作用葉片泵來(lái)取代原內(nèi)嚙合齒輪泵。雙作用葉片泵直徑要比原變速器的內(nèi)嚙合齒輪泵更小。一方面，雙作用葉片泵體積較小，減輕了油泵的質(zhì)量。另一方面，采用的鏈條驅(qū)動(dòng)偏離中心的布置方式，使得油泵的吸油口位置更低，更有利于油泵的吸油。

圖1 偏置式雙作用葉片泵

圖2 （a）為齒輪泵安裝示意圖，圖2（b）為偏置式葉片泵安裝示意圖。變速器殼體及殼體內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了調(diào)整，新型號(hào)變速器的殼體采用了更高效的油位設(shè)計(jì)方案，并優(yōu)化了傳動(dòng)系統(tǒng)布置。

圖2 齒輪泵及偏置式葉片泵安裝位置

離合器摩擦片采用創(chuàng)新性摩擦材料，并采用全新溝槽設(shè)計(jì)，以改善換檔品質(zhì)，新型單向離合器由粉末冶金改為鋁材料。而全鋁殼體設(shè)計(jì)，大大減輕變速箱的質(zhì)量，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量更小，油耗更低。

1.2 某代新型變速箱工藝內(nèi)容的差異

G2和G3變速箱均為鋁合金材質(zhì)，由于結(jié)構(gòu)的變動(dòng)，帶來(lái)了工藝的變化。首先區(qū)分新舊型號(hào)產(chǎn)品間工藝的差異，找出關(guān)鍵的差異點(diǎn)。對(duì)于不同的加工內(nèi)容，需要在原加工程序中進(jìn)行調(diào)整，修改加工程序中的部分參數(shù)及加工位置等數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)比對(duì)，G3變速箱工藝差異如表1所示。

表1 新舊型號(hào)變速箱產(chǎn)品結(jié)構(gòu)差異

2 變速箱生產(chǎn)線的節(jié)拍分析與計(jì)算

2.1 原變速箱工時(shí)平衡率

生產(chǎn)線的節(jié)拍是指連續(xù)完成相同的兩個(gè)產(chǎn)品之間的間隔時(shí)間，生產(chǎn)線中瓶頸時(shí)間被設(shè)定為生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間。計(jì)算公式為

式中，OT是可用工作時(shí)間；D是每天客戶需求的產(chǎn)量。

當(dāng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改變時(shí)，加工工序隨之發(fā)生變化，原先的生產(chǎn)節(jié)拍平衡被打破，需要建立新的生產(chǎn)節(jié)拍平衡，以滿足新的生產(chǎn)需求。

變速箱通過(guò)6臺(tái)加工中心來(lái)完成，前5臺(tái)為粗加工和精加工，最后1臺(tái)則主要滿足光潔度和形位公差要求的高精加工。每臺(tái)加工中心設(shè)備加工節(jié)拍確定了每個(gè)工位完成的工作速率。

新一代變速箱由于結(jié)構(gòu)改動(dòng)需在原生產(chǎn)線上增加加工工序，所以先來(lái)測(cè)算原變速箱工時(shí)，測(cè)得其最小的工序節(jié)拍時(shí)間為工位OP10的201s，最大的工序節(jié)拍時(shí)間為工位OP20的210s。原變速箱工時(shí)節(jié)拍基本平衡，見(jiàn)圖3。

圖3 原型號(hào)變速箱工時(shí)節(jié)拍

考慮到設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)等因素，設(shè)備工作效率設(shè)定為85%，根據(jù)線平均率公式，可得出原變速箱的線平衡率為97.98%，產(chǎn)量為116件。

2.2 新工藝的節(jié)拍計(jì)算

2.2.1 新產(chǎn)品工藝刀具研究

加工中心刀具的節(jié)拍是由換刀時(shí)間和切削時(shí)間組成，換刀時(shí)間取決于刀在刀庫(kù)的位置，一般加工中心的換刀時(shí)間為3～4s左右。

刀具的切削時(shí)間分為快速進(jìn)給時(shí)間和切削進(jìn)給時(shí)間，切削時(shí)間對(duì)節(jié)拍影響最大，合理選擇刀具材料和刀具切削參數(shù)對(duì)提高節(jié)拍來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

鋁合金硅含量不同，所選擇的切削參數(shù)不同，硅含量低，切削速度高。通用的變速箱鋁合金材料硅含量低于7.8，所以刀具可選擇較高的切削速度。

對(duì)于硅＜13%的鋁合金，刀具則在加工精度要求不高時(shí)，選用硬質(zhì)合金鋼和高速鋼。在加工精度要求較高時(shí)，可選用聚晶金剛石刀具（PCD）或金剛石刀具。

