車削汽車變速器齒輪軸問(wèn)題分析與解決

潘藝友

沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司沈陽(yáng)第一機(jī)床廠 遼寧沈陽(yáng) 110042

1 序言

變速器是汽車的核心部件，有著舉足輕重的地位。汽車制造商投入大量的人力、物力和財(cái)力對(duì)其進(jìn)行研發(fā)，對(duì)其部件的制造也不斷提出更高的要求，對(duì)機(jī)床的加工性能、效率和穩(wěn)定性等也提出了更高的挑戰(zhàn)。德國(guó)某客戶訂購(gòu)我廠數(shù)控車床用于加工變速器齒輪軸，對(duì)于零件重要尺寸要求連續(xù)抽取60件樣本（一般標(biāo)準(zhǔn)抽取樣本數(shù)量為50件）進(jìn)行檢測(cè)，并且機(jī)床加工采用自動(dòng)生產(chǎn)線上下料方式，在不進(jìn)行人工干預(yù)調(diào)整的情況下，連續(xù)加工使得Cmk≥1.67，或Cm≥2。車削范圍是除兩端面及端面孔外的所有尺寸。

2 零件結(jié)構(gòu)及尺寸

圖1為客戶提供的零件圖樣，重要尺寸分為徑向和軸向。源于車削工序的特點(diǎn)，若X軸尺寸出現(xiàn)誤差，則反映到徑向誤差就會(huì)加倍。本文重點(diǎn)討論徑向尺寸加工時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題和解決方法。

圖1 零件圖樣

3 加工設(shè)備及檢測(cè)需求分析

為滿足客戶要求，從人、機(jī)器設(shè)備、材料、方法、環(huán)境和測(cè)量六個(gè)角度進(jìn)行考慮。

（1）機(jī)床精度 針對(duì)該項(xiàng)目，我廠從加工到裝配對(duì)零件的精度提高了30%，出廠檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)標(biāo)基礎(chǔ)上再次提高60%左右。

（2）夾具精度及毛坯一致性 若夾具裝夾及定位方式出現(xiàn)誤差，則該項(xiàng)目就無(wú)法完成。同時(shí)由于客戶對(duì)毛坯也有Cmk要求，所以要考慮毛坯一致性問(wèn)題。加工后的毛坯應(yīng)力已得到釋放，對(duì)毛坯進(jìn)行小批量檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)一致性較好，對(duì)加工的影響相對(duì)不大。

（3）刀具 整個(gè)切削過(guò)程要求采用空氣冷卻?？紤]到加工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)刀具磨損，必須做出分析應(yīng)對(duì)。

（4）檢測(cè) 由于對(duì)加工后的零件進(jìn)行測(cè)量需考慮測(cè)量環(huán)境及人為因素等，故加工后的零件必須放在恒溫室20℃靜置24h以上，然后安排專人采用專業(yè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。

4 夾具選型

該零件除倒角及工藝槽外，要求所有外圓相對(duì)兩端頂尖孔（A、B基準(zhǔn)）的徑向圓跳動(dòng)在φ0.02mm以內(nèi)，所以最后一個(gè)工序采用常規(guī)液壓卡盤進(jìn)行二次裝夾的方式不能滿足要求?？紤]了三種方案，具體分析如下。

（1）方案一 前兩個(gè)工序粗車采用一夾一頂?shù)难b夾方式，最后一個(gè)工序采用兩頂尖方式進(jìn)行車削在理論上是可行的，但是若采用常規(guī)液壓卡盤進(jìn)行裝夾，由于剛性定位形式及毛坯料差異等原因，零件既受卡盤夾緊力，同時(shí)又受尾座頂緊力的作用，導(dǎo)致零件軸線和母線產(chǎn)生彎曲，使得第二次裝夾因零件變形而產(chǎn)生定位不同心的情況，且加工過(guò)程中易產(chǎn)生振動(dòng)，故該方案不可取。

