某變速箱結構改進與加工工藝研究

劉天寓

（1.同濟大學汽車學院，上海 201804；2.上汽通用汽車有限公司，上海 201206）

0 前言

汽車自動起停技術是未來汽車節能技術的主流趨勢，通用公司擬將自動起停技術運用在全新車型中，而采用自動起停技術則需要改進設計，制造出新一代變速箱。

本文以變速箱產品結構的變動，由此引起的產品線的工藝和設備改動作為研究課題，探討出如何在最短時間內以最小的投入獲得最大的產出。通過對變速箱殼體加工線的換型進行結構分析，從加工工藝、刀具、工裝夾具、產量、工時平衡率等方面進行考量，從而制定新的工藝和工裝夾具，開發設計新型號變速箱的加工程序，實現原變速箱與新一代變速箱的柔性化生產線，為產品實現共線生產和提高產品線生產效率提供了依據和參考。

1 某變速箱結構改進設計及工藝分析

1.1 變速箱結構改進設計

采用自動起停技術后，衍生出新一代變速箱，與原變速箱相比，主要增加了蓄能器及充液電磁閥。

圖1所示為偏置式雙作用葉片泵。采用偏置式雙作用葉片泵來取代原內嚙合齒輪泵。雙作用葉片泵直徑要比原變速器的內嚙合齒輪泵更小。一方面，雙作用葉片泵體積較小，減輕了油泵的質量。另一方面，采用的鏈條驅動偏離中心的布置方式，使得油泵的吸油口位置更低，更有利于油泵的吸油。

圖1 偏置式雙作用葉片泵

圖2 （a）為齒輪泵安裝示意圖，圖2（b）為偏置式葉片泵安裝示意圖。變速器殼體及殼體內部腔體結構設計進行了調整，新型號變速器的殼體采用了更高效的油位設計方案，并優化了傳動系統布置。

圖2 齒輪泵及偏置式葉片泵安裝位置

離合器摩擦片采用創新性摩擦材料，并采用全新溝槽設計，以改善換檔品質，新型單向離合器由粉末冶金改為鋁材料。而全鋁殼體設計，大大減輕變速箱的質量，轉動慣量更小，油耗更低。

1.2 某代新型變速箱工藝內容的差異

G2和G3變速箱均為鋁合金材質，由于結構的變動，帶來了工藝的變化。首先區分新舊型號產品間工藝的差異，找出關鍵的差異點。對于不同的加工內容，需要在原加工程序中進行調整，修改加工程序中的部分參數及加工位置等數據。經過比對，G3變速箱工藝差異如表1所示。

表1 新舊型號變速箱產品結構差異

2 變速箱生產線的節拍分析與計算

2.1 原變速箱工時平衡率

生產線的節拍是指連續完成相同的兩個產品之間的間隔時間，生產線中瓶頸時間被設定為生產節拍時間。計算公式為

式中，OT是可用工作時間；D是每天客戶需求的產量。

當產品結構改變時，加工工序隨之發生變化，原先的生產節拍平衡被打破，需要建立新的生產節拍平衡，以滿足新的生產需求。

變速箱通過6臺加工中心來完成，前5臺為粗加工和精加工，最后1臺則主要滿足光潔度和形位公差要求的高精加工。每臺加工中心設備加工節拍確定了每個工位完成的工作速率。

新一代變速箱由于結構改動需在原生產線上增加加工工序，所以先來測算原變速箱工時，測得其最小的工序節拍時間為工位OP10的201s，最大的工序節拍時間為工位OP20的210s。原變速箱工時節拍基本平衡，見圖3。

圖3 原型號變速箱工時節拍

考慮到設備維護保養等因素，設備工作效率設定為85%，根據線平均率公式，可得出原變速箱的線平衡率為97.98%，產量為116件。

2.2 新工藝的節拍計算

2.2.1 新產品工藝刀具研究

加工中心刀具的節拍是由換刀時間和切削時間組成，換刀時間取決于刀在刀庫的位置，一般加工中心的換刀時間為3～4s左右。

刀具的切削時間分為快速進給時間和切削進給時間，切削時間對節拍影響最大，合理選擇刀具材料和刀具切削參數對提高節拍來說至關重要。

鋁合金硅含量不同，所選擇的切削參數不同，硅含量低，切削速度高。通用的變速箱鋁合金材料硅含量低于7.8，所以刀具可選擇較高的切削速度。

對于硅＜13%的鋁合金，刀具則在加工精度要求不高時，選用硬質合金鋼和高速鋼。在加工精度要求較高時，可選用聚晶金剛石刀具（PCD）或金剛石刀具。

當切削速度為70～800m／min（小型釬焊刀具取值較小，切削速度為70～230m／min），進給量在車削時為0.05～0.3mm／（r·min）－1，銑削時為0.05～0.25mm。

