無(wú)級(jí)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(wú)級(jí)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(duì)某款CVT 的帶輪軸（以下簡(jiǎn)稱帶輪軸）在磨削軸頸過(guò)程中，直徑出現(xiàn)超差的問(wèn)題進(jìn)行分析。項(xiàng)目組對(duì)帶輪軸軸徑直徑的加工工藝以及磨床的工作原理進(jìn)行分析，找出軸頸直徑超差的主要原因，是因?yàn)槟ゴ驳? 個(gè)頂尖直線度超差、砂輪磨損過(guò)快以及直徑量?jī)x測(cè)量位置設(shè)置不合理。通過(guò)過(guò)對(duì)磨床相應(yīng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化并經(jīng)過(guò)實(shí)際工作驗(yàn)證，確認(rèn)抑制問(wèn)題的對(duì)應(yīng)措施有效。

關(guān)鍵詞：帶輪軸；磨削；軸頸直徑；在線測(cè)量

中圖分類號(hào)：U463.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

CVT 憑借其運(yùn)行過(guò)程中優(yōu)良的平順性和舒適性，以及更好的燃油經(jīng)濟(jì)性，在汽車(chē)裝車(chē)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(diǎn)。

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

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

（3）增強(qiáng)變速器的扭矩傳遞能力。帶輪軸作為一個(gè)傳動(dòng)零件，需要較高的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和制造標(biāo)準(zhǔn)，才能夠保證在承接大扭矩時(shí)的可靠性（圖1）。

帶輪軸軸頸直徑加工尺寸超差，可能會(huì)導(dǎo)致帶式傳動(dòng)系統(tǒng)失效、速比不穩(wěn)定和傳動(dòng)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(yùn)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(zhǎng)一段時(shí)間后，從動(dòng)帶輪軸線時(shí)而會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品一次下線合格率（FTQ）不達(dá)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(dá)標(biāo)的超差項(xiàng)，占比最大為軸頸直徑超差。軸頸直徑超差零件需進(jìn)行返工，無(wú)法返工則報(bào)廢，過(guò)程中會(huì)浪費(fèi)大量的人力物力，影響產(chǎn)線效率，抑制該超差問(wèn)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(dòng)帶輪軸，該工序分別對(duì)從動(dòng)帶輪軸的軸頸外圓、錐面以及球道槽進(jìn)行磨削加工（圖2）。該工序的工藝設(shè)計(jì)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(duì)砂輪以及軸頸加工尺寸控制的要求很高。從動(dòng)帶輪軸工件長(zhǎng)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(dá)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(cè)量系統(tǒng)、動(dòng)平衡系統(tǒng)以及其他機(jī)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(jì)要求，帶輪軸軸頸與錐面采用一體成型的砂輪進(jìn)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(dòng)平衡系統(tǒng)，用于砂輪平衡和過(guò)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(dòng)平衡電機(jī)，另一端安裝接收器，對(duì)砂輪進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。

在加工循環(huán)期間，動(dòng)平衡系統(tǒng)對(duì)砂輪的不平衡量即時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，保證砂輪在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的離心力和慣性力，從而減少砂輪產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲，延長(zhǎng)砂輪壽命，提高設(shè)備加工精度和安全性[5]。Marposs 在線測(cè)量系統(tǒng)則是用于測(cè)量球道槽角度和軸向距離，并對(duì)軸頸直徑實(shí)時(shí)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(jī)械手自動(dòng)上下料，通過(guò)機(jī)械手抓放工件放置到機(jī)床預(yù)支撐位置。液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)尾座頂緊以及頭架（脹套）夾緊后，Marposs 在線測(cè)量裝置啟用，對(duì)工件進(jìn)行軸向定位測(cè)量，以及帶輪軸球道槽位置分中，加工循環(huán)開(kāi)始磨削球道槽。完成該加工歩序后，進(jìn)行軸頸外圓及錐面磨削的同時(shí)，在線測(cè)量裝置的直徑量?jī)x同步啟用，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸頸余量。軸徑余量達(dá)到要求尺寸后直徑量?jī)x退回，機(jī)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(guò)上線打標(biāo)、粗加工（2個(gè)工序）、精加工、清洗、測(cè)量和下線6 個(gè)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(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)6 大因素對(duì)精加工工序出現(xiàn)軸頸直徑超差的原因進(jìn)行排查。由于該工序采用桁架機(jī)械手自動(dòng)上下料的方式，且周?chē)h(huán)境也沒(méi)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(jìn)行抽檢，且檢測(cè)合格；機(jī)床的加工參數(shù)在設(shè)備量產(chǎn)時(shí)也進(jìn)行了統(tǒng)一。因此，著重對(duì)機(jī)和測(cè)進(jìn)行分析驗(yàn)證。