當(dāng)切削速度為70～800m／min（小型釬焊刀具取值較小，切削速度為70～230m／min），進(jìn)給量在車削時(shí)為0.05～0.3mm／（r·min）－1，銑削時(shí)為0.05～0.25mm。

PCD刀具切削參數(shù)見(jiàn)表2，金剛石刀具切削參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 PCD刀具切削參數(shù)

表3 金剛石刀具切削參數(shù)

2.2.2 新增工時(shí)計(jì)算

新一代變速箱因結(jié)構(gòu)改動(dòng)需在原生產(chǎn)線上增加加工工序，然而工序增加要考慮生產(chǎn)線平衡問(wèn)題。

為了工序分配合理，先將新增加工內(nèi)容（不包括位置移動(dòng)的孔位）所需的時(shí)間通過(guò)公式計(jì)算出來(lái)，為工序平衡提供依據(jù)。

加工中心生產(chǎn)所需的時(shí)間可采用以下一系列公式進(jìn)行理論計(jì)算

式中：D為刀具直徑，單位mm；Vc為切削線速度，單位m／min；S為主軸速度，單位r／min。

式中：Vf為速度，單位 mm／min；Zn為刀刃數(shù)；Fz為每一刃進(jìn)給量，單位mm／r。

式中：t為金加工時(shí)間（不包括換刀時(shí)間和點(diǎn)位到達(dá)時(shí)間），單位min；l為加工長(zhǎng)度或深度，單位mm。

通過(guò)加工時(shí)間計(jì)算，以及刀具參數(shù)的制定，得出工序增加所需的加工時(shí)間。加工精度要求越高，切屑速度越大，銑削速度一般大于粗精加工。

通過(guò)理論計(jì)算得知E面需增加加工時(shí)間為27.9 s，T面需增加加工時(shí)間為14.1s。

3 改造方案的工時(shí)節(jié)拍平衡

如何通過(guò)合理工位分配來(lái)得到優(yōu)化工時(shí)平衡，消除浪費(fèi)，提高生產(chǎn)效率，以最低的投入，獲得新的變速箱殼體成品，是工藝研究的關(guān)鍵。

工藝方案設(shè)計(jì)原則為：

（1）在原變速箱的工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行更改以形成新一代變速箱的工藝；

（2）合理布局工序，消除等待浪費(fèi)，達(dá)到工時(shí)平衡，與原型號(hào)相比，損失工時(shí)在5%以內(nèi)，即最大工序節(jié)拍時(shí)間不能大于220.5s。

（3）盡可能考慮原有面粗加工和精加工布局，減少加工夾具的改動(dòng)；

（4）在利用現(xiàn)有刀具的同時(shí)，采用組合刀具，提高工時(shí)節(jié)拍。

3.1 新型號(hào)變速箱工序分析

參考原變速箱的加工工時(shí)，原OP10的加工工時(shí)小于OP30的加工工時(shí)，故在分配新加工工藝時(shí)，將占主要時(shí)間的E面加工工序安排在OP10，而將T面的加工工序分配在OP30。

將所需的工時(shí)疊加在原變速箱節(jié)拍上，如圖4。OP10的工時(shí)為228.8s，超出了220.5s的目標(biāo)值。

圖4 新型號(hào)變速箱工時(shí)

線平衡率為

式中：ti為工站i的時(shí)間；S為合計(jì)臺(tái)數(shù)；r為瓶頸工時(shí)。

其中，瓶頸工時(shí)為工位OP10的228.8s。新一代變速箱線平衡率為92.9%。

新一代變速箱加工中心生產(chǎn)線的班產(chǎn)量計(jì)算如下

式中，OT為可用工作時(shí)間；CT為加工節(jié)拍；D為每天客戶需求的產(chǎn)量。

考慮到設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)等取設(shè)備工作效率為85%，通過(guò)上述計(jì)算，得知新一代變速箱的線平衡率為92.9%，班產(chǎn)量為106件。

3.2 解決工序不平衡問(wèn)題

由圖5可知，加入新工藝后的OP10節(jié)拍超出了規(guī)定的目標(biāo)節(jié)拍，影響了整線的上料節(jié)拍，需要縮短OP10工位的節(jié)拍，才能提高整線平衡率，故需要優(yōu)化OP10的工序。

對(duì)于定位銷孔M1和M2，原加工工藝采用兩次加工，不僅增加換刀工序，而且多次換刀也易影響加工精度。現(xiàn)可采用復(fù)合性刀具代替普通的單一性刀具，在一次換刀加工中完成相同工序內(nèi)容，從而縮短加工和輔助時(shí)間，平衡工時(shí)節(jié)拍。

