轉軸的精益生產

惠建峰

摘 要：電機轉軸的精益生產，對從坯料到成品中各個工序進行了專業和實際操作經驗等方面的分析，提出各個工序中會出現的問題及解決辦法，文章所涉及的相關專業領域包括鍛造，機械加工、熱處理等，所涉范圍之廣，篇幅所限，僅針對電機轉軸在以上三個行業生產過程中所遇到的問題、原因分析以及解決方法進行探討。

關鍵詞：轉軸；精益生產；機械加工；鍛造；熱處理；電機制造

轉軸作為電機中最重要的零部件之一，其質量包含兩個方面，一個是外形質量，直接影響轉子裝配精度；一個是性能質量，會對電機整體長期穩定運行起到關鍵作用。隨著公司產能的不斷加大，在持續深化的精益生產過程中，轉軸質量在所涉及的鍛造、機加、熱處理甚至總裝等各領域中，會遇到各種各樣的問題，下面文章就針對轉軸在這三個領域的生產過程中所遇到的問題、原因分析以及解決方法進行探討。

1 鍛造

轉軸的鍛造是將坯料加熱到1250℃左右再按照鍛造圖紙尺寸要求進行鍛打的過程。這個過程是特殊過程的一種，之所以稱為特殊過程，是因為其整個生產過程中存在不易人為控制的影響產品質量的因素，文章后面我們提及的熱處理也是其中之一。

1.1 鍛造缺陷及其產生原因

1.1.1 裂紋。裂紋有很多種，分為表面橫向和縱向裂紋、內部橫向和縱向裂紋、表面龜裂、內部微裂紋等。

表面橫向裂紋主要是由于原材料質量不好，鋼錠冶金缺陷引起的。內部橫向裂紋原因有兩種，一種是坯料加熱速度過快形成的加熱裂紋，另一種是拔長低塑性材料時相對送盡量過小造成的。表面縱向裂紋產生原因可能是鋼錠的冶金質量差以及墩粗低塑性鋼的相對壓下量過大所致。內部縱向裂紋產生原因有三個，一是縮管或二次縮孔，二是加熱未燒透，中心溫度過低，三是遇到低塑性高合金鋼時，送給量過大或在同一部位反復翻轉拔長所致。表面龜裂是由于鋼中銅、錫、砷、硫的含量較多或始鍛溫度過高，以及開始錘擊過重等引起的。內部微裂紋是由中心疏松組織未鍛合而引起的，常與非金屬夾雜并存，也稱為雜質性裂紋。

1.1.2 局部粗晶鍛件表面或內部的局部區域晶粒粗大。產生原因是加熱溫度偏高變形不均勻、局部變形程度（鍛造比）太小所致。

1.1.3 表面折疊、凹坑是由拔長時帖子圓角過小或送進量小于壓下量造成的，也有氧化皮清理不干凈，隨坯料一起鍛打造成。

1.1.4 重心偏移。是因為加熱溫度不均及鍛造時下壓量不均導致鋼錠中心與鍛件中心不重合，影響鍛件質量。

1.1.5 過燒。是鍛造加熱溫度太高，使奧氏體晶界出現局部熔化或者發生氧化的現象。過燒是嚴重的加熱缺陷，工件一旦過燒就無法補救，只能報廢。

1.1.6 鍛造彎曲。鍛造過程中由鍛打頻次，鍛打每錘沖擊力的均勻性及設備等原因造成整體軸向明顯的彎曲，彎曲量大的甚至會影響后續加工，這也是在實際生產過程中經常遇到的問題。

1.2 解決方案

1.2.1 使用質量合格的原材料，并要對其表面缺陷進行認真清除。

1.2.2 制定合理的加熱、鍛造及鍛造后冷卻工藝，選用合適的工具工裝，生產過程中的每個工步都必須嚴格執行工藝及操作規程。

1.2.3 有內部較大裂紋、白點的鍛件以及過燒的坯料只能報廢，對鍛件的表面缺陷在能滿足后續加工的前提下，可以進行清除或返修。

1.2.4 鍛造彎曲的解決首先必須排除由錘砧平整度、機械鉗臂的水平度等設備原因引起的問題；再次在實際鍛打過程細化操作，多轉勻打，及時清除氧化皮等。

2 熱處理

熱處理是將鋼在固態下加熱到預定溫度，并在該溫度下保持一段時間，然后以一定速度冷卻的一種熱加工工藝。其目的是通過改變鋼的內部組織結構，以改善鋼的性能。適當熱處理可以顯著提高鋼的綜合機械性能，延長機器零件的使用壽命，而轉軸一般采用調質處理。本節針對電機轉軸的熱處理工藝-調質進行討論。

