車削汽車變速器齒輪軸問題分析與解決

潘藝友

沈陽機床（集團）有限責任公司沈陽第一機床廠 遼寧沈陽 110042

1 序言

變速器是汽車的核心部件，有著舉足輕重的地位。汽車制造商投入大量的人力、物力和財力對其進行研發，對其部件的制造也不斷提出更高的要求，對機床的加工性能、效率和穩定性等也提出了更高的挑戰。德國某客戶訂購我廠數控車床用于加工變速器齒輪軸，對于零件重要尺寸要求連續抽取60件樣本（一般標準抽取樣本數量為50件）進行檢測，并且機床加工采用自動生產線上下料方式，在不進行人工干預調整的情況下，連續加工使得Cmk≥1.67，或Cm≥2。車削范圍是除兩端面及端面孔外的所有尺寸。

2 零件結構及尺寸

圖1為客戶提供的零件圖樣，重要尺寸分為徑向和軸向。源于車削工序的特點，若X軸尺寸出現誤差，則反映到徑向誤差就會加倍。本文重點討論徑向尺寸加工時出現的問題和解決方法。

圖1 零件圖樣

3 加工設備及檢測需求分析

為滿足客戶要求，從人、機器設備、材料、方法、環境和測量六個角度進行考慮。

（1）機床精度 針對該項目，我廠從加工到裝配對零件的精度提高了30%，出廠檢驗標準在國標基礎上再次提高60%左右。

（2）夾具精度及毛坯一致性 若夾具裝夾及定位方式出現誤差，則該項目就無法完成。同時由于客戶對毛坯也有Cmk要求，所以要考慮毛坯一致性問題。加工后的毛坯應力已得到釋放，對毛坯進行小批量檢測后，發現一致性較好，對加工的影響相對不大。

（3）刀具 整個切削過程要求采用空氣冷卻。考慮到加工過程中會出現刀具磨損，必須做出分析應對。

（4）檢測 由于對加工后的零件進行測量需考慮測量環境及人為因素等，故加工后的零件必須放在恒溫室20℃靜置24h以上，然后安排專人采用專業設備進行檢測。

4 夾具選型

該零件除倒角及工藝槽外，要求所有外圓相對兩端頂尖孔（A、B基準）的徑向圓跳動在φ0.02mm以內，所以最后一個工序采用常規液壓卡盤進行二次裝夾的方式不能滿足要求。考慮了三種方案，具體分析如下。

（1）方案一 前兩個工序粗車采用一夾一頂的裝夾方式，最后一個工序采用兩頂尖方式進行車削在理論上是可行的，但是若采用常規液壓卡盤進行裝夾，由于剛性定位形式及毛坯料差異等原因，零件既受卡盤夾緊力，同時又受尾座頂緊力的作用，導致零件軸線和母線產生彎曲，使得第二次裝夾因零件變形而產生定位不同心的情況，且加工過程中易產生振動，故該方案不可取。

（2）方案二 既然剛性定位方式不可取，則在裝夾方式不變的前提下，可采用頂尖浮動卡盤及后拉卡盤進行粗車，雙頂尖方式進行精車。這兩種卡盤均為補償式卡盤，頂尖做定心，卡爪浮動夾緊，能對尾座產生頂緊力而發生的偏移做一定的“糾正”，彌補了因剛性定位方式導致零件產生變形的不足。該方案雖然解決了裝夾問題，但是由于客戶對零件加工節拍和機床數量不滿意，故不采納。

（3）方案三 要解決節拍問題，就要考慮減少因多次裝夾而產生的用時問題。采用頂尖驅動卡盤可將傳統加工的三道工序合并為一道工序。

頂尖驅動卡盤是在原補償卡盤的基礎上增加驅動頂尖，在一道工序中既能滿足去除工件大余量的半精加工，也可滿足雙頂方式的精加工。配備的液壓缸采用雙活塞動作及雙拉桿形式。當進行半精加工時，頂尖定心同時浮動夾緊工件，此時卡盤有較大的夾緊力，能進行大吃刀量車削；當進行精加工時，卡盤退回驅動頂尖，從頂尖內伸出，實現去除工件較小余量的精加工。通過兩次液壓缸動作切換（卡盤頂尖位置不變，且始終受尾座頂緊力作用）實現了一次裝夾完成齒輪軸所有外圓的加工。頂尖驅動卡盤卡爪夾緊動作（去除大余量加工）如圖2所示，驅動卡盤退回及驅動頂尖伸出狀態（精加工）如圖3所示。

