高精度重載變速箱輸出軸加工工藝

■東風汽車動力零部件有限公司 （湖北十堰 442000） 高 云 劉祖佑 袁慧琴

變速箱行星輸出軸即通常所說的行星架，屬于旋轉體結構，為變速箱關鍵零件，承擔安裝行星齒輪和太陽輪的作用，承受大扭矩載荷和高轉速，一般選擇鑄鋼或球墨鑄鐵材質，對其幾何精度和位置精度要求非常高。如圖1所示為國外某重載變速箱輸出軸的典型結構。

零件配套于從國外引進的某14擋變速箱，成品質量22kg，共200多個產品特性，相對國內變速箱輸出軸，該零件的尺寸精度高，重要項有15項，其中6級精度尺寸有4項，5級精度尺寸有6項，如行星孔位置度國內一般為0.1mm，該產品要求0.04mm。

1. 重要加工要素分析

輸出軸重要加工特性集中在軸承支承處和行星齒輪軸支承處。

（1）軸承支承處 與軸承內圈配合的外圓軸頸、連接傳動齒圈的各花鍵齒，用于確定軸的位置并支承軸，尺寸精度通常為 IT5～IT7。這些部位的幾何形狀特性主要包括圓度、圓柱度和齒形齒向要求，相互位置特性包括同軸度、徑向圓跳動、重要端面對軸心線的垂直度、端面間的平行度和輪廓度等，以保證裝配接觸面積可以有效地承擔動載荷的要求，滿足高速運轉后的動平衡指標。

圖1 重載變速箱輸出軸

（2）行星齒輪軸支承處 如圖2所示，本文所述輸出軸有5個行星齒輪安裝孔，該處是影響整體傳動精度、變速箱噪聲值的重要部位，主要特性包括齒輪安裝孔的孔徑，孔與基準的位置度，安裝孔的中心線與零件的中心線，孔直線度，孔的兩端有倒角、沉孔結構，安裝孔相對G基準（鑄造行星窗）的位置度。

2. 空間基準的構成及基準的選擇

輸出軸在變速箱中屬于空間旋轉軸，所以產品的主基準設定在由5個行星孔構建的中心與遠端軸承安裝軸的中心構成的虛擬連線，該設計基準即為裝配基準，加工時很難直接應用。該產品加工時基準和產品裝配基準如何有效地轉換利用，減少定位誤差，是工藝設計中的關鍵。

（1）初基準選擇 該輸出軸產品提出了50mg的靜不平衡要求，加工成形件存在鑄態(tài)部位，其中5個行星齒輪安裝孔相對G基準（鑄造行星窗）有0.5mm的位置度，這對毛坯的初定位提出了較高的要求。根據分析，該產品影響靜不平衡的主要部位為端部非對稱部位，5個孔部位相關鑄件平面的軸、徑向尺寸誤差的控制可靠性是判斷初基準選擇合適與否的標準，該產品中，需要考慮產品鑄造分型的特點，在車削的粗加工工序中，選擇了距離行星孔最近的外圓、端面和距離其最遠的軸端中心孔為初基準，在孔系加工中，選擇鑄造行星窗的中軸為初基準（見圖2）。

（2）精基準選擇 一般精基準選擇要符合基準重合、統(tǒng)一原則，盡可能選設計基準或裝配基準作為定位基準；盡可能在多數工序中用同一個定位基準；選擇精度高、安裝穩(wěn)定可靠表面為精基準。由于該產品的設計基準為一條空間連線，在實際加工中是無法用于定位的，在加工中選擇了一個具有足夠剛性且利于定位的轉換基準，即行星窗端部的局部外圓和軸承安裝端的中心孔。

3. 產品結構及工藝系統(tǒng)對加工精度的影響

（1）外圓特性對車削工藝系統(tǒng)的精度要求 因該輸出軸屬于較重零件，零件自身在未成形前的不平衡量、工藝系統(tǒng)的剛性對精度的影響都很大，需關注零件的粗精加工分序、工藝系統(tǒng)的相關特性。