2.1 熱處理缺陷

調質也是特殊過程之一，其對設備、環境、人員技能及經驗要求都是較高的。它包含淬火和高溫回火，每個環節都會影響到最終的產品質量。

2.1.1過熱。過熱是工件淬火加熱時，由于溫度過高和保溫時間過長造成奧氏體晶粒粗大的缺陷。過熱在淬火后得到粗大馬氏體組織，易于引起淬火裂紋。因此淬火過熱的轉軸強度和韌性明顯降低，易于產生脆性斷裂。

2.1.2 氧化和脫碳。淬火加熱時，轉軸與周圍加熱介質相互作用往往會產生氧化和脫碳等缺陷。氧化使工件尺寸減少，表面光潔度降低，并嚴重影響淬火冷卻速度，進而使軸身出現軟點或者硬度不足等新的缺陷。工件表面脫碳會降低淬火后鋼的表面硬度、耐磨性，并顯著降低其疲勞強度。因此，淬火加熱時，在獲取均勻化奧氏體組織的同時，必須盡量減少氧化和脫碳現象。

2.1.3 機械性能不達標。調質后的轉軸性能指標達不到標準要求。包括強度指標（抗拉強度Rm、屈服強度Rel）、塑性指標（伸長率A、收縮率Z、沖擊功Ak）。根據實際經驗可能有以下幾種原因：（1）試制階段，工藝參數的調整；（2）不同冶煉爐號的原材料含碳量的變動；（3）冬夏季室溫的較大反差引起淬火液冷卻曲線的微量變動，以及淬火冷卻液本身長期使用引起的冷卻能力的變化；（4）由于每個人操作經驗不同引起的控制預冷時間的變化。以上除原材料及工藝參數因素外，其他都較難可控，依靠個人經驗成分較大，正所謂人是質量控制中最不穩定因素。

2.1.4 調質彎曲。轉軸調質彎曲是在熱處理過程中不可避免的現象，當彎曲量超過一定值時，會影響后續機械加工成型。在實際生產過程中，調直彎曲引起的缺陷甚至報廢現象最為普遍，所以雖然不可避免，但還是在現有的條件下盡量減少。

2.2 解決方案

2.2.1 輕微的過熱可以通過延長回火時間補救，嚴重的過熱則需進行一次細化晶粒退火，然后再重新淬火。

2.2.2 定期檢查設備、校核儀器儀表，保證淬火液溫度符合要求，尤其是要保證冷卻系統的循環冷卻能力，這在連續工作的情況下較易出現循環能力不足，引起淬火不完全。

2.2.3 嚴格按照工藝文件執行操作，尤其要保證充足的回火保溫時間以降低殘余應力變形。對于加工余量較小，表面氧化脫碳又要求嚴格的產品可考慮使用真空爐加熱。

2.2.4 性能指標中如果只是塑性（伸長率A、收縮率Z、沖擊功Ak）不足，可通過適當提升回火溫度進行重回火處理，如果是強度（抗拉強度Rm、屈服強度Rel）不足，只能返工，重新進行調質，調質次數不得超過三次。

2.2.5 降低調質彎曲可通過提高淬火液循環冷卻能力。近年越來越多的熱處理企業開始采用吊盤型裝，就是將每根軸通過軸端的一個吊裝孔按一定數量和排列吊掛在盤型吊具上，這樣既能節省大量的吊具費用，降低能耗，又可以使轉軸在調質工藝過程中充分且均勻淬火和回火，大幅提升產品性能質量，降低彎曲度。

3 機械加工

金屬切削過程實質上就是產生切屑和形成已加工表面的過程。最具代表性的切削加工是車削、銑削、磨削及鉆削，轉軸類大多以車削、磨屑為主，下面文章主要介紹在加工中常見的以車削、磨屑為主的缺陷。

3.1 機加缺陷

3.1.1 表面粗糙、毛刺多，光潔度達不到要求。多與刀刃磨損，切削熱，進給速度過快或積屑瘤及系統振動大有關。零件表面粗糙，會造成接觸剛性低、耐磨性差，疲勞強度與耐腐蝕性下降，配合性質改變。

3.1.2 尺寸超差，尤其是在精車成型和精磨成型階段，雖然現在大多成型工序都已實現數控操作，很少存在人為因素引起的不合格現象，但在實際生產中，也常會遇到由于機床故障、中心架偏差、刀片磨損、砂輪角度控制不準等原因造成的尺寸微量超差，這些問題不易發現，較難受人為控制，會引起批量質量問題，嚴重影響質量等級評定。

