差速器殼以車代磨工藝改進

肖亞萍，劉 濤，張建龍，袁文超，張 曠

差速器殼以車代磨工藝改進

肖亞萍，劉 濤，張建龍，袁文超，張 曠

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 寶雞 722408）

隨著經濟和制造技術的高速發展，現代數控加工技術已成為制造業實現自動化、柔性化、集成化生產的基礎技術。文章將差速器殼軸承安裝外圓加工方案由傳統磨削更改為數控車削加工，通過對數控機床裝夾定位精度，對刀具切學性能、工藝加工切削參數等過程影響要素進行選擇和優化改進，最后以數字化程序自動進行加工，消除了操作者人為產生的誤差，提升了產品加工形狀和尺寸精度，質量更加穩定可靠。同時將磨削工序加工內容合并至車削工序后，資源利用率提高，產品制造周期縮短。由于過程工藝鏈縮短和設備數量的減少，車間占地面積、維護費用、線體人員配置也隨之減少，從而降低了生產成本，帶來高的經濟效益。

差速器殼；數控車床；磨床；同軸度；工藝改進

差速器是汽車底盤動力傳遞的重要部件之一，其組成主要有行星齒輪、半軸齒輪、差速器殼、十字軸等零件，其作用就是滿足汽車轉彎時兩側車輪轉速不同的要求，使汽車能夠順利過彎。在整個動力傳遞過程中，差速器殼起著支撐、連接、傳遞扭矩的作用。本文通過對差速器殼軸承安裝外圓采用磨床加工和數控車床加工工藝的對比，分析影響加工質量的因素，從而制定出合理的加工工藝，制造出高精度、低成本的產品。

1 現狀描述

我公司生產的某系列差速器殼工藝流程：OP10車大端（數車）—OP20車小端（數車）—OP30滾花鍵（滾齒機）—OP40磨削（磨床）—OP50鉆孔（組合機）—OP60倒角（立鉆）—OP70攻絲（搖臂鉆）—OP80銑鍵槽（銑床）。

由上述工藝流程可以看出，該產品過程工藝鏈比較長，且大多采用普通設備加工。其中磨削工序主要加工差速器殼軸承安裝外圓，采用MB1632普通外圓磨床加工，設備如圖1所示，磨削過程中存在以下問題：

圖1 端面外圓磨床

（1）與其他切削過程相比，磨削的比切削能量大、速度高，能量消耗也更高。這些能量絕大部分轉化為熱能，其中約有80%傳入工件[1]。當局部溫度很高時，加工表面就會出現種種熱損傷及熱變形，影響加工表面質量與加工精度。如我公司生產的某差速器殼，其端面在磨削后放置5～8 s時出現裂紋，經分析為砂輪磨粒鈍化后，磨削高溫不能很快導出，致使產生磨削裂紋。故在后續生產中，砂輪修磨頻次由原來1/10更改為1/6，砂輪修整頻次提高，不但導致生產效率較之前降低，同時因砂輪頻繁修整，消耗加快，導致生產成本增加。

（2）普通磨床加工極易受人為因素（如情緒波動、體力強弱、技術水平高低等）干擾，操作者的技能直接影響加工效率和產品的加工精度[1]。如圖2所示，為保證差速器殼軸承安裝外圓根部圓弧R3.5，操作者需手動修整砂輪圓角，過程不但危險且修整的圓弧形狀不規則，其次磨床向無刻度盤，軸向尺寸的控制主要依靠操作者對磨削火花的經驗判定，導致尺寸穩定性差。經統計，2020年磨床崗位因人為原因造成的不良品共計18件，廢品損失金額2 041元。

（3）磨削過程中產生的粉塵、有害氣體及廢棄物會對職業健康及環境造成危害。隨著經濟和制造技術的高速發展，制造業呈現出一些新的特征：產品綠色化，所提供的產品必須在全生命周期內資源消耗低，無污染或少污染[1]，而磨削加工是微量切削，產生的金屬磨屑、脫落的磨料及黏合劑等形成的微細粒粉塵極易被人吸收而影響身體健康。為了減少環境污染，公司對磨削產生的砂輪灰、廢舊砂輪、油泥需進行危廢處理，費用每噸約2 400元（價格隨國家環保調控），致使生產成本增加。