（2）加工孔系設備精度對孔系位置度的影響 如圖3所示，孔系關鍵特性5個行星孔對中軸線及相互位置度的要求為0.04mm。當機床幾何軸X、Y軸移動時，5個孔中心半徑90mm實際增加或減少為：R＝SQRT（X2＋Y2）。計算中，假設72°圓心角不變。

如果加工坐標變化0.01m m（設備誤差），則位置度變化：2×S Q RT（0.012＋0.012）＝0.028（mm），孔的分度圓變化0.014mm。

孔位置變化引起的孔中心距L變化：△L＝2（R＋△R）sin72°/2-L＝2×（90＋0.014）s i n36°-105.80＝105.817-105.80＝0.017（mm）。

孔間距的變化影響行星齒輪的嚙合狀態(tài)，影響傳動平穩(wěn)性。

當5個行星安裝孔圓心角72°的實際角度增加或減少，則5個中心孔中心距相應變化量△L＝2Rsin（θ/2＋△θ）-L。如果5個孔的圓心相位角變化±0.1°時，半徑為9 0 m m，中心距變化：2×90s i n（72°/2＋0.1°）-105.8＝0.255（mm）。

圖2 輸出軸結構

圖3 孔系

根據汽車零部件產品工序能力Ppk1.33的要求，對機床的定位精度及重復定位精度提出的要求為其公差范圍的1/3，這樣鎖定了孔系加工設備的精度主要參數要求，同時根據中心距對相位角變化和尺寸直角坐標變化的不同敏感程度，給孔加工方法選取提供了方向。

（3）鑄件鑄造特性對精度的影響 該產品材料為QT600-5鑄件結構，鑄件應力殘余往往是這類高精度產品加工不可忽視的影響因素，該輸出軸最大外形尺寸250mm×360mm，毛坯形態(tài)質量28kg，局部截面變化較大，尤其是5個行星窗處，由于鑄造凝固過程中內外部冷卻不均勻而產生較大的殘余應力，受制造成本影響，鑄件沒有采取鑄后去應力措施，這些殘余應力必然在加工過程中逐漸釋放出來，如果工藝設計不當，會使鑄造特性在加工后發(fā)生改變，影響加工精度，需關注加工中切削熱的有效利用及粗精加工的尺寸分配。

（4）刀具系統(tǒng)特性對精度的影響 該產品加工工藝主要包含車削、銑削、鏜削、滾齒和插齒等，由于產品為球墨鑄鐵，切削性能尚可，在刀具的選擇上重點關注加工精度和加工效率，其中孔系加工的難度較大，精鏜孔的鏜桿刀具對底孔預加工質量比較敏感，機床X、Y軸重復定位誤差的累積，精加工的孔與原半精加工孔的同軸度誤差及余量分配，都需要在孔系加工中給予關注。

（5）夾具系統(tǒng)特性對精度的影響 夾具是確保產品高精度的關鍵，夾具的基準選擇、夾具定位及重復定位精度以及夾緊力是夾具設計的幾個關鍵點。該產品在設計定位裝置時，要關注產品基準與設備軸線的關系；在設計夾緊裝置時，要關注可靠性，這里的可靠性要兼顧克服加工過程的切削力和大轉動慣量時必要的安全自鎖，同時避免夾緊變形，不影響產品的精加工質量。該產品涉及粗車夾具，精車夾具，加工中心銑削、滾削夾具，插齒加工夾具，動平衡加工夾具以及清洗夾具，根據其加工特點，均遵循以上原則，有各自不同的設計要點。