（2）方案二 既然剛性定位方式不可取，則在裝夾方式不變的前提下，可采用頂尖浮動(dòng)卡盤及后拉卡盤進(jìn)行粗車，雙頂尖方式進(jìn)行精車。這兩種卡盤均為補(bǔ)償式卡盤，頂尖做定心，卡爪浮動(dòng)夾緊，能對(duì)尾座產(chǎn)生頂緊力而發(fā)生的偏移做一定的“糾正”，彌補(bǔ)了因剛性定位方式導(dǎo)致零件產(chǎn)生變形的不足。該方案雖然解決了裝夾問(wèn)題，但是由于客戶對(duì)零件加工節(jié)拍和機(jī)床數(shù)量不滿意，故不采納。

（3）方案三 要解決節(jié)拍問(wèn)題，就要考慮減少因多次裝夾而產(chǎn)生的用時(shí)問(wèn)題。采用頂尖驅(qū)動(dòng)卡盤可將傳統(tǒng)加工的三道工序合并為一道工序。

頂尖驅(qū)動(dòng)卡盤是在原補(bǔ)償卡盤的基礎(chǔ)上增加驅(qū)動(dòng)頂尖，在一道工序中既能滿足去除工件大余量的半精加工，也可滿足雙頂方式的精加工。配備的液壓缸采用雙活塞動(dòng)作及雙拉桿形式。當(dāng)進(jìn)行半精加工時(shí)，頂尖定心同時(shí)浮動(dòng)夾緊工件，此時(shí)卡盤有較大的夾緊力，能進(jìn)行大吃刀量車削；當(dāng)進(jìn)行精加工時(shí)，卡盤退回驅(qū)動(dòng)頂尖，從頂尖內(nèi)伸出，實(shí)現(xiàn)去除工件較小余量的精加工。通過(guò)兩次液壓缸動(dòng)作切換（卡盤頂尖位置不變，且始終受尾座頂緊力作用）實(shí)現(xiàn)了一次裝夾完成齒輪軸所有外圓的加工。頂尖驅(qū)動(dòng)卡盤卡爪夾緊動(dòng)作（去除大余量加工）如圖2所示，驅(qū)動(dòng)卡盤退回及驅(qū)動(dòng)頂尖伸出狀態(tài)（精加工）如圖3所示。

圖2 頂尖驅(qū)動(dòng)卡盤卡爪夾緊動(dòng)作（去除大余量加工）

圖3 驅(qū)動(dòng)卡盤退回及驅(qū)動(dòng)頂尖伸出狀態(tài)（精加工）

通過(guò)以上分析可知，采用方案三能夠滿足裝夾、節(jié)拍要求。采用德國(guó)生產(chǎn)的頂尖驅(qū)動(dòng)卡盤，頂尖端面定位精度在2‰，徑向圓跳動(dòng)在1‰，可滿足加工要求。此夾具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，但從總體上來(lái)看，可節(jié)省加工時(shí)間和場(chǎng)地面積，減少設(shè)備和操作人員數(shù)量，比較合適。

5 溫度影響及補(bǔ)償

對(duì)一批零件進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果顯示Cm為1.55，Cmk為0.48。零件直徑從第12件開始出現(xiàn)異常，第31件后除個(gè)別外趨于穩(wěn)定。12～31號(hào)直徑尺寸波動(dòng)明顯，且有明顯下降趨勢(shì)，這種趨勢(shì)不符合刀具磨損的理論規(guī)律，必須查找原因。

經(jīng)分析，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是該機(jī)床X軸采用單支撐形式，加工過(guò)程中因溫度影響而產(chǎn)生零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。前12件溫度上升較慢，對(duì)絲杠的影響較小；從第12件開始溫度影響增加，導(dǎo)致絲杠“伸長(zhǎng)”；在第31件以后由于溫度平衡而趨于穩(wěn)定。前面所提到的X軸誤差放大效應(yīng)，在這里明顯體現(xiàn)。

