半軸套管的加工

呂陽(yáng)峰，宋國(guó)品，張屹，王紹武，呂陽(yáng)雷

1. 第一拖拉機(jī)股份有限公司鑄鍛廠 河南洛陽(yáng) 471004

2. 第一拖拉機(jī)股份有限公司大拖公司 河南洛陽(yáng) 471004

1 序言

半軸套管是汽車驅(qū)動(dòng)橋總成上的重要零件，它與驅(qū)動(dòng)橋殼形成一體，使左右驅(qū)動(dòng)車輪的軸向相對(duì)位置固定，一起支承車架及其上的各總成質(zhì)量；同時(shí)在汽車行駛時(shí)承受由車輪傳來(lái)的路面反作用力和力矩，并經(jīng)懸架傳給車架。

圖1所示的半軸套管外形較長(zhǎng)，內(nèi)孔為通孔，屬于長(zhǎng)空心軸桿類零件，其性能要求：硬度32～38HRC，抗拉強(qiáng)度≥950MPa，伸長(zhǎng)率≥12%，屈服強(qiáng)度≥800MPa。檢測(cè)時(shí)試棒位置需要貼近外表面取得。金相分析位置：軸向和試棒位置相同，徑向距表面10mm處檢驗(yàn)，調(diào)質(zhì)金相組織等級(jí)1～4級(jí)，加工難度較大。

圖1 半軸套管

2 毛坯的選擇

（1）模鍛錘制坯（方案一） 工藝流程為：棒料加熱→鍛打→切邊沖孔。優(yōu)點(diǎn)：能滿足產(chǎn)品性能要求；缺點(diǎn)：毛坯長(zhǎng)1020mm，φ80mm的內(nèi)孔通孔無(wú)法沖出，內(nèi)孔機(jī)械加工費(fèi)用高、加工效率低。

（2）自由鍛制坯（方案二） 工藝流程為：棒料加熱→拔長(zhǎng)→沖孔。優(yōu)點(diǎn)：性能滿足要求。缺點(diǎn)：生產(chǎn)效率低；鍛造時(shí)無(wú)法沖出內(nèi)孔；內(nèi)孔機(jī)械加工費(fèi)用高、加工效率低。

（3）管材直接下料（方案三） 優(yōu)點(diǎn)：加工可行性強(qiáng)，余量小，效率高，成本費(fèi)用低；缺點(diǎn)：毛坯性能可能無(wú)法滿足要求（需要先進(jìn)行性能試驗(yàn)）。

經(jīng)分析驗(yàn)證并與客戶溝通后，決定選用方案三進(jìn)行零件的調(diào)試加工。

3 熱處理工藝的選擇

（1）熱處理及加工方案一 工藝流程：正火→調(diào)質(zhì)前粗加工→調(diào)質(zhì)→拋丸→探傷→精加工。優(yōu)點(diǎn)：性能符合要求；缺點(diǎn)：工序長(zhǎng)，成本高。

（2）熱處理及加工方案二 工藝流程：正火→調(diào)質(zhì)→拋丸→探傷→機(jī)械加工。優(yōu)點(diǎn)：工序短；缺點(diǎn)：性能有可能不符合要求（需要工藝驗(yàn)證）。

為保證零件質(zhì)量及性能要求，決定選用熱處理及加工方案一進(jìn)行零件的調(diào)試加工。同時(shí)驗(yàn)證毛坯方案三的可行性。

4 機(jī)械加工工藝的選擇

軸桿類零件的加工定位方式通常有兩種：一種是內(nèi)孔定位、外圓找正，為軸桿類零件加工定位方式的首選，但局限于定位內(nèi)孔圓度高的產(chǎn)品；另一種是外圓定位找正，通常適用于實(shí)心軸或需要進(jìn)行內(nèi)孔加工的軸類產(chǎn)品，可保證加工后的外圓和內(nèi)孔同軸度一致性好，但不適用于壁薄的套管類零件。

因半軸套管零件小頭端壁薄且端面需鉆、攻螺紋，加之選用了管坯，外圓與內(nèi)孔的同軸度差、加工余量小，所以常用的這兩種定位方式均不適用。根據(jù)零件特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)反復(fù)研究和工藝驗(yàn)證，確定半軸套管的定位找正方案為：大頭端以外圓找正，小頭端以內(nèi)孔找正，從而有效保證零件的加工尺寸及使用性能，提高生產(chǎn)效率。

半軸套管屬于軸類零件，具有螺紋、花鍵及鍵槽等固有特征。該產(chǎn)品所用φ200mm×60mm（國(guó)標(biāo)允許壁厚60+7.5-6.0mm）管材的外圓和φ80mm內(nèi)孔的同軸度差，調(diào)質(zhì)工序的彎曲變形增加了加工難度。小頭成品壁厚15mm，由于大頭外圓單邊加工余量?jī)H5mm，加工過(guò)程軸向圓跳動(dòng)大，因此基準(zhǔn)的選擇尤為重要。工藝開(kāi)發(fā)初期擬定了以下兩種加工方案。