4. 加工工藝路線分析

在以上產品結構及重要加工要素分析完后，制定工藝流程有了基本的依據，重載輸出軸這類結構，常規(guī)加工方法按照基準先行、先粗后精和先主后次的原則，一般通過十余工序完成加工：10粗車軸承安裝端端面外圓中心孔→20調頭粗車行星窗端部端面→30半精車內孔并鉆油孔→40去應力處理→50精車軸承安裝端端面、外圓→60粗、半精鏜5個齒輪孔，銑面倒角→70精鏜5個齒輪孔，銑面倒角→80滾齒→90插齒→100齒倒角→110鉆側油 孔→120動平衡檢測去重→130打印標識→140零件光整去毛刺→ 150零件清洗、防銹包裝。該流程工序節(jié)拍分布不均衡，生產組織不精益。

隨著多軸智能加工設備和組合機床的發(fā)展，集成工藝在汽車零件加工中的應用越來越廣泛，但多軸智能加工設備的單序節(jié)拍很長，主要是較大數量的工步間刀具更換時間和各空間轉位這些對于切削來說的無效時間過長，如現在國外主流設備切屑對切屑的換刀時間為2s，國內達到了6s以下；組合機床的柔性較差，投資大，需要較大的產能匹配來降低投資風險。這兩種工藝對于預計單線年產6萬輛的中等產量無疑是不適合的。

根據該輸出軸的特點，結合現裝備特點，選擇性價比更高、具有足夠柔性的工藝方案：O P10粗車行星窗端部外圓、鉆內孔→O P20粗車軸承安裝端端面→O P30打加工流水號標記→ O P40精車軸承安裝端端面、外圓，車槽，鉆油孔→OP50粗、半精鏜5個齒輪孔，銑面倒角，精鏜5個齒輪安裝孔→OP60滾齒、齒端倒角→OP70插齒→OP80動平衡檢測去重→OP90去毛刺清洗包裝。

該工藝設計比傳統(tǒng)工藝減少了6道工序，且相對集成工藝效率更高，投資收益性更好。生產線局部如圖4所示。

圖4 生產線局部

5. 主要工藝及控制要點

（1）車削工序的工藝要點分析 工序內容：外圓及端面（含外螺紋、內螺紋孔）、側面油孔及孔口倒圓角。加工零件主要質量指標要求：外徑φ D＋0.013-0.013mm、圓度0.007mm；各臺階外圓的同軸度要求0.013mm，φ D對B基準跳動＜0.01mm，對B面的垂直度0.02mm/300mm。

（2）加工方案選擇 該產品軸承安裝外徑尺寸和幾何公差要求都很高，傳統(tǒng)工藝一般采用磨削加工，隨著高剛性精密數控車床技術的發(fā)展，以車代磨技術已經有較廣泛的運用，采用以車代磨工藝，具有設備投資少、維護費用低、加工效率高以及更加環(huán)保的優(yōu)點，但對設備精度及整個切削系統(tǒng)，包括對夾具和刀具的設計提出了更高的要求，為提高車削系統(tǒng)剛性，在基準選擇和裝夾方式上采取了一定的措施。

（3）粗、精加工基準及裝夾方式的選擇 如前所述，粗、精車形成了后序的加工基準，該工序的加工基準選擇行星孔端面的最大外徑和安裝軸承端的軸中心，兩個最遠端形成的軸線，減少了誤差放大的風險。

裝夾方式：在高速、大用量切削時，一般采用卡頂法，尾座頂尖采用彈性頂尖，但是，由于頂尖彈性的限制，頂緊力不是很大，有使工件脫離頂尖的危險。本產品采用卡拉式裝夾方法，如圖5所示，采用后拉式液壓卡盤加中心頂尖，可確保零件的定位端面與卡盤緊貼，兼顧定位精度和切削時的系統(tǒng)剛性。

圖5 工件的裝夾

精車加工較重的工件時，關鍵是減少零件轉動時的振動，而中心孔定位會造成裝夾不穩(wěn)，切削用量也不能太大，在精車時采用最大外圓（所有后序的轉換定位基準）和中心孔為定位基準，同時對中心孔精度提出了特別要求，采用小尺寸中心孔B-3，以提高后序精加工設備尾座頂尖和其的接觸面積，減少加工中的振動，然后采用彈性輔助跟刀架支撐加工（見圖6）。采用跟刀架能抵消加工時徑向切削分力的影響，從而減少切削振動和工件變形。