綜合以上原因，并結合公司目前生產模式由傳統人工操作向自動化、柔性化、集成化的轉型趨勢，我公司對差速器殼軸承安裝外圓加工方案進行改進，由磨削加工更改為車削加工，通過數控機床自動控制，裝夾的高精度，保證產品加工的一致性及穩定性，同時提高生產效率，降低操作者勞動強度。

2 產品工藝性分析

1.材料分析

該產品設計材料為40Cr-GB/T 3077，調質硬度洛氏硬度（23～28）；具有良好的綜合力學性能、良好的低溫沖擊韌性和低的缺口敏感性[2]，切削加工性能較好，車削加工亦可得到良好的表面加工質量。但因40Cr材質具有優良的韌性，切削余量過小時不易斷屑，需考慮車削時鐵屑是否纏刀或劃傷產品外圓。

2.尺寸公差分析

如圖2所示，差速器殼軸承安裝外圓尺寸80+ 0.039+0.020 mm，公差0.019 mm，表面粗糙度要求Ra1.6 μm，尺寸精度和表面質量要求較高，故工藝方案需確定合理的加工余量、切削參數等，從而保證連續加工過程中的產品尺寸及表面質量穩定。

圖2 差速器殼簡圖

3.形位公差分析

差速器殼屬于回轉體，根據圖樣要求，軸承安裝外圓及端面相對基準A同軸度要求0.06 mm，端面跳動0.04 mm，如何保證產品形位誤差要求，需綜合考慮設備及裝夾精度，從而制定合理的工藝方案。

3 解決方案

1.設備選型

數控機床具有高的定位精度和重復定位精度，而普通精度的數控機床其定位精度可達0.01 mm，重復定位精度可達0.006 mm[3]。為提高資源利用率，綜合考慮已有設備，選擇OP20車小端工序數控車床CK7525加工，如圖3所示設備，將差速器殼磨削工序加工內容合并至OP20車小端工序。通過對設備精度進行檢測，其中向反向間隙0.005 mm，重復定位精度0.005 mm，定位精度0.01 mm；向反向間隙0.008 mm，重復定位精度0.006 mm，定位精度0.01 mm；滿足加工要求。

圖3 數控車床CK7525

2.夾具選型

為保證加工過程的一致性和穩定性，如圖4所示，選用SMW公司的后拉式液壓三爪卡盤，重復定位精度可達到0.005 mm以內，三爪經過熱處理保證一定的硬度后可減少過程中因磨損造成的精度失準。同時三爪夾持部位設計為鋸齒形，增加設備高速運轉過程中工件與三爪之間的摩擦力，防止工件移動或甩出。

圖4 后拉式液壓三爪卡盤

3.刀具選型

刀具選擇不僅影響機床的加工效率，而且直接影響零件的加工質量，根據產品尺寸精度及表面質量要求，要求所選擇刀具必須具備精度高、壽命長且尺寸穩定的特點[4]。通過對不同供方、材質及槽型的刀片進行加工驗證，我公司選擇肯納帶修光刃的金屬陶瓷刀片CNMG120408FW KT315加工，如圖5所示，該類型具備低速到高速的切削加工，耐磨性好，加工表面質量較高。經現場驗證，切削過程中產品尺寸精度變差±0.002 mm，產品加工表面質量符合工藝要求。該刀片共4個刀尖，每刀尖加工產品270件，刀片加工壽命1 080件/片，單件成本消耗 0.06元。通過與磨削加工成本對比，磨削砂輪單件成本消耗0.11元，采用車削加工后，加工成本較磨削下降45.5%。

