同步環工藝開發

楊俊臣

（陜西法士特齒輪有限責任公司，陜西 西安 710077）

1 同步環介紹

同步環屬于典型的環狀薄壁件，屬于薄壁易變形件，加工過程中易變形，而且尺寸精度要求很高，例如錐口出入量為±0.05mm（錐口直徑的理論位置距離端面的高度，如圖1所示），轉換成直徑公差為±0.013mm，錐面的圓度要求0.015mm。

圖1 錐口出入量示意圖

在樣件和小批量階段由于零件在加工過程中的變形問題，導致成品合格率很低，不足50%，加工效率低導致產能無法滿足生產質量要求，如果要批量生產必須解決小批量生產過程中所有的技術難題，如圖2所示為外環。

圖2 同步環示意圖

2 機加工藝技術難點開發

2.1 同步環平面度質量提升

2.1.1 問題描述

同步環屬于薄壁易變形件，熱處理變形很大，熱處理后的平面度在0.05mm~0.08mm，熱后加工工序為磨端面→磨另一端面→磨錐面。

要保證磨錐面時的錐口尺寸以及圓度的精度要求，必須要保證其加工定位面的平面度在0.02mm以內。但是常用的平面磨床（如M7475B）由于零件加工定位面平面度差，加工過程中工件存在吸緊變形，所以很難滿足磨削面平面度要求。傳統的多次翻面磨法[1]精度不穩定，生產效率低，無法進行批量生產。

2.1.2 解決措施

通過設計平面磨工裝，采用3個凸臺定位，如圖3所示。首先工裝有一定的高度，可以有效降低平面磨磁力工作臺對零件的影響，其次該工裝有定位環和定位銷，可有效定位零件，在不吸緊的前提下防止零件在磨削過程中移動。

圖3 圓臺磨工裝

2.1.3 驗證效果

通過將近3萬件的批量生產驗證，該方案可以使零件平面度在0.02mm以內，保證后續磨內錐工序錐面的尺寸精度。

2.2 提升同步環兩端面平行度

2.2.1 問題描述

同步環其結構如圖4所示，在磨大端面時小面定位為3個凸臺，零件的剛性進一步變差。調小磨床吸盤磁力，會導致零件吸不住，調大磁力會使零件變形，導致2個凸臺中間的面會有塌陷的情況，平行度在0.06mm~0.08mm，無法滿足后續加工和檢測的精度要求。

圖4 同步環外環

2.2.2 解決措施

設計工裝，如圖5所示。工裝上開有6個槽，零件在放置時零件的六爪和工裝6個槽壁貼實。機床工作臺通磁后，該工裝可以防止零件轉動和移動。將機床磁力調到最大，該工裝帶磁后可以吸緊六爪側面，如圖6畫圈所示部位，起到提高零件磨削剛性的作用。

圖5 圓臺磨工裝

圖6 工裝和工件配合

2.2.3 驗證效果

經過批量驗證，該方案可以保證大面的平面度在0.02mm以內，2個面的平行度在0.02mm以內。

2.3 量產提速

2.3.1 問題描述

由于同步環的材料是SCr415H，表面硬度大于670HV，現有的砂輪和零件材料不匹配，出現磨削效率低、尺寸精度難保證等一系列問題。

2.3.2 解決措施以及改善效果

對砂輪的材質、粒度、硬度以及黏合劑進行重新選型配比，改善效果見表1。同時對砂輪直徑重新選型，經過研究發現砂輪直徑為零件待加工內孔直徑的70%~90%時，加工出的零件尺寸精度更穩定，磨削效率更高[1]，同步環外環有12個品種，大小不一，根據分類，對應的砂輪直徑分為4類：φ75mm、φ100mm、φ120mm和φ150mm。

表1 同步環介紹

2.4 同步環錐口出入量以及圓度的快速測量

2.4.1 問題描述

傳統的錐口出入量檢測方法為手動檢具測量，如圖7所示，測量方法為將測量錐規與被測零件錐面配合后，加上配重塊，用高度尺測量錐規表面和零件表面的高度差，需要均布測量4個位置。

圖7 手動檢具

測量1個零件需要1min~1.5min，工人勞動強度大。錐面圓度通過圓度儀測量，測量1個零件熟練操作需要2min左右，嚴重影響加工效率。

2.4.2 解決措施

采用軸承測量儀，利用三點定位測圓度法檢測圓度。如圖8所示。查國標GB/T4380-2004圓度評定的三點法可知。

f=Δ÷F

式中：f—實際圓度誤差值；Δ—測量值，即最大最小讀數誤差值；F—反映系數。

由于被測零件的楞數未知，要通過查表得到反映系數F很難。由公式不難看出實際圓度誤差和測量誤差有一個恒定的杠桿比系數，所以鑒于實際情況抽檢了10個零件分別用軸承測量儀和圓度儀檢測圓度，算出該儀器的反映系數為1.42。也就是說用軸承測量議測得的數值乘以0.7即是實際的圓度誤差。軸承測量儀每次調整后需要重新核對反映系數，軸承測量儀器如圖8所示。