圖6 輔助動力刀頭

零件加工工步：采用φ C外圓大端面定位，中間需中心架支撐后外圓夾緊。先加工小端的端面及內孔、內螺紋；后尾架頂尖定位支撐，中心架撤離，加工零件所有外圓及大端面。

（4）工藝設備特點 加工該類重型零件，要求機床擁有極佳的重載切削能力和很高的材料去除率。結合產品特性及工序能力要求，相關的主要設備特性有各坐標軸的精度（定位精度、重復定位精度）、主軸精度（包括跳動、角向定位精度），對精加工設備提出了X、Z向定位精度0.007mm，重復定位精度0.003mm的要求，X軸和Z軸均配備光柵尺，為閉環(huán)控制系統(tǒng)。主軸冷卻系統(tǒng)是保證尺寸熱穩(wěn)定性的有效措施，在動態(tài)精度驗收中均需進行確認。

工裝調整精度要求：定位端面跳動≤0.01mm；夾持標準件檢測端面和外圓跳動均≤0.01mm，夾具具有端面定位可靠性氣檢裝置。

（5）創(chuàng)新點 ①對集成工藝的運用，有效兼顧投資及工序節(jié)拍。對部分非關鍵特性，裝夾時間大于加工時間的部位，盡量考慮采用集成工藝，如該產品精車削工序通過在數控電動轉塔刀架（帶內冷）上增加2個動力頭，實現一次裝夾完成對油孔及其孔口的R圓角、去毛刺實現集成加工，減少了一臺鉆孔設備的投入，有效地實現了油孔加工的防錯，同時也降低了制造成本。②具有極高經濟性的線邊檢測及反饋系統(tǒng)：設備可根據線邊電子量儀檢測反饋的結果自動進行控制區(qū)間的補償，結合設備的CMK能力，選擇了不占用加工節(jié)拍的方案，通過設定一個內部調整控制限，線邊測量+邊界反饋+ 自動調整，有效保證了產品穩(wěn)定的工序能力，相對在線測量技術是一種更加經濟的方案。③內應力改善：粗加工時采用干式大走刀切削，切削熱幫助釋放鑄件內應力，精加工機床采用大流量噴水，以減少切削熱對尺寸的影響。④精度及結構強化：圓角處車削加工采用具有一定負后角的刀具，在切削過程中，對截面圓角過渡處進行一定的擠壓成形，對該處實際產生了一定的壓應力，從而形成了強化層，提高了輸出軸20%左右的疲勞強度。⑤后 序基準的可靠建立：精車加工同時產生了后序銑削、滾齒、插齒及動平衡等加工的定位基準，除產品圖樣要求外，在工序安排中，同時對φ C對右側內R頂尖孔與C的同軸度及其自身圓度提出工藝要求，符合同軸度0.016mm和圓度0.006mm的要求，以確保轉換基準的可靠。

6. 銑削及鏜削工藝要點

銑削及鏜削工序形成了產品各裝配孔系，是影響變速箱傳動精度、噪聲等的關鍵因素。

輸出軸產品孔系的主要質量指標要求如圖7所示。其中D基準為圖3中5個行星孔構建的中心，F基準為φ D（軸承安裝軸）的中心，G基準為5個鑄造行星窗口。

5個行星孔的形位要求是輸出軸產品關鍵特性，其中孔平行度、直線度要求都包含在位置度綜合評價中，要關注這兩項的公差控制對位置度的影響。孔直線度、位置度包含最大實體原則，要充分考慮提高孔徑的工序能力，以提高位置度的保證能力。

（1）粗、精加工基準及裝夾方式的選擇 初基準及產品檢測基準運用要點：零件以B基準面的相對面端面定位，與φ D同時加工的外圓初定心；角度定位后上端面壓緊；探針測頭用φ C外圓找正定心后加工。