4.切削參數

因所選刀片為修光刃的金屬陶瓷刀片，抗沖擊性能較差，適合小切削余量的加工。故精車外圓單邊余量選擇0.2～0.3 mm之間，端面精加工余量0.1～0.2 mm之間；為獲得較高的表面粗糙度，采用高轉速低進給的方法來滿足工藝要求。通過對刀具強度和設備性能綜合驗證，如表1所示，當主軸轉速為900 r/min，單邊切深為0.2 mm、進給量為F0.1 mm/r時，產品表面粗糙度可達到Ra0.388 μm，滿足產品表面質量要求。

表1 切削參數驗證結果

主軸轉速/(r/mim)進給/(mm/r)單邊切深/mm粗糙度/μm 123 900F0.10.Ra0.388Ra0.477Ra0.452 0.3Ra0.498Ra0.545Ra0.620 F0.130.2Ra0.658Ra0.754Ra0.713 0.3Ra0.669Ra0.721Ra0.753 F0.150.2Ra0.727Ra0.734Ra0.797 0.Ra0.779Ra0.816Ra0.783

4 效果驗證

（1）同軸度0.06 mm及端面跳動0.04 mm：使用同軸度檢測量具連續抽取30件，對差速器殼軸承安裝外圓同軸度端面跳動進行檢測，檢測結果如表2所示，同軸度范圍在0.020～0.040 mm之間，其中83%的產品同軸度可達到0.030 mm以內；端面跳動檢測值在0.010～0.020 mm之間，檢測結果100%均符合工藝要求。

表2 同軸度及端面跳動測量結果 單位：mm

序號測量結果序號測量結果序號測量結果 同軸度端面跳動同軸度端面跳動同軸度端面跳動 10.0300.010110.0300.010210.0300.010 20.0300.010120.0400.020220.0400.015 30.0200.010130.0300.015230.0200.010 40.0300.015140.0400.020240.0300.020 50.0200.010150.0300.015250.0300.015 60.0200.010160.0400.015260.0300.010 70.0200.010170.0300.010270.0300.010 80.0300.015180.0300.010280.0200.010 90.0200.010190.0300.010290.0300.010 100.0300.010200.0300.010300.0400.015

表3 外圓表面粗糙度Ra測量結果 單位：μm

序號測量結果序號測量結果序號測量結果 10.468110.482210.822 20.479120.470220.853 30.660130.518230.805 40.455140.520240.921 50.389150.457250.876 60.405160.476260.872 70.481170.413270.754 80.437180.443280.568 90.522190.672290.640 100.517200.789300.590

（2）粗糙度Ra1.6 μm：采用粗糙度測量儀對外圓表面粗糙度進行檢測，檢測結果如表3所示，車削后的差速器殼軸承安裝外圓表面粗糙度滿足質量要求。為驗證刀具磨損對表面粗糙度的影響，現場連續對210件產品進行數據檢測統計，其中65%的產品表面粗糙度可達到Ra0.8 μm以內，35%的產品表面粗糙度在Ra0.8～Ra1.6 μm之間。故車削較磨削可得到優良的加工表面質量。

（3）尺寸精度：加工過程中，數控車床按輸入的程序自動完成產品外圓、圓弧及端面的加工，檢測結果如表4所示，首件外圓尺寸調整至中差后，連續切削中尺寸變差±0.005 mm，每加工60件需對刀補進行精度補償。軸向尺寸經首件調試合格后，過程中變差較小，可在對外圓尺寸精度補償時進行適當調整。外圓根部圓弧通過數控程序控制切削軌跡，圓弧外觀規則，圓滑過渡。故數控加工過程中人為干擾因素減少，使產品質量的一致性明顯提高，質量更加穩定可靠。

