通過對一類通孔薄壁花鍵軸類零件的工藝改進，提升了加工效率及質(zhì)量。將零件毛坯由原來的實心料改為空心料，并對后續(xù)的機械加工工藝過程進行相應(yīng)的改進，解決了毛坯材料利用率低、加工周期長、零件加工過程中定位不可靠、零件同軸度不好的問題，提升了產(chǎn)品的加工質(zhì)量和效率。
主離合器軸是拖拉機上的一個關(guān)鍵傳動零件，其零件結(jié)構(gòu)特點為: 中空、薄壁，通孔貫通整個零件，單邊壁厚5mm左右，帶外花鍵，長徑比達10左右，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用實心毛坯制造時去除材料比例較大，內(nèi)孔去除材料占40%以上，毛坯總?cè)コ牧霞s50%。此類零件加工時外圓采用車削進行加工，生產(chǎn)效率高; 通孔通常采用深孔鉆進行加工，加工效率極低，加工成本高，一直是此類零件的生產(chǎn)瓶頸，而且整個通孔是靠鉆削的方法加工出來的，內(nèi)孔的粗糙度較差，加工應(yīng)力較大，熱處理時零件變形大，產(chǎn)品質(zhì)量難以有效控制，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量無法達到設(shè)計要求。
圖 1 某主離合器軸結(jié)構(gòu)圖
為了解決此類零件內(nèi)孔加工效率低、成本高、熱處理變形大、質(zhì)量不達標(biāo)的問題，經(jīng)過調(diào)研和實際加工驗證，從零件毛坯的結(jié)構(gòu)以及后序機械加工工藝流程的優(yōu)化等方面進行研究，使這一問題得到了有效解決。
1 毛坯結(jié)構(gòu)優(yōu)化
通過進行市場調(diào)研，查閱相關(guān)資料，與毛坯供貨廠家溝通協(xié)商等，經(jīng)過反復(fù)論證，最終確定對毛坯結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。通過將毛坯結(jié)構(gòu)改為空心結(jié)構(gòu)，取代了原來的實心毛坯，這樣不僅節(jié)省了材料，也減少了后續(xù)的深孔加工的瓶頸工序。將通孔在毛坯制造時完成，通過熱軋及冷拔等手段批量生產(chǎn)加工通孔，生產(chǎn)效率極高。這樣在后續(xù)的機加工過程中減少了通孔加工及輔助工序這些環(huán)節(jié)，必然會極大的提升生產(chǎn)效率; 由于零件內(nèi)孔不再加工，內(nèi)應(yīng)力降低，零件在熱處理時相應(yīng)的變形也會減小。
毛坯通孔加工方法:
(1)將熱軋圓鋼棒料加熱至1100℃, 利用專用模具沖頭等，將圓鋼軋制成空心管料。再將其加熱至850℃,退火去應(yīng)力，降低硬度。通過加熱穿管軋制的方法可以細(xì)化鋼材的晶粒，并消除顯微組織的缺陷，從而使鋼材組織密實，力學(xué)性能得到改善，原材料中的氣泡、裂紋和疏松等缺陷，也可在高溫和壓力作用下被焊合，從而提升了毛坯的組織和機械性能。且此種空心管料已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，市場采購較易獲得，熱軋毛坯管料如圖2所示。
圖 2 熱軋毛坯管料
(2)在常溫下，將合適的空心管料使用專用模具冷壓輥制成空心毛坯料。冷壓輥制時，先進行磷化、皂化等預(yù)處理，增加潤滑性，降低輥制時的摩擦力。空心管料外徑和孔徑經(jīng)過冷壓輥制后變小,最終成型時與毛坯要求尺寸一致。將其加熱至400～500℃進行中溫回火去應(yīng)力和降低硬度。通過該方法可以進一步提高鋼管的尺寸精度和表面光潔度，改善材質(zhì)的機械性能等。
(3)根據(jù)毛坯圖要求的長度進行鋸床下料，將下好的毛坯料加熱至900℃ ,進行正火處理，進一步細(xì)化組織，控制硬度; 然后進行噴砂、酸洗、中和、除銹防銹等，再進行校直、檢驗等，最后成為合格毛坯。酸洗工序如圖3所示，校直工序如圖4所示。
圖 3 酸洗后的管料
圖 4 毛坯校直
2 機械加工工藝優(yōu)化