在X軸絲杠軸承座用溫度槍量取溫度，通過(guò)激光干涉儀進(jìn)行記錄。軸承座溫度分別在20.0℃、23.1℃和27.8℃時(shí)繪制定位精度曲線（見圖4）。橫坐標(biāo)為絲杠行程（0mm處為絲杠固定端，150mm處為自由懸伸端），縱坐標(biāo)為定位誤差。取橫坐標(biāo)150mm處為參照，在20.0℃時(shí)，定位誤差為 －14.4μm；在23.1℃時(shí)，定位誤差為－9.0μm；在27.8℃時(shí)，定位誤差為－0.7μm。可知絲杠定位誤差隨溫度升高而減小。當(dāng)軸承座溫度達(dá)到27.8℃后，溫度不再上升，說(shuō)明絲杠機(jī)構(gòu)達(dá)到熱平衡狀態(tài)。在27.8℃時(shí)，曲線的定位誤差最小，說(shuō)明定位精度在此溫度下相對(duì)穩(wěn)定。

圖4 定位精度曲線

在軸承座上放置溫度傳感器，多次測(cè)量定位精度，進(jìn)一步提取樣本數(shù)據(jù)，繪制行程-定位精度曲線。將測(cè)量的數(shù)據(jù)與數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行連接，將測(cè)試結(jié)果輸錄在軟件當(dāng)中進(jìn)行模擬分析，模擬出“定位誤差補(bǔ)償”的趨勢(shì)，對(duì)機(jī)床進(jìn)行實(shí)時(shí)在線補(bǔ)償。通過(guò)大量數(shù)據(jù)采集，依次進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到絲杠穩(wěn)定的最佳狀態(tài)。

采用這種補(bǔ)償方法可以減少機(jī)床的熱機(jī)時(shí)間，在最短時(shí)間內(nèi)保證機(jī)床熱平衡精度穩(wěn)定。通過(guò)實(shí)施此種補(bǔ)償方法，對(duì)單支撐絲杠結(jié)構(gòu)的機(jī)床進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)整，使得X軸絲杠精度得到一定程度的修復(fù)，同時(shí)也為單支撐絲杠結(jié)構(gòu)因熱平衡設(shè)計(jì)造成的失誤提供了一種補(bǔ)救修正方法。

調(diào)整完絲杠零點(diǎn)漂移帶來(lái)的誤差后，再次進(jìn)行一輪車削試驗(yàn)，記錄結(jié)果并繪制成曲線。此時(shí)Cmk取值為1.63，接近要求值。

從趨勢(shì)報(bào)告中可知，由于絲杠溫度誤差產(chǎn)生零點(diǎn)漂移現(xiàn)象導(dǎo)致的V形曲線已經(jīng)通過(guò)修正進(jìn)行“抵消”，從而進(jìn)一步證明之前的分析判斷及解決方法是正確的。但曲線整體相對(duì)有上升趨勢(shì)，從外形上看呈現(xiàn)出一條“擬合”的一次函數(shù)形狀，故可分析刀具磨損規(guī)律，采用宏程序進(jìn)行系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)償，并將向上的平均值向理論平均值處調(diào)整。

6 刀具影響分析與解決

由于車床是回轉(zhuǎn)體加工機(jī)床，因此當(dāng)?shù)毒吣pΔ時(shí)，會(huì)使得工件直徑尺寸放大到2Δ。在消除溫度影響的情況下，刀具影響問(wèn)題逐步顯現(xiàn)。

更換新刀片后進(jìn)行車削，60件樣本直徑平均值與理論平均值相對(duì)發(fā)生向上的偏移。從測(cè)量結(jié)果上看，前11件直徑略有波動(dòng)但總體相對(duì)平穩(wěn)，第11～20件直徑波動(dòng)有“急劇”抬升趨勢(shì)，第21件后整體平穩(wěn)，但總體趨勢(shì)有所上升，該結(jié)果的變化符合刀具磨損規(guī)律。