表4 尺寸測量結果 單位：mm

序號測量結果序號測量結果 Φ80+0.039+0.02080.0-0.1R3.5Φ80+0.039+0.02080.0-0.1R3.5 1Φ80.03079.96R3.516Φ80.03179.94R3.5 2Φ80.03079.96R3.517Φ80.02879.96R3.5 3Φ80.02879.94R3.518Φ80.02879.96R3.5 4Φ80.03079.96R3.519Φ80.02879.96R3.5 5Φ80.02879.98R3.520Φ80.03179.98R3.5 6Φ80.02879.96R3.521Φ80.02979.96R3.5 7Φ80.03179.96R3.522Φ80.03379.96R3.5 8Φ80.02879.96R3.523Φ80.03179.96R3.5 9Φ80.02879.94R3.524Φ80.03079.94R3.5 10Φ80.02579.96R3.525Φ80.02879.96R3.5 11Φ80.02979.96R3.526Φ80.02879.96R3.5 12Φ80.03179.96R3.527Φ80.03379.98R3.5 13Φ80.03379.96R3.528Φ80.03479.94R3.5 14Φ80.03379.98R3.529Φ80.03179.96R3.5 15Φ80.02779.98R3.530Φ80.03579.96R3.5

（4）初始過程能力：為了確認過程的穩定性，對外圓尺寸80+0.039+0.020 mm連續檢測收集25組共125個數據，采用均值-極差圖（圖6、圖7）對其初始過程能力進行分析研究計算，具體過程如下。

依據式（1）計算標準偏差：

表5 d2常數表

子組容量n2345678910 d21.131.692.062.332.532.702.852.973.08

過程能力按雙向容差計算，過程如下：

單邊上限短期能力指數為

(0.039-0.030)/(3×0.00214)=1.402 （2）

單邊下限短期能力指數為

(3×0.00214)=1.558 （3）

過程能力指數為

Cpk=min{ Cpku;Cpkl }=1.402 （4）

圖6 均值圖

圖7 極差圖

根據統計過程控制手冊判定標準，當1.33≤ Cpk≤1.67，說明過程能力正常[5]。本文差速器殼軸承外圓尺寸為80+0.039+0.020 mm，過程能力指數Cpk=1.402＞1.33，過程指數符合要求。

5 結語

與普通磨床相比，數控車床產品加工質量穩定、效率高，人為干擾少，工藝的兼容性強，經濟效益高。本文差速器殼軸承安裝外圓采用以車代磨工藝方案后，首先不良品數量大幅降低，經統計，因差速器殼軸承外圓、軸向尺寸超差造成不良品數量較2020年下降78%。其次，工序合并后，原磨床崗位配置減少，節省了人員成本；最后，磨床工序取消后，砂輪灰、廢舊砂輪、油泥及廢舊冷卻等環境污染源減少，環保處置費用也得到了節約，為公司創造了經濟效益。

[1] 楊叔子.機械加工工藝師手冊[M].北京:機械工業出版社,2010.

[2] 朱張校.工程材料[M].北京:清華大學出版社,2010.

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[4] 吳岳琨.金屬切削原理與刀具[M].北京:機械工業出版社,1990.

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Process Improvement of Replacing Grinding with Turning for Differential Shell

XIAO Yaping, LIU Tao, ZHANG Jianlong, YUAN Wenchao, ZHANG Kuang

( Shannxi Hande Axle Company Limited, Baoji 722408, China )

With the rapid development of economy and manufacturing technologies, modern CNC machining has become the basic technology for manufacturing industry to realize automation, flexibility and integrated production. In this paper, the machining scheme of the installation outer circle of the differential housing bearing was changed from traditional grinding to CNC turning. Through the selection and optimization of the process influencing factors such as the clamping and positioning accuracy of the CNC machining tool, the cutting performance of the tool, process and cutting parameters, the machining was carried out automatically with the digital program to eliminate the man-made errors of the operator. The processing shape and dimensional accuracy of the product were improved, and the quality was more stable and reliable. Meanwhile, after the grinding process was combined with the turning process, the resource utilization was improved and the product manufacturing cycle was shortened. Due to the shortening of the process chain and the reduction of the number of equipment, the floor area of the workshop, maintenance cost and line personnel allocation were also decreased, which could reduce the production cost and bring high economic benefits.

Differential shell; CNC lathe; Grinding machine;Coaxiality;Process improvement

U463.2

B

1671-7988(2022)21-157-06

U463.2

B

1671-7988(2022)21-157-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.029

肖亞萍（1983—），女，助理工程師，研究方向為制造工藝與裝備，E-mail:276170418@qq.com。