摘要：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)實現(xiàn)自動化、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(zhuǎn)彎時兩側(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(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。

　　一、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)—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(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：

　　(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。當(dāng)局部溫度很高時，加工表面就會出現(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、體力強弱、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。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(guī)則，其次磨床 Z 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)驗判定，導(dǎo)致尺寸穩(wěn)定性差。經(jīng)統(tǒng)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(chǎn)生的粉塵、有害氣體及廢棄物會對職業(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，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，費用每噸約 2 400 元(價格隨國家環(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)控機床自動控制，裝夾的高精度，保證產(chǎn)品加工的一致性及穩(wěn)定性，同時提高生產(chǎn)效率，降低操作者勞動強度。

　　二、產(chǎn)品工藝性分析

　　1.材料分析

　　該產(chǎn)品設(shè)計材料為 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，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，切削余量過小時不易斷屑，需考慮車削時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 Φ80+ 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。

　　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 Ф0.06 mm，端面跳動 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。

　　三、解決方案

　　1.設(shè)備選型

　　數(shù)控機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。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 X 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;Z 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。

　　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)。同時三爪夾持部位設(shè)計為鋸齒形，增加設(shè)備高速運轉(zhuǎn)過程中工件與三爪之間的摩擦力，防止工件移動或甩出。

　　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(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。通過對不同供方、材質(zhì)及槽型的刀片進(jìn)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(zhì)量較高。經(jīng)現(xiàn)場驗證，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。通過對刀具強度和設(shè)備性能綜合驗證，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，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。

　　四、效果驗證

　　(1)同軸度 Ф0.06 mm 及端面跳動 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進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如表 2 所示，同軸度范圍在 Ф0.020～Ф0.040 mm 之間，其中 83%的產(chǎn)品同軸度可達(dá)到 Ф0.030 mm 以內(nèi);端面跳動檢測值在 0.010～0.020 mm 之間，檢測結(jié)果 100%均符合工藝要求。

　　(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，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 件需對刀補進(jìn)行精度補償。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償時進(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。

　　(4)初始過程能力：為了確認(rèn)過程的穩(wěn)定性，對外圓尺寸 Φ80+0.039+0.020 mm 連續(xù)檢測收集 25 組共 125 個數(shù)據(jù)，采用均值-極差圖(圖 6、圖 7)對其初始過程能力進(jìn)行分析研究計算，具體過程如下。

　　依據(jù)式(1)計算標(biāo)準(zhǔn)偏差：

　　其中，是子組極差的平均值，由圖 7 可知，R =0.005;d2 是隨樣本容量變化的常數(shù)。

　　本文選取 25 組數(shù)據(jù)，每組樣本容量 5 件，由表 5 可知，d2=2.33，故過程的標(biāo)準(zhǔn)偏差為 δ= R / d2=0.005/2.33=0.002 14。

　　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(shù)為

　　單邊下限短期能力指數(shù)為

　　過程能力指數(shù)為

　　式中，USL 為規(guī)范上限，即 USL=0.039;LSL 為規(guī)范下限，即 LSL=0.020; 為 25 組數(shù)據(jù)的過程均值，由圖 6 可知， =0.030。

　　根據(jù)統(tǒng)計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。本文差速器殼軸承外圓尺寸為 Φ80+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。

　　五、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，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，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)保處置費用也得到了節(jié)約，為公司創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。

　　參考文獻(xiàn)略.