對(duì)于刀具影響的解決方法如下。

1）準(zhǔn)備階段。進(jìn)行自動(dòng)生產(chǎn)線加工前，使零件毛坯狀態(tài)尺寸相同，且?guī)缀喂钸_(dá)到合格及一致性要求，保證加工時(shí)刀具吃刀量一致；使數(shù)控車床的運(yùn)行溫度穩(wěn)定保持在一定的恒溫狀態(tài)下。

2）在數(shù)控車床自動(dòng)生產(chǎn)線連續(xù)穩(wěn)定加工的情況下，對(duì)零件進(jìn)行分組抽檢。對(duì)被抽檢的零件進(jìn)行風(fēng)冷，達(dá)到溫度環(huán)境一致，監(jiān)控被加工零件尺寸波動(dòng)情況。當(dāng)被加工零件尺寸無(wú)變化時(shí)，只做零件數(shù)量上的序號(hào)統(tǒng)計(jì)；當(dāng)被加工零件連續(xù)5件出現(xiàn)尺寸變化時(shí)，開始記錄這5件零件，序號(hào)分別為M＋1、M＋2、M＋3、M＋4和M＋5；以后加工的零件依次記錄序號(hào)為M＋6、M＋7、…、M＋N，其中M為連續(xù)5件出現(xiàn)變化之前加工零件的數(shù)量，即1～M號(hào)是尺寸平穩(wěn)的零件，N為自發(fā)生變化起做記錄的零件數(shù)，M＋N為加工零件的總數(shù)。

3）將尺寸發(fā)生變化的這批零件放在20℃的恒溫檢測(cè)室內(nèi)靜置24h，待零件溫度符合檢測(cè)要求后進(jìn)行檢測(cè)，記錄檢測(cè)值并繪制“產(chǎn)生變化尺寸的零件序號(hào)N-尺寸”坐標(biāo)圖，X軸為零件尺寸發(fā)生變化的序號(hào)N，Y軸為零件尺寸。

4）將此組數(shù)據(jù)分成S組，每組樣本數(shù)量為P并保證樣本數(shù)量的連續(xù)性。計(jì)算數(shù)值變化Δy，序號(hào)變化Δx，計(jì)算得出斜率k＝Δy/Δx。每組斜率分別為k1、k2、…、kS。將每組函數(shù)擬合出一條總體的函數(shù)曲線，函數(shù)表達(dá)式為y＝kx＋Q＝（Δy/Δx）x＋Q，其中Q為加工零件尺寸的平均值。

5）得到擬合函數(shù)表達(dá)式后，計(jì)算出與該函數(shù)關(guān)于X軸的對(duì)稱函數(shù)，將其變化趨勢(shì)以宏程序的形式表達(dá)出來(lái)，加入到數(shù)控程序中進(jìn)行驗(yàn)證。

邏輯控制方案如下。

步驟1：首先開始加工并記錄數(shù)據(jù)。

步驟2：監(jiān)測(cè)零件尺寸是否有變化，若結(jié)果為“是”，則開始計(jì)數(shù)M＋1；若結(jié)果為“否”，回到步驟1。

步驟3：繼續(xù)加工并確定是否達(dá)到零件上限，結(jié)果為“是”進(jìn)行下一步，結(jié)果為“否”循環(huán)此 步驟。

步驟4：確定零件個(gè)數(shù)是否滿足60件以上，結(jié)果為“是”進(jìn)行下一步，結(jié)果為“否”分析原因，調(diào)整并重新加工，回到步驟1。

步驟5：連續(xù)加工M＋N件并記錄，然后停止 加工。

步驟6：恒溫后測(cè)量結(jié)果。

步驟7：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及計(jì)算函數(shù)。

步驟8：得出新函數(shù)結(jié)果，編輯輸入程序。

步驟9：輸入新函數(shù)后開始加工，系統(tǒng)記數(shù)。

步驟10：繼續(xù)加工，確定是否達(dá)到滿足加工數(shù)量M；結(jié)果為“是”執(zhí)行下一步，結(jié)果為“否”循環(huán)此步驟。