圖2 頂尖驅動卡盤卡爪夾緊動作（去除大余量加工）

圖3 驅動卡盤退回及驅動頂尖伸出狀態（精加工）

通過以上分析可知，采用方案三能夠滿足裝夾、節拍要求。采用德國生產的頂尖驅動卡盤，頂尖端面定位精度在2‰，徑向圓跳動在1‰，可滿足加工要求。此夾具結構復雜，成本較高，但從總體上來看，可節省加工時間和場地面積，減少設備和操作人員數量，比較合適。

5 溫度影響及補償

對一批零件進行測試，檢測結果顯示Cm為1.55，Cmk為0.48。零件直徑從第12件開始出現異常，第31件后除個別外趨于穩定。12～31號直徑尺寸波動明顯，且有明顯下降趨勢，這種趨勢不符合刀具磨損的理論規律，必須查找原因。

經分析，產生這種現象的原因是該機床X軸采用單支撐形式，加工過程中因溫度影響而產生零點漂移現象。前12件溫度上升較慢，對絲杠的影響較小；從第12件開始溫度影響增加，導致絲杠“伸長”；在第31件以后由于溫度平衡而趨于穩定。前面所提到的X軸誤差放大效應，在這里明顯體現。

在X軸絲杠軸承座用溫度槍量取溫度，通過激光干涉儀進行記錄。軸承座溫度分別在20.0℃、23.1℃和27.8℃時繪制定位精度曲線（見圖4）。橫坐標為絲杠行程（0mm處為絲杠固定端，150mm處為自由懸伸端），縱坐標為定位誤差。取橫坐標150mm處為參照，在20.0℃時，定位誤差為 －14.4μm；在23.1℃時，定位誤差為－9.0μm；在27.8℃時，定位誤差為－0.7μm。可知絲杠定位誤差隨溫度升高而減小。當軸承座溫度達到27.8℃后，溫度不再上升，說明絲杠機構達到熱平衡狀態。在27.8℃時，曲線的定位誤差最小，說明定位精度在此溫度下相對穩定。

圖4 定位精度曲線

在軸承座上放置溫度傳感器，多次測量定位精度，進一步提取樣本數據，繪制行程-定位精度曲線。將測量的數據與數控系統進行連接，將測試結果輸錄在軟件當中進行模擬分析，模擬出“定位誤差補償”的趨勢，對機床進行實時在線補償。通過大量數據采集，依次進行調整，達到絲杠穩定的最佳狀態。

采用這種補償方法可以減少機床的熱機時間，在最短時間內保證機床熱平衡精度穩定。通過實施此種補償方法，對單支撐絲杠結構的機床進行補償調整，使得X軸絲杠精度得到一定程度的修復，同時也為單支撐絲杠結構因熱平衡設計造成的失誤提供了一種補救修正方法。

調整完絲杠零點漂移帶來的誤差后，再次進行一輪車削試驗，記錄結果并繪制成曲線。此時Cmk取值為1.63，接近要求值。

從趨勢報告中可知，由于絲杠溫度誤差產生零點漂移現象導致的V形曲線已經通過修正進行“抵消”，從而進一步證明之前的分析判斷及解決方法是正確的。但曲線整體相對有上升趨勢，從外形上看呈現出一條“擬合”的一次函數形狀，故可分析刀具磨損規律，采用宏程序進行系統自動補償，并將向上的平均值向理論平均值處調整。

6 刀具影響分析與解決

由于車床是回轉體加工機床，因此當刀具磨損Δ時，會使得工件直徑尺寸放大到2Δ。在消除溫度影響的情況下，刀具影響問題逐步顯現。

更換新刀片后進行車削，60件樣本直徑平均值與理論平均值相對發生向上的偏移。從測量結果上看，前11件直徑略有波動但總體相對平穩，第11～20件直徑波動有“急劇”抬升趨勢，第21件后整體平穩，但總體趨勢有所上升，該結果的變化符合刀具磨損規律。

對于刀具影響的解決方法如下。

1）準備階段。進行自動生產線加工前，使零件毛坯狀態尺寸相同，且幾何公差達到合格及一致性要求，保證加工時刀具吃刀量一致；使數控車床的運行溫度穩定保持在一定的恒溫狀態下。

2）在數控車床自動生產線連續穩定加工的情況下，對零件進行分組抽檢。對被抽檢的零件進行風冷，達到溫度環境一致，監控被加工零件尺寸波動情況。當被加工零件尺寸無變化時，只做零件數量上的序號統計；當被加工零件連續5件出現尺寸變化時，開始記錄這5件零件，序號分別為M＋1、M＋2、M＋3、M＋4和M＋5；以后加工的零件依次記錄序號為M＋6、M＋7、…、M＋N，其中M為連續5件出現變化之前加工零件的數量，即1～M號是尺寸平穩的零件，N為自發生變化起做記錄的零件數，M＋N為加工零件的總數。

