太陽輪總成面輪廓度工藝的探討

朱海明

(上海汽車變速器有限公司，上海 201807)

1 太陽輪總成面輪廓度

文中所述太陽輪總成，為某9速自動變速器核心零部件，如圖1、圖2所示。0.32mm是輪轂花鍵面到C基準面的理想距離，要求面輪廓度<0.25mm。

圖1 太陽輪總成尺寸圖

圖2 輪轂

1.1 面輪廓度概念

根據我國GB/T標準，面輪廓度即公差帶是包絡一系列直徑為公差值t的球的兩包絡面之間的區域，諸球的球心必須位于具有理論正確幾何形狀的面上，面輪廓公差帶對稱于理想輪廓面[1]，如圖3(a)所示。美國GM-04標準，用符號表示公差帶不對稱于理想輪廓的分布，后為要素體外的尺寸[2]，見圖3(b)、圖3(c)。

圖3 面輪廓度

對于本文太陽輪總成面輪廓度要求，主要是約束花鍵面的范圍，可理解為花鍵面必須在距離C基準面(0.32±0.125)mm高度范圍內。

1.2 太陽輪總成工藝過程

太陽輪總成工藝過程為壓入齒輪—激光焊接—壓入襯套—硬車C基準面、外圈及內孔—硬車另一面。其中壓、焊和硬車第一面加工基準均為齒輪端面A。

激光焊接是“法孚”進口設備，分兩個工位，壓配完成后，機械手自動抓取至焊接工位焊接，激光器是羅芬CO2激光器。圖4是壓配工位示意圖，采用中間定位壓配方式。

圖4 太陽輪總成壓配工裝

硬車第一面設備為村田車床，節圓夾具。硬車加工會產生一定的切削應力[3]，使輪轂花鍵面高度增減，影響面輪廊度。圖5為兩道硬車示意圖。

圖5 硬車示意圖

2 運用尺寸鏈分析工藝過程關鍵尺寸

2.1 尺寸鏈概念

尺寸鏈是在裝配或零件加工過程中，由相互連接的尺寸形成封閉的尺寸組。列入尺寸鏈中的每一個尺寸稱為環，尺寸鏈中在裝配或加工過程最后形成的一環即為封閉環[4]。組成環的任何一個尺寸變動，必然引起封閉環的變動。計算時，L表示基本尺寸，T表示公差，TL為極限公差，Ts為統計公差。

2.2 面輪廓度尺寸鏈

從以上工藝過程可知，面輪廓度是通過尺寸鏈保證的，為間接尺寸。圖6為尺寸鏈示意圖，由5個環組成，其中L1是硬車C基準高度，L2是齒輪高度，L3是輪轂硬車壓配面到花鍵面距離，L4是壓配高度，L5是硬車變形量，其包含平行、垂直等幾何公差。由于具有幾何公差的擬合要素的變化范圍是在幾何公差的范圍之內，所以，作為尺寸鏈的一環，它可看作基本尺寸為0(或趨近于0)的一個尺寸鏈的環[5]，即L5=0。

分析5個組成環，L1、L2、L4公差可控，尺寸穩定。L3和L5變動量較大。

圖6 尺寸鏈1

2.3 通過尺寸鏈校核L3、L5公差帶

下面通過尺寸鏈，簡單校核L3、L5允許的公差范圍。封閉環的基本尺寸等于所有增環基本尺寸之和減去所有減環基本尺寸之和[6]，即：L0=L2+L3+L4+L5-L1，其中封閉環L0=0.32，各組成環中，L1=25.85，L2=22，L3=4.17，L4=0，L5=0。

一般工藝尺寸鏈采用極值公差公式計算，封閉環公差T0=0.25，而T1=0.06，T2=0.04，T4=0.08，ξ2=ξ3=ξ4=ξ5=1,ξ1=-1。可知：

0.04+T3+0.08+T5=T0=0.25

可得出T3+T5=0.07。

實際生產過程中，L3和L5變差總量在0.4左右 ，從而引起輪廓度超差。

3 工藝改進措施

3.1 改進優化壓配工裝

1) 確定優化壓配工裝方案

深入分析Fives壓配工位工作原理，可將上壓頭由整體式中間壓配分為兩部分：中間壓配，外圈定位面，如圖7所示。定位壓頭直接定位在花鍵面，高度可以直接控制，在計算尺寸鏈時，可以減少環L2、L3、L4。

圖7 改進后工裝圖

在設計外圈定位壓頭工裝時，采用三點定位，這樣最接近花鍵面實際中心面。另外，三點定位面做了較大的倒角，避免壓到細屑或毛刺，影響定位。中間壓頭沿用原來結構，安裝固定在中間副滑臺上，壓頭工裝見圖8、圖9。