3.1.3 不同軸：當工件加工柱面時，由于工藝要求兩次裝夾后，同軸線的柱面不同部分或不同柱面加工完后的不同軸現象，主要是二次裝夾時未找正回轉軸中心。

3.1.4 加工長軸圓柱度超差。在實際生產中尤其是加工稍長軸的過程發現，加工出來的工件會出現一定的錐度，加工的余量越大，錐度越明顯，往往會使工件的圓柱度超差，通過分析得知，產生這一現象的原因是機床主軸與機床尾座的剛度不同造成的，尾座的剛度比較弱，在加工的過程中，刀具距離尾座越近工件向后退讓的距離越大，導致工件的尾端尺寸增大，造成工件的圓柱度誤差。

3.2 解決方案

3.2.1 控制機械加工的主軸轉速，使用較高或者較低的轉速，避開產生積屑瘤的速度范圍。

3.2.2 適當加大刀具前角，減小進給量、提高刀具表面刀磨質量、選用潤滑性良好的切削液。

3.2.3 定期檢查設備和工裝，校對基準，在生產過程中，做到檢查每根轉軸的每個工序所涉及的每個尺寸，加強和細化自檢互檢終檢工作，發現誤差及時糾正，使不合格現象能在本單位甚至本工序得到及時發現和糾正。

3.2.4 在精加過程中做好頂尖孔和夾位的修正，保證基準精度。這是后續精車成型和精磨成型的基礎。

3.2.5 長軸圓柱度超差可以通過多次走刀，減少精加工余量的辦法解決；也可以通過安裝中心架來提高工件的剛度解決，但這兩種方法在實際批量生產中都會降低生產效率。為了不影響機床的生產效率，作者利用了數控機床本身的特點，提出了更加有效的解決辦法。具體做法是：先試切幾個軸，然后測出所加工圓柱面的兩端直徑差，再把加工程序改成與試件錐度相反的加工錐面的程序就可解決問題。

4 其他因素

（1）產品在生產的各工序之間流轉，不可避免地出現一些磕碰傷、壓痕等缺陷。這些缺陷雖然微小，而且大多不影響使用，但從對產品質量負責，從對公司品牌形象影響的角度考慮，再微小的缺陷也是不被允許的。這些缺陷可通過工藝流程的合理安排，盡量減少產品的流轉次數，各類工裝做好防磕碰處理，流轉過程中盡量輕拿輕放等預防性措施。對已經出現的小磕碰傷可人工打磨擦拭干凈。

（2） 標識也是轉軸質量的一個非常重要的環節，在不斷深化的精益生產過程中，標識的流轉打印都顯得越來越重要，它是每根轉軸的身份證，具有唯一性，可識別性，可追溯性。根據實際經驗，要實現每根軸一個標識卡，成品轉軸實現軸端鋼印標識，標識卡等控制文件保存十年以上等，以此實現產品質量可控可追溯的目的。

（3）如今的各大生產企業為了降低生產成本，減少不必要的庫存浪費，都會采用拉動式生產管理。這種管理方式要求按訂單生產，在實際生產中，往往由于訂單數量增多、生產周期的縮短，導致對轉軸這種生產中包含了多種特殊過程的產品沒有充足自然時效時間，影響內部應力的釋放。在實際生產中也多次發現轉子已經裝配好后出現彎曲的現象，影響整個電機的裝配質量。這與生產周期的縮短是有沖突之處的。所以我們必須保證生產周期的合理性，不然只能增加去應力回火工序，通過人工時效減少內應力以降低彎曲，這也勢必會造成生產成本的增加。

5 結束語

轉軸的生產在技術和工藝越來越成熟的今天，對細節的把控顯得越來越重要。2014年在對我公司生產的某內燃機車和某動車電機用的兩種轉軸的生產統計發現，全年造成的各類缺陷遍布鍛造機加熱處理等各個工序。其中原因包括材料缺陷、工藝試制時的調整、人為因素、設備及工具工裝等問題。除去原材料缺陷，大多因素都是可控可避免的。所以轉軸的精益生產不只是依靠先進的設計理念和生產技術，不只是提升工藝水平和設備能力等，還要有更創新的管理理念和持續的改進機制，要有每個人對工作執著的信念和對自身素養不斷的追求。在我們主要靠人生產的現階段，離像德國那樣的高自動化生產還有很長的一段路要走。

參考文獻

[1]鍛造學[Z].

[2]金屬熱處理[Z].

[3]機械加工手冊[Z].