轎車變速器輸出軸數控搓齒機故障診斷與維修

李紹紅

（第一汽車集團公司教育培訓中心，吉林長春130011）

1 故障現象

轎車變速器輸出軸生產線上搓齒機為德國進口設備，近期發現輸出軸第5個齒輪的齒面在經搓齒機加工后有刮傷現象，并呈對稱分布，在齒頂處有毛刺，因與其嚙合的齒輪是尼龍材料的，這樣勢必造成該尼龍輪的快速磨損，降低使用壽命，從而影響整車的質量。

2 故障分析

（1）設備概述:該設備數控系統是西門子810數控裝置，尾架頂尖是由伺服電動機控制的，工件在裝夾時是由尾頂尖定位的。搓板的相對運動是靠液壓缸帶動的，是由同步輪來控制同步運動的。該工序加工5個齒輪，其中第5個齒輪是斜齒輪，齒數為Z=7，其他齒輪都為直齒輪。搓齒屬無屑加工，工件被送入正確位置后，上下搓板相對擠壓，這時工件沒有移動，只有繞自身軸線被動轉動。從而實現齒的加工，齒形、齒向靠刀具來保證。

（2）故障分析:為了找出設備加工時產生齒面刮傷現象的故障原因，筆者反復試驗，經過分析造成這種現象的原因是該齒輪是斜齒輪，在加工時產生彈性變形，當加工過程即將完成且工件尚未與搓板脫離的瞬間，軸向力消失即工件彈性釋放，使工件軸向竄動，從而將工件刮傷。

3 故障檢查及排除

（1）工件在裝夾時是由尾頂尖定位的，分析產生故障的原因有可能與機床內頂尖的液壓鎖死機構有關。

在自動加工時，液壓缸抱死內頂尖，使它不能竄動，由于在搓直齒時，沒有軸向力，工件被送到正確位置后，加工時頂尖的作用是非常小的。這個鎖死機構是針對搓斜齒而設計的，因為在搓Z=24及Z=38齒時，頂尖不被鎖死，開始筆者判斷軸向力的方向是向里的（后來經檢驗是不對的），懷疑鎖死機構沒將內頂尖鎖住，在加工時由于受到軸向力的作用，將內頂尖頂回，當軸向力消失時，內頂尖必將伸出，將工件向尾架頂尖方向頂出使工件被搓板刮傷。經觀察液壓圖紙得知鎖死缸的壓力最低為8 MPa，而實際中是4.5 MPa，可能是壓力不夠造成的。于是又將壓力調到8 MPa，可加工工件后發現刮傷現象反而嚴重。我們結合程序分析，程序中有這一程序段，即在加工斜齒前向前進0.5 mm。既然內頂尖已被鎖死，而工件卻被頂入0.5 mm，那這0.5 mm是怎么走的呢，后來認為這是為防止工件反彈，而先前預加的載荷，為此我們做了一個試驗，證明鎖死機構能否鎖死頂尖，用自動單步加工方式，在程序執行到向前進0.5 mm時，表上顯示0.5 mm，再將電源接上進行工件加工。又做了不取消鎖緊的試驗，表針幾乎不動，而二次試驗加工工件幾乎一樣，說明鎖死機構沒有問題，同時也證明造成工件表面刮傷的直接原因不是鎖緊機構。

（2）對刀具進行檢驗和分析，搓板分為3個區，即切入區、加工區和卸荷區，如圖1所示。切入區傾斜15°的目的是使刀具與工件接觸時，刀具承載載荷逐漸加大，降低了刀具的沖擊強度，使工件逐漸加工成形，變形很小。加工區即對工件最終加工及修整，與工件齒數相同。卸荷區存在的目的是使工件彈性緩慢恢復，減小沖擊。在圖紙上，卸荷區的角度沒有標注，對其測量的結果是30°，筆者猜想，是否這個角度太小，未能起到卸荷的作用，工件在出口時被刮傷。將卸荷區磨掉一塊，重新裝上后試驗，刮傷反而加重，刮傷面積加大，改善刀具卸荷區角度的辦法也放棄了。

（3）搓板導軌間隙大也可能產生上述故障:設想由于加工時，軸向力很大，作用在工件上;反之軸向力消失瞬間，反作用力也消失，使搓板向后方向恢復，將工件刮傷。為驗證上述設想，用表打在搓板上，用撬棍撬，最大間隙為0.03 mm，可是對于2 m多長的拖板在導軌上運動，0.03 mm的間隙是不大的，絕不會將工件刮傷，導軌沒有問題。

