無級變速器帶輪軸磨削軸頸直徑超差的原因及解決方案

摘要：帶輪軸作為無級變速器（CVT）的核心部件，其制造工藝的控制也尤為重要。本文針對某款CVT 的帶輪軸（以下簡稱帶輪軸）在磨削軸頸過程中，直徑出現(xiàn)超差的問題進行分析。項目組對帶輪軸軸徑直徑的加工工藝以及磨床的工作原理進行分析，找出軸頸直徑超差的主要原因，是因為磨床的2 個頂尖直線度超差、砂輪磨損過快以及直徑量儀測量位置設(shè)置不合理。通過過對磨床相應(yīng)機構(gòu)的優(yōu)化并經(jīng)過實際工作驗證，確認抑制問題的對應(yīng)措施有效。

關(guān)鍵詞：帶輪軸；磨削；軸頸直徑；在線測量

中圖分類號：U463.22 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

CVT 憑借其運行過程中優(yōu)良的平順性和舒適性，以及更好的燃油經(jīng)濟性，在汽車裝車量中占有很大的份額[1-3]。帶輪軸是CVT 的重要組成部分之一，其主要作用有一下3 點。

（1）動力傳遞，即承擔(dān)主動帶輪和從動帶輪之間的動力傳遞。主動帶輪安裝在發(fā)動機端，從動帶輪安裝在變速器端，二者通過鋼帶將動力傳輸?shù)綆л嗇S，然后帶輪軸將動力傳遞給從動帶輪，從而將動力傳遞到車輪上[4]。

（2）調(diào)整速比。通過改變帶輪軸的直徑、角度和形狀來調(diào)節(jié)速比，從而滿足不同行車條件下的動力需求。

（3）增強變速器的扭矩傳遞能力。帶輪軸作為一個傳動零件，需要較高的設(shè)計強度和制造標(biāo)準(zhǔn)，才能夠保證在承接大扭矩時的可靠性（圖1）。

帶輪軸軸頸直徑加工尺寸超差，可能會導(dǎo)致帶式傳動系統(tǒng)失效、速比不穩(wěn)定和傳動效率降低，從而影響CVT 的換擋品質(zhì)，只有高精度的帶輪軸才能夠保證CVT 的穩(wěn)定運行和可靠。

1 軸頸直徑加工出現(xiàn)超差

某CVT 工廠自產(chǎn)品按標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程（SOP）連續(xù)生產(chǎn)很長一段時間后，從動帶輪軸線時而會出現(xiàn)產(chǎn)品一次下線合格率（FTQ）不達標(biāo)的情況（工廠要求FTQ ≥ 98.5%）。經(jīng)排查分類，導(dǎo)致該線體FTQ 不達標(biāo)的超差項，占比最大為軸頸直徑超差。軸頸直徑超差零件需進行返工，無法返工則報廢，過程中會浪費大量的人力物力，影響產(chǎn)線效率，抑制該超差問題的產(chǎn)生迫在眉睫。

2 帶輪軸軸頸直徑磨削加工工藝分析

2.1 帶輪軸加工工藝分析

該CVT 工廠的精加工工序采用EMAG_HG310 臥式磨床加工從動帶輪軸，該工序分別對從動帶輪軸的軸頸外圓、錐面以及球道槽進行磨削加工（圖2）。該工序的工藝設(shè)計上，有3 段不同直徑的軸頸及錐面采用一體成型的磨削加工方式，對砂輪以及軸頸加工尺寸控制的要求很高。從動帶輪軸工件長度約258.000 mm，A 段軸頸直徑要求（40.000±0.008）mm ；B段軸頸直徑要求（41.000±0.008）mm ；C1/C2 段軸頸直徑（48.600±0.005）mm。軸頸表面質(zhì)量要求較高，粗糙度要求達到Ra 0.8，工件材質(zhì)為20CrMoH，硬度要求大于60HRC。

2.2 帶輪軸磨床工作原理

EMAG_HG310 磨床主要由頭架主軸箱、尾座、旋轉(zhuǎn)C 軸、磨削主軸（SP3/SP4）、修整主軸（SP9/SP10）、Marposs 在線測量系統(tǒng)、動平衡系統(tǒng)以及其他機械功能部件組成，并配備了SIEMENS 數(shù)控系統(tǒng)（圖3）。由于加工工藝設(shè)計要求，帶輪軸軸頸與錐面采用一體成型的砂輪進行磨削加工，成型砂輪的體積和質(zhì)量較大，因此需要給磨床配置砂輪動平衡系統(tǒng)，用于砂輪平衡和過程監(jiān)控。即在磨削主軸安裝砂輪位置的軸心空腔處內(nèi)置Marposs 動平衡電機，另一端安裝接收器，對砂輪進行連續(xù)監(jiān)控。