原先鉆孔時(shí)間為20.5s，鉸孔時(shí)間為11.4s，合計(jì)時(shí)間為31.9s。若采用復(fù)合鉆／鉸刀進(jìn)行一次性加工，只需要10.9s，可以提升理論節(jié)拍時(shí)間21s，也就是說(shuō)OP10的節(jié)拍時(shí)間從原來(lái)的228.8s減少到207.8s。

將所需的工時(shí)重新在原變速箱節(jié)拍上進(jìn)行疊加，形成了新型號(hào)變速箱的工位節(jié)拍圖（圖5）。

圖5 新型號(hào)變速箱調(diào)整后工時(shí)

改進(jìn)后OP10的工序時(shí)間已不是瓶頸口，最大的工序時(shí)間來(lái)自于OP30，OP30的工序時(shí)間為220.4s。

線平衡率為

式中，ti為工站i時(shí)間；S為合計(jì)臺(tái)數(shù)；r為瓶頸工時(shí)。

新一代變速箱線平衡率為95%，加工中心生產(chǎn)線的班產(chǎn)量為111件。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的新一代變速箱線最大工序工時(shí)為220.4s，小于220.5s的目標(biāo)值。新一代變速箱線的平衡率由原來(lái)的92.9%提升至95%，生產(chǎn)線的班產(chǎn)量從106件提升到111件。

4 柔性化改造方案的實(shí)施

4.1 加工程序的編制與調(diào)試

加入新工藝后的OP10節(jié)拍超出了規(guī)定的目標(biāo)節(jié)拍，影響了整線的上料節(jié)拍，需要縮短OP10工位的節(jié)拍，才有可能恢復(fù)原有的整線平衡狀態(tài)。故需要對(duì)OP10的加工進(jìn)行優(yōu)化。

對(duì)于定位銷孔M1和M2，原G2加工程序中，分別使用TC01004和TC01005兩把鉆進(jìn)行加工。現(xiàn)考慮到OP10節(jié)拍緊張，設(shè)計(jì)成PCD粗精一體復(fù)合刀具。TC1024加工全部采用G3型號(hào)M1／M3孔。將復(fù)合性刀具替代普通的單一性刀具，在一次換刀加工中完成相同工序內(nèi)容，從而使機(jī)動(dòng)時(shí)間和輔助時(shí)間縮短，提高生產(chǎn)效率，平衡工時(shí)節(jié)拍。G3加工程序（M1／M2）采用復(fù)合性新刀TC1024。

4.2 加工中心夾具研究及改造方案

加工中心夾具劃分為粗加工夾具、半精加工夾具和精加工夾具等幾種類型。

對(duì)于此次夾具改造，由于G2與G3變速箱結(jié)構(gòu)接近，就新一代變速箱而言，基準(zhǔn)無(wú)變化，故原先的基準(zhǔn)孔、基準(zhǔn)面等不做調(diào)整，只需對(duì)加工時(shí)的干涉部分進(jìn)行更改。

由于G3系列變速箱有多款型號(hào)需要同時(shí)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)各種型號(hào)工件的柔性生產(chǎn)就必須對(duì)夾具提出兼容性的要求。就毛坯尺寸方面，與原變速箱相比，新一代變速箱增加了B、S等面的厚度。因此，需要對(duì)原設(shè)備夾具裝置的干涉部分進(jìn)行線切割或打磨。對(duì)于部分行程有限的夾緊油缸，無(wú)法滿足新型號(hào)變速箱的夾緊要求，所以需要更換更大行程的夾緊油缸。

5 結(jié)語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)多品種共線生產(chǎn)，加工中心生產(chǎn)線只要提高設(shè)備的柔性化程度，采用柔性化的夾具和刀具，不用添加新的設(shè)備，完全能達(dá)到混線生產(chǎn)的目的。

結(jié)合設(shè)備的夾具、刀具參數(shù)等約束信息，合理規(guī)劃新型號(hào)變速箱的工藝，通過(guò)工序的重新合理分配，獲得新的工藝流程和工序。

通過(guò)工藝手段消除等待浪費(fèi)，達(dá)到工時(shí)平衡對(duì)柔性加工線來(lái)說(shuō)尤為重要，這關(guān)系到產(chǎn)品的產(chǎn)量和生產(chǎn)效率。復(fù)合刀具以及刀具材料的選用可以有效地減少加工時(shí)間。PCD刀具用于鋁合金殼體的加工，由于其高硬度、耐磨性能和較高的切削速度，提高了生產(chǎn)效率。