（4）進一步對工件加工過程進行研究，設想搓板相對運動速度過快，又因卸荷區很短，軸向力沒有充分卸掉就走過去了，造成工件回彈而被刮傷。為驗證此設想，筆者降低搓板運行速度，把力卸掉，加工工件沒有變化。檢查頂尖時發現，內頂尖有些磨損，是不是因頂尖磨損，摩擦阻力大，使搓板在卸荷區時帶不動工件，使工件與搓板不同步，致使搓板末端將齒面刮傷。但是更換頂尖，減小夾緊力還是不行。在觀察工件刮傷痕跡時，發現兩面刮痕不一樣大小。這是上下搓板距離工件高度不同造成的（如圖2），距離工件近的搓板，對工件產生的壓力大，壓痕相應也大，調整搓板高度，將廢件車小外徑，并磨至φ15.7 mm的光軸，將百分表固定在光軸上，將光軸夾緊送入到加工位置，移動搓板到所測量的位置，將表頭打到搓板墊鐵上，記下數值。再將光軸翻轉180°，測一下搓板，將兩個數值比較，發現上搓板比下搓板大0.15 mm（H1＞H2），將上下搓板同時向下降0.075 mm（H1=H2），調好后加工一件，發現工件表面刮傷仍然存在，大小基本一樣。

（5）針對軸向力的問題，又做了一個試驗加以驗證這個力到底有無作用方向。采用自動單步加工方式，當搓完Z=24、Mn=0.793 mm的齒時停止，將表打到頂尖架上向前進0.5 mm改為+5，+10，+15，+20，－5，－10，－15，－20這樣一組數，試驗數據如表1所示。觀察表指針，無論是“+”還是“－”都朝一個方向變化，當斜齒搓完后恢復。根據表指針判斷，搓斜齒工件確實受軸向力的作用，當搓板與工件接觸上隨著搓板的移動，力不斷增大，達到一定程度時表指針不連續變化，即軸向力保持，當搓板脫離工件時，指針向反方向轉，表明力消失。由于表顯示的是位移量直接顯示尾架的變化，尾架是伺服電動機控制的，而搓直齒時它根本不動，只有搓斜齒時發生了偏移，最大有0.5 mm，足以說明工件受到向后的軸向力p并作用到頂尖上，將頂尖向后壓縮，當力消失時，頂尖勢必恢復原位，所以產生偏移。然而用兩組數據加工的工件刮傷現象卻有著明顯的不同，向前（+）進量越大，刮傷越重，向后（－）量越大，刮傷越輕，但也不是無止境的，當達到0.20 mm時，刮傷現象不再變化。

表1 試驗數據

根據試驗得出的結論，加工斜齒時受軸向力，方向與當初判斷方向相反，是向外的，既然是向外的而程序又向前進0.5 mm，而內頂尖被鎖死，相當于一個死頂尖，所以向前進0.5 mm是根本實現不了的。事實上最先做的試驗也證明尾頂尖是不動的，那么尾頂尖始終進不到位，伺服電動機就一直向前進，所以就會給工件一個力F，再加上軸向力P，這樣搓板帶動工件轉動吃力，又會使搓板和尾頂尖間的工件彈性變形加大，所以刮傷也會嚴重。從這個角度分析，將程序向前進改為向后退，似乎是合理的。加工出的工件雖有所改善，但從根本上仍沒有解決問題。后來從德國傳回的程序說明該段程序是后退0.5 mm，更加與筆者的判斷吻合，所以將現程序改為向后退0.5 mm。又想到原程序向前進會不會是彌補絲杠間隙，可是打表設定數值卻沒走到，而屏幕卻顯示到位了，檢查絲杠間隙，符合使用要求，將伺服電動機更換，現象是一樣的。說明原電動機沒有問題，將以前做的試驗數據和結果進行幾種比較和分析，應該從解決軸向力方面著手，既然軸向力是無法消除的，那么就想辦法改善它。在觀察加工工件時，當尾頂尖向后退時，工件勢必也向后退，因后退只有0.5 mm所以工件還與尾頂尖的壓縮量很大，所以反彈也很大，如果先將工件壓上一點后停下來，再執行向后退這個動作，這樣工件就不會隨尾頂尖同退，于是就將行程開關的行程擋鐵后移一點。加工試驗調整兩次才合適，加工工件刮傷立刻減輕了許多，5件中只有2件有刮傷，另3件一點刮傷也沒有，此時清楚了刮傷的真正原因是工件受到軸向力。將尾頂尖向后壓縮，而頂尖向前進0.5 mm使工件緊緊地靠近尾頂尖一側，尾頂尖被壓縮量很大，工件在出卸荷區瞬間，齒面被搓板刀齒面劃傷，當力消失后頂尖反彈又使工件與搓板最外小齒齒頂相撞，將工件撞出坑來。經過調整行程擋鐵的位置和加大后移量，工件在加工時，受到軸向力的作用，逐漸向后尾頂尖靠近，不是直接壓縮尾頂尖，當竄動到預定后移量后才作用在尾頂尖上，此時對尾頂尖的作用也很小了。同時，工件與內頂尖也若即若離，當工件脫離搓板瞬間，工件有反彈的空間，也就不會被搓板刮傷，由于尾頂尖反彈很小，也不會使工件被搓板撞傷。在走了一大圈彎路后終將故障查出并排除掉。

4 結語

通過上述故障排查的過程，筆者體會到要想迅速查出故障并排除，首要的是弄清設備的設計意圖，這對維修工作幫助會很大，會使我們避免走彎路。尤其是當前我們國家的汽車生產中，大量引用國外的設備，這一點尤為重要。