在加工循環(huán)期間，動平衡系統(tǒng)對砂輪的不平衡量即時進行補償，保證砂輪在高速旋轉(zhuǎn)過程中不會出現(xiàn)過大的離心力和慣性力，從而減少砂輪產(chǎn)生的振動和噪聲，延長砂輪壽命，提高設(shè)備加工精度和安全性[5]。Marposs 在線測量系統(tǒng)則是用于測量球道槽角度和軸向距離，并對軸頸直徑實時監(jiān)控，以提高設(shè)備加工效率和合格率。該磨床采用桁架機械手自動上下料，通過機械手抓放工件放置到機床預(yù)支撐位置。液壓系統(tǒng)驅(qū)動尾座頂緊以及頭架（脹套）夾緊后，Marposs 在線測量裝置啟用，對工件進行軸向定位測量，以及帶輪軸球道槽位置分中，加工循環(huán)開始磨削球道槽。完成該加工歩序后，進行軸頸外圓及錐面磨削的同時，在線測量裝置的直徑量儀同步啟用，實時監(jiān)測軸頸余量。軸徑余量達到要求尺寸后直徑量儀退回，機械手取料，當(dāng)前加工循環(huán)結(jié)束。

3 軸頸直徑超差原因分析

零件從毛坯上線到精加工完下線需經(jīng)過上線打標(biāo)、粗加工（2個工序）、精加工、清洗、測量和下線6 個不同的工序，因此造成工件加工軸頸直徑超差的原因較多。從人、機、料、法、環(huán)、測6 大因素對精加工工序出現(xiàn)軸頸直徑超差的原因進行排查。由于該工序采用桁架機械手自動上下料的方式，且周圍環(huán)境也沒有出現(xiàn)明顯的異常改變，首先排除人和環(huán)。繼續(xù)排查得知，上一工序加工完成后定期進行抽檢，且檢測合格；機床的加工參數(shù)在設(shè)備量產(chǎn)時也進行了統(tǒng)一。因此，著重對機和測進行分析驗證。

3.1 機——加工設(shè)備分析

3.1.1 機床精度變化

機床夾具上采用頂尖對工件中心孔進行定位（機床頭架頂尖為浮動式，尾座頂尖為固定式），并采用內(nèi)脹套對工件進行定位夾緊（圖4）。在連續(xù)生產(chǎn)過程中，若機床兩頂尖的直線度出現(xiàn)不同程度的變化時，即機床頭和尾架的頂尖軸線未處于同一直線上，裝夾后工件定位傾斜，直線度超差，會影響工件軸頸直徑的加工尺寸。

產(chǎn)線設(shè)計初期為滿足節(jié)拍需求，精加工工序有4 臺相同的磨床進行加工。通過對比檢查，并結(jié)合機床裝夾及運動方式發(fā)現(xiàn)：機床U 軸的傳動方式為螺紋絲桿傳動，將U 軸電機的旋轉(zhuǎn)運動，通過螺紋絲桿傳動，轉(zhuǎn)化為尾架U 軸頂尖往復(fù)直線位移。若U軸的程序位移量與實際位移量不等，即存在反向間隙，會直接影響兩頂尖直線度（表1），導(dǎo)致加工過程中A 段軸頸直徑不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)超差。

3.1.2 砂輪磨損量變化

在磨削加工中，砂輪的磨損和鈍化程度將影響著磨削加工的質(zhì)量、砂輪使用壽命以及生產(chǎn)效率[6]。HG310 磨床的選型配置中無砂輪輪廓測量監(jiān)控，采用定期定量的周期修整方式，以達到砂輪廓形的要求。若砂輪的表面廓形未達到修整頻次時，會出現(xiàn)異常磨損，從而對工件的加工精度有較大影響。

從動帶輪軸的A、B 和C 段軸頸直徑不同，成型砂輪通過修整后能適配不同軸頸尺寸的加工。若砂輪在加工過程中，不同軸頸段出現(xiàn)異常磨損，也會導(dǎo)致軸徑直徑超差。通過對比不同品牌成型砂輪加工不同軸頸的趨勢波動，來反映砂輪的異常磨損，A和C 段軸頸直徑變化趨勢如圖5 所示。