圖8 檢測零件

錐口出入量測量采用對比測量法，每班的首件用手動檢具測定后作為該班次的標準件，在軸承測量儀上對零。根據直徑和高度的三角函數關系，通過軸承測量儀監控直徑的變化來反映高度的變化，這里需要注意內錐面是觀察直徑變化最小點，外錐面是觀察直徑變化最大點。

2.4.3 驗證效果

該測量方法通過批量跟蹤驗證目前已經應用在批量生產中，并在工藝中固化。

2.5 磨內錐質量提升

2.5.1 問題描述

同步環外環如圖9所示，該零件小端面都有3個凸臺，在磨錐面時需要用該面定位，導致零件的加工剛性很差。最初采用永磁吸盤，由于磁力無法調整，零件存在吸緊變形，無法保證錐面圓度為 0.015mm 。

圖9 同步環外環

2.5.2 解決措施

對現有的機床進行電磁吸盤改造，電磁大小可調，工裝夾緊定位方式為零件外齒定位，端面吸緊，為了保證工裝將電磁力有效地傳遞給零件，對工裝外圓和定位環做鋁圈隔磁處理。由于定位環需要頻繁更換，為了提高鋁圈的使用壽命，在鋁圈和定位環之間設計過渡連接盤，具體如圖10所示。

圖10 電磁吸盤工裝

為了保證產品的質量和合格率，需要對電磁吸盤的電流大小、粗磨和精磨的磨量、砂輪修整量、磨削速度、光整時間、砂輪轉速進行重新摸索。經過反復摸索最終定型的工藝參數如下：粗磨給精磨留量單邊0.02mm，粗磨磨削速度0.12mm/min；砂輪修整量單邊0.04mm；精磨速度0.02mm/min；光整時間10s；砂輪轉速6300轉/min；電流0.5A。

2.5.3 驗證效果

產品合格率由原來的不足70%提高到99.8%。

3 亞溫淬火工藝研究

3.1 問題描述

同步環的材料為SCr415H，具有高淬透性，為了保證尺寸要求須采用壓淬工藝，而圖紙上零件心部硬度要求低（21HRC~35HRC），變形要求高（不超過0.08mm）。按照傳統壓淬工藝，零件心部硬度高（42HRC~45HRC），變形大（大于0.10mm）。為了滿足產品表面硬度、心部硬度及變形要求，需要在熱處理壓淬過程予以攻關解決。

3.2 解決措施

亞溫淬火工藝雖然在熱處理鐵—碳相圖基礎理論上具有可執行性，但是實際只應用于其他個別行業[2]。該文對項目所使用的零件技術要求和現有設備條件進行工藝研究。項目的難點在于亞溫淬火工藝參數的設定以及壓淬模具的設計。

3.2.1 亞溫淬火工藝參數的確定

在壓淬過程中，需要綜合考慮加熱溫度、加熱時間、冷卻時間以及模具結構等一系列工藝參數，這些因素共同作用，表征出心部硬度的情況。所以需要通過一系列對比正交工藝試驗，來摸索加熱溫度、加熱時間、冷卻方式以及模具結構這些工藝參數。研究出亞溫淬火狀態下，同步環零件的心部硬度和變形情況與熱處理工藝參數的對應關系，并耦合出最佳工藝參數。

3.2.2 壓淬模具尺寸確定

壓淬模具的尺寸是基于零件冷熱變形規律來進行調整的，需要進行多輪冷熱變形試驗來摸索出模具的最佳尺寸。

3.2.3 驗證效果

解決了SCr415H材料同步環零件心部硬度超差和不穩定的難題，解決了壓淬過程零件尺寸變形離散度大的問題，最終產品心部硬度和尺寸變形的穩定性和一致性都符合產品要求，零件壓淬工序整體合格率提高到99%以上。

同時填補了公司在熱處理壓淬工藝上關于亞溫淬火方面的空白，為后續其他壓淬類零件（如齒套、齒圈等）熱處理工藝的多樣性、產品設計多樣性提供了基礎數據。

另外亞溫淬火工藝溫度和碳勢低，所以在節能降耗方面也有優勢。

4 結論

薄壁易變性類零件在加工中的變形問題一直以來是影響產品質量穩定性的主要因素，如何有效消除加工中的變形，需要基于零件的結構、材料以及加工方法來綜合考慮。上述工藝措施通過將近十萬件的批量生產證實有效，產品合格率穩定在99.5%左右，可以有效提高產品加工效率以及質量的穩定性，在薄壁環類零件的加工中可以作為參考。