步驟11：自動(dòng)開始計(jì)數(shù)N，啟動(dòng)宏程序進(jìn)行 補(bǔ)償。

步驟12：系統(tǒng)記錄連續(xù)加工M＋N件。

步驟13：停止加工，恒溫后測(cè)量結(jié)果，得出 結(jié)論。

宏程序指令如下。

第一行：這里O9800（軟件名稱）為程序名稱，（ZDBC）為零件名稱。

第二行：如果地址100中的數(shù)值（開始加工的零件序號(hào)）≤地址803（設(shè)置的需要修正的序號(hào)）中的數(shù)值，程序?qū)⑻降诎诵袌?zhí)行N200（繼續(xù)加工不進(jìn)行補(bǔ)償）。

第三行：如果地址100中的數(shù)值＞地址803中的數(shù)值，程序?qū)⑻降谖逍袌?zhí)行N100（啟動(dòng)宏程序開始對(duì)加工零件尺寸進(jìn)行修正）。

第四行：跳出程序O9800循環(huán)（加工結(jié)束）。

第五行：執(zhí)行N100。

第六行：802地址中X軸刀補(bǔ)數(shù)值＝802地址中X軸刀補(bǔ)數(shù)值＋地址801中的數(shù)值再賦值給802地址中X軸刀補(bǔ)數(shù)值。

第七行：地址100中的數(shù)值賦值給地址803。

第八行：執(zhí)行N200。

第九行：跳出程序O9800循環(huán)。

這里規(guī)定地址800中的數(shù)值為每多少件修正一次，即Δx；地址801中的數(shù)值為每次修正多少，即Δy；地址802中的數(shù)值為要調(diào)整的刀補(bǔ)號(hào)地址；地址803中的數(shù)值為前幾件不啟動(dòng)宏程序修正。

輸入以上程序，更換新刀片，在與上次加工條件一致的情況下進(jìn)行加工，當(dāng)加工到第M件后開始計(jì)數(shù)M＋1、M＋2、…、M＋N′，采集到新一批零件數(shù)據(jù)并記錄新結(jié)果。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，60件樣本平均數(shù)為φ31.780367mm，其中最小值為φ31.773mm，最大值為φ31.786mm。樣本平均數(shù)符合零件要求的中值φ31.78mm并達(dá)到“零線值”。

為了進(jìn)一步體現(xiàn)該組數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，對(duì)其進(jìn)行Cmk計(jì)算，得出Cm＝1.83，Cmk＝1.76≥1.67，穩(wěn)定性達(dá)標(biāo)且優(yōu)秀。

通過(guò)以上分析可知，在連續(xù)加工60件不進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整、相對(duì)公差帶較為嚴(yán)格的情況下，即便數(shù)控機(jī)床及夾具等精度較高，溫度和刀具磨損的影響也不容忽視。因原始數(shù)據(jù)中不僅包含了絲杠定位精度、夾具定位精度和零件毛坯頂尖孔精度，還摻雜了溫度、不同批次的刀片性能及磨損情況、加工切屑時(shí)產(chǎn)生的變形問(wèn)題、機(jī)械手上下料的微觀影響以及其他不可預(yù)判的未知因素。經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐與分析后發(fā)現(xiàn)，機(jī)床精度、溫度及刀具磨損規(guī)律對(duì)Cmk結(jié)果影響最大，其余因素影響相對(duì)不明顯，但并不代表可以忽略，還應(yīng)注意結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分析。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文中每項(xiàng)方案的結(jié)果、過(guò)程分析與調(diào)整都是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期摸索才得到了驗(yàn)收結(jié)果。要依實(shí)際工況研究溫度因素對(duì)加工精度的影響及刀具磨損規(guī)律，從而對(duì)機(jī)床進(jìn)行實(shí)時(shí)在線補(bǔ)償，這樣機(jī)床的穩(wěn)定性才能發(fā)揮出來(lái)，達(dá)到理想的結(jié)果。