3.2 測——Marposs 在線直徑量儀測量分析

Marposs 直徑量儀可以通過在線實時監(jiān)測從動帶輪軸軸頸外圓尺寸的加工過程數(shù)據(jù)，以保證加工質(zhì)量[7]。磨床當(dāng)前加工方式為成型砂輪對整段軸頸進行磨削，A 段軸頸外圓配置有隨行直徑量儀測頭進行實時監(jiān)測，其余2 段軸頸外圓以此尺寸為基準(zhǔn)來磨削（不用直徑量儀）。在工藝上，A 段軸頸直徑公差要求為±0.008 mm，而C 段軸頸直徑公差要求為±0.005 mm，且軸徑C 是工藝控制的關(guān)鍵尺寸，公差要求也更加嚴(yán)格。

從A、C 段軸頸直徑公差帶寬示意圖解析（圖6），當(dāng)A、C段軸頸直徑錐度為0 時，且直徑量儀測頭能控制A 段軸徑穩(wěn)定在中值，則工件整段軸徑呈一條與公差中心重合的直線。當(dāng)實際加工中軸徑錐度大于4.1，加上測頭本身重復(fù)性0.9，C 段軸徑則會超出公差范圍。若直徑量儀測頭監(jiān)測位置改到C 段軸徑，即使出現(xiàn)7.1 的錐度，A 段軸徑仍能保持不超差。

4 對策及措施驗證

4.1 機床兩頂尖直線度超差

根據(jù)機床U 軸絲桿傳動機構(gòu)與尾架頂尖套筒局部裝配示意圖（圖7），拆除U 軸傳動機構(gòu)防護檢查，發(fā)現(xiàn)止推套筒位移遲滯，緊固螺栓松動，導(dǎo)致U 軸位移異常，存在反向間隙。增加螺紋膠并重新緊固螺栓后，止推軸套往復(fù)位移正常，千分表表針變化量為0.001 mm，且與同工序其他機床變化量一致。反向間隙消除后，通過尾架滑臺機構(gòu)調(diào)整螺栓，可將尾架滑臺整體進行微調(diào)，使得頭、尾架頂尖軸線處于同一直線上，以此將2 頂尖直線度調(diào)整至0.003 mm（直線度標(biāo)準(zhǔn)要求≤ 0.006 mm）。經(jīng)過上述措施實施后，連續(xù)生產(chǎn)跟蹤，A 段軸頸直徑加工尺寸趨于穩(wěn)定且無超差情況出現(xiàn)。

4.2 砂輪磨損過快

對3 家不同品牌砂輪進行加工測試可知，軸頸直徑超差主要是加工中某一段砂輪磨損過快導(dǎo)致。供應(yīng)商反饋，砂輪配方從SOP 以來未進行過變更，CVT 工廠對砂輪的配方和質(zhì)量暫無有效的檢測手段，無法分析出磨損過快的根本原因。通過加大砂輪修整余量（正常修整量2×0.020 mm），將磨損不一致的料層去除，加工驗證C 段軸徑加工數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定（圖8）。

4.3 直徑量儀測量位置設(shè)置不合理

將A 段軸徑的隨行直徑量儀測頭更改至公差要求更嚴(yán)格的C1 段軸徑（C2 段軸徑有球道槽，測量不準(zhǔn)確）進行實時測量，使尺寸控制更加合理。后續(xù)連續(xù)生產(chǎn)跟蹤驗證，A、C 段軸徑軸頸直徑加工尺寸趨于穩(wěn)定且在合格范圍內(nèi)（圖9）。

通過以上對策和改進，從動帶輪軸軸頸直徑合格率得到顯著提升， 產(chǎn)線F TQ 穩(wěn)定在9 8 . 6% 以上， 有效地解決了因軸頸直徑不合格影響產(chǎn)線效率及產(chǎn)出的問題。

5 結(jié)束語

在機床磨削加工中，對于螺紋絲桿傳動類機床精度變化而引起的超差問題，若檢查發(fā)現(xiàn)精度突然變差，可以著重進行檢查分析緊固件是否存在異常松脫的情況。長期使用后螺紋絲桿出現(xiàn)磨損，也會使得傳動結(jié)構(gòu)不夠精準(zhǔn)，引起精度變化導(dǎo)致加工出現(xiàn)超差。因此，需定期及時對機床進行維護和檢修，確保機床精度的穩(wěn)定性。

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作者簡介：

張子盛，碩士，高級工程師，研究方向為汽車變速器制造工藝。