3.1 機(jī)——加工設(shè)備分析

3.1.1 機(jī)床精度變化

機(jī)床夾具上采用頂尖對(duì)工件中心孔進(jìn)行定位（機(jī)床頭架頂尖為浮動(dòng)式，尾座頂尖為固定式），并采用內(nèi)脹套對(duì)工件進(jìn)行定位夾緊（圖4）。在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中，若機(jī)床兩頂尖的直線度出現(xiàn)不同程度的變化時(shí)，即機(jī)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(huì)影響工件軸頸直徑的加工尺寸。

產(chǎn)線設(shè)計(jì)初期為滿足節(jié)拍需求，精加工工序有4 臺(tái)相同的磨床進(jìn)行加工。通過(guò)對(duì)比檢查，并結(jié)合機(jī)床裝夾及運(yùn)動(dòng)方式發(fā)現(xiàn)：機(jī)床U 軸的傳動(dòng)方式為螺紋絲桿傳動(dòng)，將U 軸電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)螺紋絲桿傳動(dòng)，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(shí)際位移量不等，即存在反向間隙，會(huì)直接影響兩頂尖直線度（表1），導(dǎo)致加工過(guò)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(wú)砂輪輪廓測(cè)量監(jiān)控，采用定期定量的周期修整方式，以達(dá)到砂輪廓形的要求。若砂輪的表面廓形未達(dá)到修整頻次時(shí)，會(huì)出現(xiàn)異常磨損，從而對(duì)工件的加工精度有較大影響。

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

3.2 測(cè)——Marposs 在線直徑量?jī)x測(cè)量分析

Marposs 直徑量?jī)x可以通過(guò)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)從動(dòng)帶輪軸軸頸外圓尺寸的加工過(guò)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(duì)整段軸頸進(jìn)行磨削，A 段軸頸外圓配置有隨行直徑量?jī)x測(cè)頭進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其余2 段軸頸外圓以此尺寸為基準(zhǔn)來(lái)磨削（不用直徑量?jī)x）。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(shí)，且直徑量?jī)x測(cè)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(shí)際加工中軸徑錐度大于4.1，加上測(cè)頭本身重復(fù)性0.9，C 段軸徑則會(huì)超出公差范圍。若直徑量?jī)x測(cè)頭監(jiān)測(cè)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(duì)策及措施驗(yàn)證

4.1 機(jī)床兩頂尖直線度超差

根據(jù)機(jī)床U 軸絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與尾架頂尖套筒局部裝配示意圖（圖7），拆除U 軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)防護(hù)檢查，發(fā)現(xiàn)止推套筒位移遲滯，緊固螺栓松動(dòng)，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(jī)床變化量一致。反向間隙消除后，通過(guò)尾架滑臺(tái)機(jī)構(gòu)調(diào)整螺栓，可將尾架滑臺(tái)整體進(jìn)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(guò)上述措施實(shí)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(wú)超差情況出現(xiàn)。

4.2 砂輪磨損過(guò)快

對(duì)3 家不同品牌砂輪進(jìn)行加工測(cè)試可知，軸頸直徑超差主要是加工中某一段砂輪磨損過(guò)快導(dǎo)致。供應(yīng)商反饋，砂輪配方從SOP 以來(lái)未進(jìn)行過(guò)變更，CVT 工廠對(duì)砂輪的配方和質(zhì)量暫無(wú)有效的檢測(cè)手段，無(wú)法分析出磨損過(guò)快的根本原因。通過(guò)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(yàn)證C 段軸徑加工數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定（圖8）。

4.3 直徑量?jī)x測(cè)量位置設(shè)置不合理

將A 段軸徑的隨行直徑量?jī)x測(cè)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(cè)量不準(zhǔn)確）進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，使尺寸控制更加合理。后續(xù)連續(xù)生產(chǎn)跟蹤驗(yàn)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(guò)以上對(duì)策和改進(jìn)，從動(dòng)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(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

在機(jī)床磨削加工中，對(duì)于螺紋絲桿傳動(dòng)類機(jī)床精度變化而引起的超差問(wèn)題，若檢查發(fā)現(xiàn)精度突然變差，可以著重進(jìn)行檢查分析緊固件是否存在異常松脫的情況。長(zhǎng)期使用后螺紋絲桿出現(xiàn)磨損，也會(huì)使得傳動(dòng)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(shí)對(duì)機(jī)床進(jìn)行維護(hù)和檢修，確保機(jī)床精度的穩(wěn)定性。

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作者簡(jiǎn)介：

張子盛，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槠?chē)變速器制造工藝。