特種車輛新型一體式減速排框架加工技術研究

劉珍妮，周 帥，張晶晶，張建昌，王會龍，王 芳，周佳琦

(1.北京北方車輛集團有限公司，北京 100072；2.山東特種工業集團有限公司，山東 淄博 255201；3.重慶鐵馬工業集團有限公司，重慶 400050)

1 概述

應用于新型機電復合傳動裝置的一體式框架類零件，是特種車輛傳動裝置中的核心零件，該框架零件與行星輪、行星輪軸等零件組裝為框架總成，框架行星輪軸孔的位置精度決定了整個行星排的中心距，直接影響各行星輪間的載荷分配以及傳動裝置的承載能力、振動和噪聲等，決定了行星輪轉動的平穩性，進而影響整車行動系統的機動性及行駛穩定性。機電復合傳動系統采用高轉速電動機驅動，行星輪轉動的平穩性直接影響行星輪兩側減磨墊以及行星輪軸承的工作熱負荷，嚴重時將導致減磨墊磨損失效，并加速軸承、齒輪的失效進程，因此嚴格控制行星輪軸孔精度及放置行星輪的槽型工作端面相對于行星輪軸孔中心線的垂直度是保證行星輪轉動平穩、減輕減磨墊磨損、提高行星傳動系統可靠性的重要手段。

新型機電復合傳動裝置需同時滿足體積小、輕量化、高精度等要求，因此與傳統主、副組合式框架相比，新型一體式減速排框架精度要求高，結構更緊湊[1]，對框架的制造工藝也提出了更高要求?？蚣軐嵨锶鐖D1所示。

圖1 一體式減速排框架

該框架的幾何公差要求如圖2所示，設計精度較高，行星輪軸4個軸孔位置度≤φ0.03 mm，平行度≤φ0.02 mm，截面垂直度≤0.015 mm。零件薄壁，結構復雜，剛性弱，在加工過程中極易產生變形，從而導致超差。

圖2 一體式減速排框架二維結構圖

2 一體式框架工藝設計

2.1 加工工藝分析

框架材料為高強度鋼38CrSi，以切削力大、切削溫度高為特征，就38CrSi材料而言，實現精密鏜削和端面精密銑削并不難，但是框架零件的弱剛性引起加工變形和切削不穩定，使得行星輪軸孔系的加工表面質量和幾何公差受到很多耦合因素的影響，造成加工質量和精度的控制難度變大。

從圖2中零件結構及加工經驗分析可知，“行星輪軸孔位置度超差”是制約新型一體式框架合格率的主要因素，安排合理的加工順序，選擇合理的精加工基準，設計專用鏜胎進行孔的半精及精加工，設計磨工心軸提高裝夾找正的精度來保證鏜孔的定位面精度，也是保證行星輪軸孔精度的關鍵之一[2-3]。同時零件進行平衡試驗時，以精加工基準孔A作為基準進行試驗。

該零件材料去除量大，產品加工工序長，行星輪軸孔尺寸精度及幾何公差要求高，試制階段開展精密磨削技術攻關，采用坐標磨方式精加工行星輪軸孔，該方法加工效率低，在批量階段采用臥式精密坐標鏜床或高精度立式加工中心精鏜行星輪軸孔、精銑槽工序，提高行星輪軸孔、槽加工效率。

2.2 加工工藝流程設計

該產品最大直徑超過200 mm，機械加工毛坯采用鍛件加工。設計此產品的工藝路線為：下料→鍛造→毛坯熱處理→機械加工(粗加工)→中間檢驗→熱處理(調質)→機械加工(半精加工、精加工)→最終檢驗—動平衡→氧化[4-5]。