3）將尺寸發生變化的這批零件放在20℃的恒溫檢測室內靜置24h，待零件溫度符合檢測要求后進行檢測，記錄檢測值并繪制“產生變化尺寸的零件序號N-尺寸”坐標圖，X軸為零件尺寸發生變化的序號N，Y軸為零件尺寸。

4）將此組數據分成S組，每組樣本數量為P并保證樣本數量的連續性。計算數值變化Δy，序號變化Δx，計算得出斜率k＝Δy/Δx。每組斜率分別為k1、k2、…、kS。將每組函數擬合出一條總體的函數曲線，函數表達式為y＝kx＋Q＝（Δy/Δx）x＋Q，其中Q為加工零件尺寸的平均值。

5）得到擬合函數表達式后，計算出與該函數關于X軸的對稱函數，將其變化趨勢以宏程序的形式表達出來，加入到數控程序中進行驗證。

邏輯控制方案如下。

步驟1：首先開始加工并記錄數據。

步驟2：監測零件尺寸是否有變化，若結果為“是”，則開始計數M＋1；若結果為“否”，回到步驟1。

步驟3：繼續加工并確定是否達到零件上限，結果為“是”進行下一步，結果為“否”循環此 步驟。

步驟4：確定零件個數是否滿足60件以上，結果為“是”進行下一步，結果為“否”分析原因，調整并重新加工，回到步驟1。

步驟5：連續加工M＋N件并記錄，然后停止 加工。

步驟6：恒溫后測量結果。

步驟7：對數據進行分析及計算函數。

步驟8：得出新函數結果，編輯輸入程序。

步驟9：輸入新函數后開始加工，系統記數。

步驟10：繼續加工，確定是否達到滿足加工數量M；結果為“是”執行下一步，結果為“否”循環此步驟。

步驟11：自動開始計數N，啟動宏程序進行 補償。

步驟12：系統記錄連續加工M＋N件。

步驟13：停止加工，恒溫后測量結果，得出 結論。

宏程序指令如下。

第一行：這里O9800（軟件名稱）為程序名稱，（ZDBC）為零件名稱。

第二行：如果地址100中的數值（開始加工的零件序號）≤地址803（設置的需要修正的序號）中的數值，程序將跳到第八行執行N200（繼續加工不進行補償）。

第三行：如果地址100中的數值＞地址803中的數值，程序將跳到第五行執行N100（啟動宏程序開始對加工零件尺寸進行修正）。

第四行：跳出程序O9800循環（加工結束）。

第五行：執行N100。

第六行：802地址中X軸刀補數值＝802地址中X軸刀補數值＋地址801中的數值再賦值給802地址中X軸刀補數值。

第七行：地址100中的數值賦值給地址803。

第八行：執行N200。

第九行：跳出程序O9800循環。

這里規定地址800中的數值為每多少件修正一次，即Δx；地址801中的數值為每次修正多少，即Δy；地址802中的數值為要調整的刀補號地址；地址803中的數值為前幾件不啟動宏程序修正。

輸入以上程序，更換新刀片，在與上次加工條件一致的情況下進行加工，當加工到第M件后開始計數M＋1、M＋2、…、M＋N′，采集到新一批零件數據并記錄新結果。

經過計算，60件樣本平均數為φ31.780367mm，其中最小值為φ31.773mm，最大值為φ31.786mm。樣本平均數符合零件要求的中值φ31.78mm并達到“零線值”。

為了進一步體現該組數據的穩定性，對其進行Cmk計算，得出Cm＝1.83，Cmk＝1.76≥1.67，穩定性達標且優秀。

通過以上分析可知，在連續加工60件不進行手動調整、相對公差帶較為嚴格的情況下，即便數控機床及夾具等精度較高，溫度和刀具磨損的影響也不容忽視。因原始數據中不僅包含了絲杠定位精度、夾具定位精度和零件毛坯頂尖孔精度，還摻雜了溫度、不同批次的刀片性能及磨損情況、加工切屑時產生的變形問題、機械手上下料的微觀影響以及其他不可預判的未知因素。經過大量實踐與分析后發現，機床精度、溫度及刀具磨損規律對Cmk結果影響最大，其余因素影響相對不明顯，但并不代表可以忽略，還應注意結合實際情況進行分析。

7 結束語

本文中每項方案的結果、過程分析與調整都是經過長期摸索才得到了驗收結果。要依實際工況研究溫度因素對加工精度的影響及刀具磨損規律，從而對機床進行實時在線補償，這樣機床的穩定性才能發揮出來，達到理想的結果。