（1）加工方案一 銑端面保證總長(zhǎng)、鏜孔口倒角（以內(nèi)孔為基準(zhǔn)定位）→鉆攻大頭端面M12×1.5mm螺紋孔→粗車一端外圓及端面→粗車另一端外圓及端面→精車大頭軸頸外圓→精車小頭軸頸外圓→打號(hào)→精修大頭中心孔→精修小頭中心孔→銑花鍵→磨φ190mm軸頸→磨φ150mm和φ160mm軸頸→磨φ162mm軸頸→銑鍵槽→檢驗(yàn)→入庫(kù)→發(fā)出。優(yōu)點(diǎn)是業(yè)內(nèi)通用首選的加工方式，因此零件內(nèi)孔不加工，所以成品的外圓和內(nèi)孔同軸度最佳。缺點(diǎn)是外圓可能會(huì)有留黑皮的現(xiàn)象。

（2）加工方案二 銑端面保證總長(zhǎng)、鏜孔口倒角（以外圓為基準(zhǔn)定位）→鉆攻大頭端面M12×1.5mm螺紋孔→粗車一端外圓及端面→粗車另一端外圓及端面→精車大頭軸頸外圓→精車小頭軸頸外圓→打號(hào)→精修大頭中心孔→精修小頭中心孔→銑花鍵→磨φ190mm軸頸→磨φ150mm和φ160mm軸頸→磨φ162mm軸頸→銑鍵槽→檢驗(yàn)→入庫(kù)→發(fā)出。優(yōu)點(diǎn)是業(yè)內(nèi)通用的加工方式，對(duì)于實(shí)心軸或者內(nèi)孔加工的軸類來(lái)說(shuō)，成品外圓和內(nèi)孔同軸度一致性較差。缺點(diǎn)是因小頭的壁厚薄，如果壁厚差相差大，則容易在使用過(guò)程中造成零件斷裂。

經(jīng)分析，最終選用加工方案一。初定總工藝路線為：下料→正火→調(diào)質(zhì)前粗加工→調(diào)質(zhì)→拋丸→探傷→銑端面保證總長(zhǎng)、鏜孔口倒角→鉆攻大頭端面M12×1.5mm螺紋孔→粗車一端外圓及端面→粗車另一端外圓及端面→精車大頭軸頸外圓→精車小頭軸頸外圓→打號(hào)→精修大頭中心孔→精修小頭中心孔→銑花鍵→磨φ190mm軸頸→磨φ150mm和φ160mm軸頸→磨φ162mm軸頸→銑鍵槽→檢驗(yàn)→入庫(kù)→發(fā)出。

5 工藝調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決辦法

工藝調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決辦法如下。

（1）下料總長(zhǎng)超差 圖樣中下料總長(zhǎng)為1023+3-1mm，但實(shí)際上鋸床下料尺寸偏長(zhǎng)，實(shí)測(cè)尺寸為1027～1030mm，造成后續(xù)粗車加工時(shí)余量不均。原因分析：端面斜度3～7mm，操作人員擔(dān)心后續(xù)加工不出來(lái)，人為加長(zhǎng)。解決辦法：一是調(diào)整設(shè)備；二是按頻次更換鋸條。

（2）外圓留黑皮 精車后，部分零件外圓留黑皮（見(jiàn)圖2）。原因分析：零件大頭外圓單邊加工余量?jī)H5mm，毛坯外圓橢圓度≤2mm，壁厚差≤5mm，調(diào)質(zhì)后零件的彎曲變形量≤3mm的局限性，使得大頭端出現(xiàn)大量留黑皮（約15%）。原因分析：尺寸保證困難，不良品、廢品率高。解決辦法：大頭端以外圓找正加工，小頭端以內(nèi)孔找正加工。此加工方案不是業(yè)內(nèi)通用的加工方式，可能存在零件在裝配后軸向圓跳動(dòng)大的情況。經(jīng)了解和此零件裝配相關(guān)的子工件及裝配情況后得知，若軸向圓跳動(dòng)≤2mm，則不影響使用，因此該加工方案可以保證零件的尺寸及使用性能要求。工藝改進(jìn)前后的加工效果如圖3所示。

圖2 部分零件外圓留黑皮

圖3 工藝改進(jìn)前后的加工效果

（3）精修孔口倒角時(shí)圓度和軸向圓跳動(dòng)超差 孔口倒角如圖4所示。要求磨后軸頸總公差帶為0.025mm，軸向圓跳動(dòng)≤0.03mm。因磨床自身的圓度和錐度為0.010～0.015mm，所以倒角的圓度和軸向圓跳動(dòng)對(duì)磨床保證尺寸的合格起著至關(guān)重要的作用。原因分析：帶軸承的中心架本身就有間隙，無(wú)法保證圓度。解決辦法：更換為不帶軸承的中心架。

圖4 孔口倒角

（4）花鍵的有效長(zhǎng)度超差 花鍵尺寸如圖5所示，要求花鍵有效長(zhǎng)度為43.5+1+0mm，而在實(shí)際生產(chǎn)中，短的有42.5mm，長(zhǎng)的有45.7mm。原因分析：①花鍵銑刀零點(diǎn)不好確定。②倒角及相關(guān)軸頸臺(tái)階的線性尺寸對(duì)花鍵的加工有影響。解決辦法：①更改數(shù)控車床的數(shù)控程序，對(duì)軸頸臺(tái)階的線性尺寸進(jìn)行控制。②倒角的線性尺寸加嚴(yán)公差，保證其一致性。