定位孔方案對比如圖3所示。以圖3a所示框架零件最小內孔裝夾定位心軸，磨削行星輪軸孔系定位端面，由于內孔的軸向尺寸長度過短，穿心軸后磨削時零件有輕微震顫現象，檢測發現磨削后零件端面跳動，垂直度不理想，基準A尺寸未達到j6等級，采用如下措施提高行星輪軸孔加工精度：1)為確保定位精度，將原方案鏜孔定位面由車削改為磨削，同時磨削端面的心軸定位孔優化為圖3b所示，將孔B加工至與圖2孔A相同尺寸，增加定位孔長度，解決定位長度短、工件輕微顫動導致的磨削精度低的問題；2)優化加工順序，調質后增加半精車工序，減小零件因去除量大引起的變形；3)磨削后增加一道精車工序，將零件小端內孔B加工到圖樣尺寸。

以提高框架行星輪軸孔位置度、平行度為目標，調質熱處理后，優化行星輪軸孔加工工序如圖4所示[6-7]。

a) 優化前工序

b) 優化后工序

3 工裝夾具設計

1)新型機電復合傳動系統框架行星輪軸孔精度高，孔周圍的支承梁較壁更薄，剛度更弱，可支承的面積更小，支承與夾緊力的大小、裝夾結構布局、裝夾殘余應力都是影響軸孔精度的重要因素[8-9]。以減速排框架為例，介紹裝夾原理，鏜孔工裝如圖5所示。

a) 平面結構圖

b) 實物圖

框架鏜孔工裝由支承、定位、壓緊3個典型的結構形式組成：a.支承平臺的布局一般設置在框梁處，增強支承強度；b.定位裝置應與軸孔的定位基準一致，保證無間隙配合，采用彈簧漲套或彈簧漲套與精密鋼珠配合定位，漲套的內徑是一個關鍵尺寸，它與框架的外徑相配合，漲套內徑過大，零件產生易變形、劃傷，甚至卡死無法拆裝，漲套內徑過小，則達不到控制定位精度的目的，是設計難點，應進行計算分析與工藝驗證，確定最佳的尺寸；c.框架裝夾時壓緊與支承對稱設計的布局，可以最大限度地抵消彎矩，夾緊力的大小受零件結構、夾具結構、切削力等因素綜合影響。

2)磨削后的端面作為精鏜行星輪軸孔系基準[10]，設計高精度錐心軸結構，優選熱處理硬度為58～65 HRC的材料，保證心軸及零件表面不易劃傷，還可以提高心軸使用壽命，具體如圖6所示。

圖6 心軸

使用高精度心軸以及采用優化后定位孔方案(見圖3b)，磨削工序完成后，檢測7件產品磨削端面跳動情況，結果均不大于0.01 mm(見表1)，基準A的尺寸精度達到j6等級。

表1 磨削端面跳動檢測值

工藝優化前，由于采用車削方法加工端面，精鏜行星輪軸孔系時，端面跳動大于0.01 mm，導致行星輪軸孔系中普遍存在1～2個孔位置度超差，數值在φ0.03～φ0.055 mm之間，改用磨削方法加工端面，使用高精度磨工心軸，采用優化后的加工工藝，檢測結果見表2。

表2 檢測結果

由表1和表2可以看出，通過工序優化及工裝夾具設計，提高了框架行星輪軸孔加工定位精度，解決了行星輪軸孔系幾何公差超差問題，為其他類似一體式框架的加工提供了參考，使用三坐標測量儀檢測框架幾何公差，結果表明：框架行星輪軸4個軸孔位置度均<φ0.03 mm，平行度均<φ0.02 mm，達到了設計要求。

4 結語

本文針對新型一體式框架整體結構復雜、加工材料去除量大、零件加工工序長、裝夾及加工基準多次轉換、弱剛性結構導致熱處理和切削過程中極易產生變形等特點，分析了影響加工精度的主要因素，針對零件結構特點，結合加工試驗，設計了新型鏜孔夾具及磨工心軸，優化了行星輪軸孔加工工序，從優化工藝過程出發，增加了半精車工序，調整了磨削定位孔的加工方式及順序，保證了磨外圓及端面工序的磨削精度，提高了后續行星輪軸孔系的精鏜基準精度，最大限度減小了殘余應力的產生，并將加工過程中的改進措施納入制造工藝中，保證了一體式框架在生產中的精度和效率。