差速器殼以車代磨工藝改進(jìn)

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(jìn)

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(jīng)濟(jì)和制造技術(shù)的高速發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控加工技術(shù)已成為制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)技術(shù)。文章將差速器殼軸承安裝外圓加工方案由傳統(tǒng)磨削更改為數(shù)控車削加工，通過對數(shù)控機(jī)床裝夾定位精度，對刀具切學(xué)性能、工藝加工切削參數(shù)等過程影響要素進(jìn)行選擇和優(yōu)化改進(jìn)，最后以數(shù)字化程序自動(dòng)進(jìn)行加工，消除了操作者人為產(chǎn)生的誤差，提升了產(chǎn)品加工形狀和尺寸精度，質(zhì)量更加穩(wěn)定可靠。同時(shí)將磨削工序加工內(nèi)容合并至車削工序后，資源利用率提高，產(chǎn)品制造周期縮短。由于過程工藝鏈縮短和設(shè)備數(shù)量的減少，車間占地面積、維護(hù)費(fèi)用、線體人員配置也隨之減少，從而降低了生產(chǎn)成本，帶來高的經(jīng)濟(jì)效益。

差速器殼；數(shù)控車床；磨床；同軸度；工藝改進(jìn)

差速器是汽車底盤動(dòng)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(zhuǎn)彎時(shí)兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)速不同的要求，使汽車能夠順利過彎。在整個(gè)動(dòng)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(shù)控車床加工工藝的對比，分析影響加工質(zhì)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(chǎn)品。

1 現(xiàn)狀描述

我公司生產(chǎn)的某系列差速器殼工藝流程：OP10車大端（數(shù)車）—OP20車小端（數(shù)車）—OP30滾花鍵（滾齒機(jī)）—OP40磨削（磨床）—OP50鉆孔（組合機(jī)）—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(chǎn)品過程工藝鏈比較長，且大多采用普通設(shè)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(shè)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(zhuǎn)化為熱能，其中約有80%傳入工件[1]。當(dāng)局部溫度很高時(shí)，加工表面就會(huì)出現(xiàn)種種熱損傷及熱變形，影響加工表面質(zhì)量與加工精度。如我公司生產(chǎn)的某差速器殼，其端面在磨削后放置5～8 s時(shí)出現(xiàn)裂紋，經(jīng)分析為砂輪磨粒鈍化后，磨削高溫不能很快導(dǎo)出，致使產(chǎn)生磨削裂紋。故在后續(xù)生產(chǎn)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(dǎo)致生產(chǎn)效率較之前降低，同時(shí)因砂輪頻繁修整，消耗加快，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。

（2）普通磨床加工極易受人為因素（如情緒波動(dòng)、體力強(qiáng)弱、技術(shù)水平高低等）干擾，操作者的技能直接影響加工效率和產(chǎn)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(dòng)修整砂輪圓角，過程不但危險(xiǎn)且修整的圓弧形狀不規(guī)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(jīng)驗(yàn)判定，導(dǎo)致尺寸穩(wěn)定性差。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2020年磨床崗位因人為原因造成的不良品共計(jì)18件，廢品損失金額2 041元。

（3）磨削過程中產(chǎn)生的粉塵、有害氣體及廢棄物會(huì)對職業(yè)健康及環(huán)境造成危害。隨著經(jīng)濟(jì)和制造技術(shù)的高速發(fā)展，制造業(yè)呈現(xiàn)出一些新的特征：產(chǎn)品綠色化，所提供的產(chǎn)品必須在全生命周期內(nèi)資源消耗低，無污染或少污染[1]，而磨削加工是微量切削，產(chǎn)生的金屬磨屑、脫落的磨料及黏合劑等形成的微細(xì)粒粉塵極易被人吸收而影響身體健康。為了減少環(huán)境污染，公司對磨削產(chǎn)生的砂輪灰、廢舊砂輪、油泥需進(jìn)行危廢處理，費(fèi)用每噸約2 400元（價(jià)格隨國家環(huán)保調(diào)控），致使生產(chǎn)成本增加。

綜合以上原因，并結(jié)合公司目前生產(chǎn)模式由傳統(tǒng)人工操作向自動(dòng)化、柔性化、集成化的轉(zhuǎn)型趨勢，我公司對差速器殼軸承安裝外圓加工方案進(jìn)行改進(jìn)，由磨削加工更改為車削加工，通過數(shù)控機(jī)床自動(dòng)控制，裝夾的高精度，保證產(chǎn)品加工的一致性及穩(wěn)定性，同時(shí)提高生產(chǎn)效率，降低操作者勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 產(chǎn)品工藝性分析

1.材料分析

該產(chǎn)品設(shè)計(jì)材料為40Cr-GB/T 3077，調(diào)質(zhì)硬度洛氏硬度（23～28）；具有良好的綜合力學(xué)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(zhì)量。但因40Cr材質(zhì)具有優(yōu)良的韌性，切削余量過小時(shí)不易斷屑，需考慮車削時(shí)鐵屑是否纏刀或劃傷產(chǎn)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(zhì)量要求較高，故工藝方案需確定合理的加工余量、切削參數(shù)等，從而保證連續(xù)加工過程中的產(chǎn)品尺寸及表面質(zhì)量穩(wěn)定。