圖8 外圈定位工裝

圖9 中間壓配工裝1

2) 優化后壓配過程

圖10是壓配工位上半部分結構。主要特點是壓配滑臺由主滑臺和副滑臺組成，當兩個滑臺達到要求高度差時，由氣壓驅動的制動裝置會啟動，使兩個滑臺位置鎖定，成為一個整體下壓。這樣，內、外壓頭分別安裝于兩個滑臺上，可以實現中間壓配、外圈定位方案。

圖10 壓機上部結構

圖11為壓機下半部分結構。最上面是輪轂粗定心裝置；下面是放置輪轂的平衡臺，有彈簧支撐，可以下降，使輪轂壓入齒輪；彈簧下面是位置探測器，可使氣壓鎖緊裝置啟動。齒輪放置在定心座上，其中間孔與上壓頭定心軸配合，可以精確定心。中間是光柵尺，可以精確控制下壓高度。

圖11 壓機下部結構

以上結構可使內、外兩個壓頭高度差浮動，大大增加輪轂尺寸容錯能力。

3) 進一步優化工裝

增加外圈定位后，幾次試驗不穩定。經分析，壓頭內圈有三等分凸臺結構，是防止齒輪混料的防錯裝置。在壓配時，由于孔徑有過盈量，壓配面會產生微小切邊拉絲，下壓時，凸臺會被壓到。由于受力不均，使輪轂產生傾斜，或者壓不到位，影響高度。經討論，在中間壓頭增加一個容屑槽，如圖12所示，既避免了切邊的影響，又保留原來功能。齒輪定心座避免壓到毛刺翻邊，也做了優化，如圖13所示。

圖12 中間壓配工裝2

圖13 齒輪定心座

優化后經驗證，焊接后高度變動量從原來的0.4mm穩定在0.19mm左右。經批量生產驗證，高度穩定性有明顯提高。

3.2 摸索硬車變形量規律并補償

對于硬車變形量，通過尋找變形規律，并在壓焊工序中補償這些變形量，從而達到面輪廓度的控制要求。應力變形與加工方式有很大關系，選取合適的切削參數可以降低硬車時的切削應力[3]。

經多次跟蹤試驗，每批次50～100件左右，確定硬車后26.17的平均變形量Δh波動范圍，見表1。綜合數據，平均變動量在-0.021 5mm～0.055 5mm，即(0.017±0.038 5)mm。可見，焊接后尺寸需要補償這些變形量，中間值要控制在26.153mm。

表1 硬車變形量 單位：mm

3.3 優化后尺寸鏈分析

上壓頭工裝更改后，可使L2、L3和L4合并為一個環，可記為L234，L234=26.153；L5為硬車變形量，即L5=0.017；T5=0.077；T0、T1不變，如圖14所示。尺寸鏈可表示為：

L0=L234+L5-L1

T0=0.25

T234=0.113

圖14 尺寸鏈2

兩種結果對比，后一種公差寬裕了很多，但從幾次試驗得出T234為0.19來說仍然不夠。

如果采用統計公差公式計算，大批量生產條件下，在穩定工藝過程中，工件尺寸趨近正態分布，相對分布系數k=1，而平行、垂直誤差趨近偏態分布，取k=1.17[4]。對于本例，有k0=1，壓焊高度和硬車變形與形狀誤差有關，可取k234=k5=1.17，T0=0.25，T1=0.06；硬車變形量由于變動量較大，可取T5=0.08，T234=0.19，則有:

極值法公差公式計算，得到各組成環公差最小，可保證產品100%互換。用統計公差公式計算，各組成環按正態分布，同樣封閉環也符合正態分布。由概率論理論可知，合格產品實際尺寸處于[USL，LSL]的尺寸區間內，且在正態分布中，實際尺寸落在[μ-3σ，μ+3σ]區間的概率為99.73%[6]。按以上結果，仍會有大約0.27%的產品超出要求。

綜上所述，面輪廓度0.25公差分配到焊接、硬車變形量等不確定變量上，大批量生產時很難達到100%合格，需要在各個環節嚴格控制，實現精細化生產，目前合格率在99.8%左右；另一方面，從裝配使用方面分析，面輪廓度設計要求可適當放寬至0.35左右，這樣可有效降低成本，利于大批量生產。

4 結語

本文通過尺寸鏈分析工藝尺寸，大膽改造進口設備的工裝結構，使之達到制造工藝要求，給出了某型9速自動變速器太陽輪總成面輪廓度有效的工藝方案，有效提升了產品質量，順利實現國產化，并對同類產品有一定借鑒意義。