裝夾要求：零件采用自定心夾緊，立式定位，具有對φ C外圓中心找正的功能。程序具有自動設定基準的功能。零件定位帶角向預檢或預定位。

（2）設備及工裝特點 在設備配置中，分別對臥加和立加工藝進行了工藝分析對比，臥加具有較好的排屑性，可自由地實現五軸聯(lián)動加工，具有上料空間大、剛性更好等特點。目前較多企業(yè)選擇雙工作臺臥加設備，該產品在國外生產線采用多工位專用設備，這兩種方案的投資都非常大。分析該零件長徑比＞1，同時考慮到該產品的質量較重，為合理利用該重心可靠性及基準，兼顧投資收益，選擇立式加工中心及一體化特殊刀具實現了產品加工（見圖8）。

圖7 輸出軸產品孔系的主要質量指標要求

圖8 工藝裝備

1）設備精度特點。基于前面對產品誤差的分析，對相關設備參數明確定義：X/Y/Z軸定位精度≤0.007mm；X/Y/Z軸重復精度≤0.003mm。除對設備靜態(tài)精度要求外，特別在動態(tài)精度驗收環(huán)節(jié)關注加工熱對設備精度的影響，以考量設備主軸冷卻性能、絲杠熱精度保持等，將孔徑、孔位置度、平行度作為驗收設備CMK的參考指標，使主軸和絲杠剛性可以得到綜合考量。

2）設備配置特點。在標準設備配置基礎上，選擇大直徑雙接觸式主軸（B B T50主軸或HSK100），加強機床的主軸剛性，同時要求主軸采用內冷結構以提高長期工作的穩(wěn)定性，具有熱補償功能；機床配自動找正裝置，具備零件外圓及角向找正功能。

3）工裝特點。工裝調整精度：定位端面跳動≤0.008mm；夾緊套配有檢測用標準件，夾持標準件檢測端面和外圓跳動均≤0.005 mm。

（3）工藝創(chuàng)新點 ①夾具采用雙工位液壓夾具，端面定位配三點式氣檢，確保零件定位可靠。同時夾具定位面上有兩個吹氣裝置，保證定位面的清潔，使得跳動等特性得到可靠保證。②精 加工時的壓緊變形和釋放前序的應力變形是精加工階段需要關注的細節(jié)。在粗加工時需要較大的壓緊力以提高切削效率，而在精加工時的夾緊力除了提供必要的夾持外，還要選擇合理的壓緊點以及減小變形，因此，采用二次夾緊解決應力釋放問題。粗加工前用尋邊器對零件定位圓進行找正，精加工前對零件的夾緊進行一次釋放再重新壓緊，對定位圓進行二次找正，對壓緊力的變化要求在程序控制中得到有效的實施。③高剛性鏜刀及大量復合刀具的運用是控制質量和效率的關鍵。

在以上措施實施后，該輸出軸精度要求較高的幾個關鍵特性，如5個行星輪安裝孔位置度0.04mm（Ppk＝2.34）、孔徑φ DJS7（Ppk＝2.05），平行度0.02mm（Ppk＝1.83）等的工序能力Ppk達到了目標要求（見圖9、圖10）。

7. 結語

圖9 5個行星輪安裝孔位置度0.04mm（Ppk＝2.34）

圖10 孔徑φDJS7（Ppk＝2.05）

圍繞高精度重型變速箱輸出軸的結構特點，展開對其主要加工工藝的研究，有效地解決了產品加工的可靠性問題，同時，產品線的投資經濟性遠高于同產品的國外生產線。在汽車零件的工藝設計中，需要多種基礎知識支撐，輔以大量嚴謹的工藝試驗來驗證工藝可靠性，同時也必須兼顧工藝的經濟性，才能確保產品的QCD（質量、成本和交付）優(yōu)勢。