圖2 差速器殼簡圖

3.形位公差分析

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

3 解決方案

1.設(shè)備選型

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

圖3 數(shù)控車床CK7525

2.夾具選型

為保證加工過程的一致性和穩(wěn)定性，如圖4所示，選用SMW公司的后拉式液壓三爪卡盤，重復(fù)定位精度可達(dá)到0.005 mm以內(nèi)，三爪經(jīng)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(zhǔn)。同時(shí)三爪夾持部位設(shè)計(jì)為鋸齒形，增加設(shè)備高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中工件與三爪之間的摩擦力，防止工件移動(dòng)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(jī)床的加工效率，而且直接影響零件的加工質(zhì)量，根據(jù)產(chǎn)品尺寸精度及表面質(zhì)量要求，要求所選擇刀具必須具備精度高、壽命長且尺寸穩(wěn)定的特點(diǎn)[4]。通過對不同供方、材質(zhì)及槽型的刀片進(jìn)行加工驗(yàn)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(zhì)量較高。經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證，切削過程中產(chǎn)品尺寸精度變差±0.002 mm，產(chǎn)品加工表面質(zhì)量符合工藝要求。該刀片共4個(gè)刀尖，每刀尖加工產(chǎn)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(shù)

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(zhuǎn)速低進(jìn)給的方法來滿足工藝要求。通過對刀具強(qiáng)度和設(shè)備性能綜合驗(yàn)證，如表1所示，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為900 r/min，單邊切深為0.2 mm、進(jìn)給量為F0.1 mm/r時(shí)，產(chǎn)品表面粗糙度可達(dá)到Ra0.388 μm，滿足產(chǎn)品表面質(zhì)量要求。

表1 切削參數(shù)驗(yàn)證結(jié)果

主軸轉(zhuǎn)速/(r/mim)進(jìn)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(yàn)證

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

表2 同軸度及端面跳動(dòng)測量結(jié)果 單位：mm

序號(hào)測量結(jié)果序號(hào)測量結(jié)果序號(hào)測量結(jié)果 同軸度端面跳動(dòng)同軸度端面跳動(dòng)同軸度端面跳動(dòng) 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(jié)果 單位：μm

序號(hào)測量結(jié)果序號(hào)測量結(jié)果序號(hào)測量結(jié)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(jìn)行檢測，檢測結(jié)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(zhì)量要求。為驗(yàn)證刀具磨損對表面粗糙度的影響，現(xiàn)場連續(xù)對210件產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測統(tǒng)計(jì)，其中65%的產(chǎn)品表面粗糙度可達(dá)到Ra0.8 μm以內(nèi)，35%的產(chǎn)品表面粗糙度在Ra0.8～Ra1.6 μm之間。故車削較磨削可得到優(yōu)良的加工表面質(zhì)量。

（3）尺寸精度：加工過程中，數(shù)控車床按輸入的程序自動(dòng)完成產(chǎn)品外圓、圓弧及端面的加工，檢測結(jié)果如表4所示，首件外圓尺寸調(diào)整至中差后，連續(xù)切削中尺寸變差±0.005 mm，每加工60件需對刀補(bǔ)進(jìn)行精度補(bǔ)償。軸向尺寸經(jīng)首件調(diào)試合格后，過程中變差較小，可在對外圓尺寸精度補(bǔ)償時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。外圓根部圓弧通過數(shù)控程序控制切削軌跡，圓弧外觀規(guī)則，圓滑過渡。故數(shù)控加工過程中人為干擾因素減少，使產(chǎn)品質(zhì)量的一致性明顯提高，質(zhì)量更加穩(wěn)定可靠。

表4 尺寸測量結(jié)果 單位：mm

序號(hào)測量結(jié)果序號(hào)測量結(jié)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(rèn)過程的穩(wěn)定性，對外圓尺寸80+0.039+0.020 mm連續(xù)檢測收集25組共125個(gè)數(shù)據(jù)，采用均值-極差圖（圖6、圖7）對其初始過程能力進(jìn)行分析研究計(jì)算，具體過程如下。

依據(jù)式（1）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差：

表5 d2常數(shù)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(jì)算，過程如下：

單邊上限短期能力指數(shù)為

(0.039-0.030)/(3×0.00214)=1.402 （2）

單邊下限短期能力指數(shù)為

(3×0.00214)=1.558 （3）

過程能力指數(shù)為

Cpk=min{ Cpku;Cpkl }=1.402 （4）

圖6 均值圖

圖7 極差圖

根據(jù)統(tǒng)計(jì)過程控制手冊判定標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)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(shù)Cpk=1.402＞1.33，過程指數(shù)符合要求。

5 結(jié)語

與普通磨床相比，數(shù)控車床產(chǎn)品加工質(zhì)量穩(wěn)定、效率高，人為干擾少，工藝的兼容性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)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(shù)量大幅降低，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，因差速器殼軸承外圓、軸向尺寸超差造成不良品數(shù)量較2020年下降78%。其次，工序合并后，原磨床崗位配置減少，節(jié)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(huán)境污染源減少，環(huán)保處置費(fèi)用也得到了節(jié)約，為公司創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 楊叔子.機(jī)械加工工藝師手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[2] 朱張校.工程材料[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.

[3] 畢承恩,丁乃建.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床（上、下冊）[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1991.

[4] 吳岳琨.金屬切削原理與刀具[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990.

[5] 戴姆勒克萊斯勒.統(tǒng)計(jì)過程控制參考手冊[Z].福特和通用汽車公司,2010.

[6] 胡照.以車代磨工藝在薄壁圓環(huán)零件加工中的應(yīng)用探索[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2018(5):145-146.

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?yàn)橹圃旃に嚺c裝備，E-mail:276170418@qq.com。