PCD刀具切削參數見表2，金剛石刀具切削參數見表3。

表2 PCD刀具切削參數

表3 金剛石刀具切削參數

2.2.2 新增工時計算

新一代變速箱因結構改動需在原生產線上增加加工工序，然而工序增加要考慮生產線平衡問題。

為了工序分配合理，先將新增加工內容（不包括位置移動的孔位）所需的時間通過公式計算出來，為工序平衡提供依據。

加工中心生產所需的時間可采用以下一系列公式進行理論計算

式中：D為刀具直徑，單位mm；Vc為切削線速度，單位m／min；S為主軸速度，單位r／min。

式中：Vf為速度，單位 mm／min；Zn為刀刃數；Fz為每一刃進給量，單位mm／r。

式中：t為金加工時間（不包括換刀時間和點位到達時間），單位min；l為加工長度或深度，單位mm。

通過加工時間計算，以及刀具參數的制定，得出工序增加所需的加工時間。加工精度要求越高，切屑速度越大，銑削速度一般大于粗精加工。

通過理論計算得知E面需增加加工時間為27.9 s，T面需增加加工時間為14.1s。

3 改造方案的工時節拍平衡

如何通過合理工位分配來得到優化工時平衡，消除浪費，提高生產效率，以最低的投入，獲得新的變速箱殼體成品，是工藝研究的關鍵。

工藝方案設計原則為：

（1）在原變速箱的工藝的基礎上進行更改以形成新一代變速箱的工藝；

（2）合理布局工序，消除等待浪費，達到工時平衡，與原型號相比，損失工時在5%以內，即最大工序節拍時間不能大于220.5s。

（3）盡可能考慮原有面粗加工和精加工布局，減少加工夾具的改動；

（4）在利用現有刀具的同時，采用組合刀具，提高工時節拍。

3.1 新型號變速箱工序分析

參考原變速箱的加工工時，原OP10的加工工時小于OP30的加工工時，故在分配新加工工藝時，將占主要時間的E面加工工序安排在OP10，而將T面的加工工序分配在OP30。

將所需的工時疊加在原變速箱節拍上，如圖4。OP10的工時為228.8s，超出了220.5s的目標值。

圖4 新型號變速箱工時

線平衡率為

式中：ti為工站i的時間；S為合計臺數；r為瓶頸工時。

其中，瓶頸工時為工位OP10的228.8s。新一代變速箱線平衡率為92.9%。

新一代變速箱加工中心生產線的班產量計算如下

式中，OT為可用工作時間；CT為加工節拍；D為每天客戶需求的產量。

考慮到設備維護保養等取設備工作效率為85%，通過上述計算，得知新一代變速箱的線平衡率為92.9%，班產量為106件。

3.2 解決工序不平衡問題

由圖5可知，加入新工藝后的OP10節拍超出了規定的目標節拍，影響了整線的上料節拍，需要縮短OP10工位的節拍，才能提高整線平衡率，故需要優化OP10的工序。

對于定位銷孔M1和M2，原加工工藝采用兩次加工，不僅增加換刀工序，而且多次換刀也易影響加工精度。現可采用復合性刀具代替普通的單一性刀具，在一次換刀加工中完成相同工序內容，從而縮短加工和輔助時間，平衡工時節拍。

原先鉆孔時間為20.5s，鉸孔時間為11.4s，合計時間為31.9s。若采用復合鉆／鉸刀進行一次性加工，只需要10.9s，可以提升理論節拍時間21s，也就是說OP10的節拍時間從原來的228.8s減少到207.8s。

將所需的工時重新在原變速箱節拍上進行疊加，形成了新型號變速箱的工位節拍圖（圖5）。

圖5 新型號變速箱調整后工時

改進后OP10的工序時間已不是瓶頸口，最大的工序時間來自于OP30，OP30的工序時間為220.4s。

線平衡率為

式中，ti為工站i時間；S為合計臺數；r為瓶頸工時。

新一代變速箱線平衡率為95%，加工中心生產線的班產量為111件。經過優化的新一代變速箱線最大工序工時為220.4s，小于220.5s的目標值。新一代變速箱線的平衡率由原來的92.9%提升至95%，生產線的班產量從106件提升到111件。

4 柔性化改造方案的實施

4.1 加工程序的編制與調試

加入新工藝后的OP10節拍超出了規定的目標節拍，影響了整線的上料節拍，需要縮短OP10工位的節拍，才有可能恢復原有的整線平衡狀態。故需要對OP10的加工進行優化。

對于定位銷孔M1和M2，原G2加工程序中，分別使用TC01004和TC01005兩把鉆進行加工。現考慮到OP10節拍緊張，設計成PCD粗精一體復合刀具。TC1024加工全部采用G3型號M1／M3孔。將復合性刀具替代普通的單一性刀具，在一次換刀加工中完成相同工序內容，從而使機動時間和輔助時間縮短，提高生產效率，平衡工時節拍。G3加工程序（M1／M2）采用復合性新刀TC1024。

4.2 加工中心夾具研究及改造方案

加工中心夾具劃分為粗加工夾具、半精加工夾具和精加工夾具等幾種類型。

對于此次夾具改造，由于G2與G3變速箱結構接近，就新一代變速箱而言，基準無變化，故原先的基準孔、基準面等不做調整，只需對加工時的干涉部分進行更改。

由于G3系列變速箱有多款型號需要同時生產，實現各種型號工件的柔性生產就必須對夾具提出兼容性的要求。就毛坯尺寸方面，與原變速箱相比，新一代變速箱增加了B、S等面的厚度。因此，需要對原設備夾具裝置的干涉部分進行線切割或打磨。對于部分行程有限的夾緊油缸，無法滿足新型號變速箱的夾緊要求，所以需要更換更大行程的夾緊油缸。

5 結語

為了實現多品種共線生產，加工中心生產線只要提高設備的柔性化程度，采用柔性化的夾具和刀具，不用添加新的設備，完全能達到混線生產的目的。

結合設備的夾具、刀具參數等約束信息，合理規劃新型號變速箱的工藝，通過工序的重新合理分配，獲得新的工藝流程和工序。

通過工藝手段消除等待浪費，達到工時平衡對柔性加工線來說尤為重要，這關系到產品的產量和生產效率。復合刀具以及刀具材料的選用可以有效地減少加工時間。PCD刀具用于鋁合金殼體的加工，由于其高硬度、耐磨性能和較高的切削速度，提高了生產效率。