圖5 花鍵尺寸

（5）加工效率低、軸向圓跳動(dòng)一致性差 數(shù)控車班產(chǎn)量為3件/班，圖樣要求軸向圓跳動(dòng)0.03mm，而實(shí)際生產(chǎn)中有0.06mm，還有0.1mm。原因分析：①大頭外圓余量小，加工時(shí)長(zhǎng)約20min；小頭外圓余量大，同時(shí)存在螺紋和鍵槽的加工，加工時(shí)長(zhǎng)約70min。加工時(shí)間不匹配。②大頭外圓和小頭外圓的加工需二次裝夾，且需要兩臺(tái)設(shè)備加工。要求所用設(shè)備一致性好，操作人員找正水平高，只有這樣才能滿足圖樣對(duì)該零件的軸向圓跳動(dòng)要求，否則會(huì)增大軸向圓跳動(dòng)超差的風(fēng)險(xiǎn)。因設(shè)備陳舊、精度差且人員流動(dòng)頻繁，所以易造成不良品、廢品率升高。解決辦法：①將循環(huán)程序修改為G00和G01，減少空走刀時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。②為了保證零件的一致性，避免因軸向圓跳動(dòng)超差而導(dǎo)致零件報(bào)廢，經(jīng)客戶同意，在大頭端端面增加工藝螺紋孔，制作專用工裝，精加工時(shí)用頂尖頂緊兩端內(nèi)孔，專用工裝固定在螺紋孔內(nèi)，撥動(dòng)零件轉(zhuǎn)動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)一次裝夾同時(shí)完成大、小頭端外圓兩道工序的精加工。加工后零件的軸向圓跳動(dòng)及一致性滿足工藝要求，且只需一臺(tái)設(shè)備即可完成加工。

6 確定加工參數(shù)

選擇合適的設(shè)備及加工工藝參數(shù)對(duì)零件的質(zhì)量是有很大影響的，為此在確定進(jìn)給量時(shí)應(yīng)充分考慮被加工零件的材料及硬度。零件材料為42CrMo，硬度為32～38HRC，最初確定的銑床參數(shù)為：切削速度200r/min，切削深度3mm，進(jìn)給量0.5mm/r，由于試驗(yàn)時(shí)機(jī)床振動(dòng)嚴(yán)重，因此調(diào)整銑床參數(shù)為：切削速度280r/min，切削深度1.6mm，進(jìn)給量0.2mm/r，最終滿足加工要求。

機(jī)床參數(shù)的選擇還應(yīng)考慮所使用刀具的規(guī)格、材料以及機(jī)床的規(guī)格等，只有合理地設(shè)置機(jī)床參數(shù)，才能在滿足加工要求的前提下提高生產(chǎn)效率、降低加工成本。同時(shí)還要根據(jù)工件要求的表面粗糙度確定是否進(jìn)行二次精加工。一般粗加工后的表面粗糙度值Ra能夠達(dá)到6.3μm，如果工件的表面粗糙度值Ra要求＜6.3μm，則應(yīng)考慮進(jìn)行二次精加工。一般粗加工給精加工留有0.5～0.7mm的余量，在精加工時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高機(jī)床切削速度至400r/min，同時(shí)降低進(jìn)給速度至0.10～0.15mm/min，則表面粗糙度值Ra可達(dá)3.2μm。如果選擇以車代磨的形式，則提高機(jī)床切削速度至600r/min，切削深度≤0.25mm，同時(shí)降低進(jìn)給速度至0.010～0.015mm/min，則表面粗糙度值Ra可達(dá)0.8μm。

7 確定最終工藝路線

確定最終工藝路線為：下料→正火→調(diào)質(zhì)前粗加工→調(diào)質(zhì)→拋丸→探傷→銑端面保證總長(zhǎng)、鏜孔口倒角→鉆攻大頭端面M12×1.5mm螺紋孔→粗車一端外圓及端面→粗車另一端外圓及端面→精車軸頸外圓→打號(hào)→精修大頭中心孔→精修小頭中心孔→銑花鍵→磨φ190mm軸頸→磨φ150mm和φ160mm軸頸→磨φ162mm軸頸→銑鍵槽→檢驗(yàn)→入庫(kù)→發(fā)出。

8 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹一種半軸套管的工藝研發(fā)流程、在開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題以及解決辦法，可供同行參考。影響零件質(zhì)量的因素很多，如果在開(kāi)發(fā)初期對(duì)有可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析并制定相應(yīng)的措施，則對(duì)工藝調(diào)試的順利進(jìn)行會(huì)起到重要的影響。半軸套管通過(guò)調(diào)試已成功生產(chǎn)且質(zhì)量穩(wěn)定，達(dá)到了客戶的要求。目前月產(chǎn)量400件，達(dá)到了預(yù)期效果。