毛坯問題解決后，如何加工又成為新的難題，原實心毛坯的工藝方案是銑兩端面后，開始打中心孔，再以中心孔定位車削外圓、外倒角等，并磨削外圓基準(zhǔn)，以外圓和端頭外倒角定位加工通孔; 而新毛坯為空心管，首先無法做出中心孔，工藝安排不當(dāng)時，會造成零件同軸度誤差較大，嚴(yán)重時影響裝配使用。新的毛坯形狀需要使用新的合理的加工工藝方案，新方案的實施，首先必須保證產(chǎn)品的質(zhì)量，還需要提升生產(chǎn)效率。空心毛坯到貨后，首先使用的是銑打兩端面，然后采用立式鉆床加工60°定位中心孔，再以中心內(nèi)孔為基準(zhǔn)加工其它部位，這也是常規(guī)的加工方法，但此種加工方法在銑打兩端面時，會造成端面及內(nèi)孔里存有翻邊毛刺，而這種毛刺往往不易去除，加工中心孔時容易偏心，如果再以中心孔為基準(zhǔn)，必然影響后續(xù)加工質(zhì)量，造成底孔與定位外圓的同軸度差。經(jīng)過實踐驗證，此種方案存在較大問題，在整機試驗中主離合器軸與其通孔中裝配的副離合器軸干涉，造成副離合器分離的狀態(tài)下，動力輸出部分不停轉(zhuǎn)，需要經(jīng)常進行拆車換件。而拆車換件過程也很繁瑣，需要將整個殼體從中間斷開，耗時耗力，還極易造成軸承和密封圈的損壞，拆車的綜合成本非常高，須盡快進行整改。通過仔細(xì)分析毛坯鍛打和冷加工的工藝過程，以基準(zhǔn)一致為原則，保證內(nèi)孔與外圓的同軸度為核心，進行工藝方案的改進調(diào)整。打破常規(guī)的先銑兩端面方案，改為先加工外圓及外倒角后再銑兩端面的方案，通過工藝改進，調(diào)整加工的先后順序，避免了人工去除毛刺的質(zhì)量不穩(wěn)定因素。使用毛坯兩端通孔的尖角作為粗基準(zhǔn)，使用仿形車兩頂尖定位加工外圓及外倒角，端面銑床再以加工過的外圓為基準(zhǔn)加工兩端面，由于對外圓預(yù)先進行了倒角加工，且倒角的長度比銑端面的余量大1～2mm，毛刺不會翻到外圓上，不影響后續(xù)數(shù)控車加工定位，雖然內(nèi)孔在加工端面時會殘留毛刺，但不影響后續(xù)加工的定位基準(zhǔn)和鏜孔加工。改進后的定位及加工方案如圖5所示。
圖 5 改進后的定位及加工方案簡圖
采用帶中心架的數(shù)控車床精車一端加工時，卡盤一端夾持外圓，中心架夾持另一端外圓，加工端面及內(nèi)外倒角，內(nèi)孔處的上道工序留下的翻邊毛刺自然會被加工掉，60°內(nèi)倒角為后續(xù)加工精基準(zhǔn)，然后尾座頂尖頂?shù)降菇巧希砷_中心架夾持，把一端外圓加工到合適的位置，精車一端簡圖如圖6所示。
圖 6 精車一端簡圖
掉頭精車另一端，卡盤一端夾持精加工后的外圓，中心架夾持另一端外圓，加工端面、內(nèi)孔及內(nèi)倒角，同樣的這一端內(nèi)孔的毛刺也會被加工掉，然后尾 座頂尖頂?shù)絻?nèi)倒角上，松開中心架夾持，把這一端外圓加工到與另一端外圓接通的位置。再把中心架夾持上，移開尾座頂尖，把端頭孔精加工完成，精車另一端簡圖如圖7所示。
圖 7 精車另一端簡圖
批量檢驗結(jié)果，毛坯通孔與外圓的壁厚差穩(wěn)定控制在0.1mm以內(nèi)，外圓的相對于中心孔的同軸度在0.05mm以內(nèi)，整個零件的尺寸和形位公差均高于原圖紙設(shè)計要求。在此過程中需注意，毛坯通孔與端面垂直度誤差不允許超出一定的值，一般要求控制0.15mm以內(nèi)，否則會造成零件外圓與通孔的同軸度誤差較大，不滿足產(chǎn)品要求。為此還設(shè)計制作了毛坯通孔檢驗量棒，用于控制毛坯內(nèi)孔的直線度和橢圓度。
實心毛坯及空心毛坯的主要加工方案如下:
(1)實心毛坯工藝方案
主要工序: 銑兩端面及打中心孔-粗車齒坯一端-粗車齒坯另一端-磨加工通孔基準(zhǔn)-加工通孔-精車齒坯一端-精車齒坯另一端-銑一端花鍵-銑另一端花鍵-磨校直外圓-熱處理 (滲碳淬火+校直) -研磨中心孔-磨外圓等。
(2)空心毛坯工藝方案
主要工序:粗車齒坯一端-粗車齒坯另一端-銑兩端面-精車齒坯一端-精車齒坯另一端-銑一端花鍵-銑另一端花鍵-磨校直外圓-熱處理 (滲碳淬火+校直)-研磨中心孔-磨外圓等。
3 熱處理工序的驗證
通過實心和空心毛坯在熱處理后的情況對比，熱處理理化指標(biāo)無大的差異，均能滿足工藝的要求，但空心毛坯加工的零件在熱處理變形控制上有較好的提升。花鍵M值熱后變化量對比: 使用空心軸類毛坯加工零件，變化較少。使用實心軸類毛坯加工零件，變化較大，證明零件在熱處理后使用空心毛坯的圓度變形較小。花鍵徑跳熱后變化量對比: 使用空心軸類毛坯加工零件，熱后校直更加容易，彎曲變形相對較小。使用實心軸類毛坯加工零件，變化較大，且無規(guī)律。零件的整體強度對比:空心毛坯加工的零件比實心毛加工的零件的整體抗扭強度高出近10% 。
4 成品檢驗及裝車驗證
針對裝車干涉問題，為此專門設(shè)計了模仿裝配的綜合檢具，跟蹤驗證階段，100%進行檢驗，零件檢測結(jié)論為合格率100%。此專用檢驗夾具，工藝穩(wěn)定后不再100%進行檢驗，只用作抽檢。通過首次50臺的裝車驗證，未有1臺發(fā)生干涉的情況。接著又試裝了200臺車，仍然未發(fā)生一臺干涉的情況。累積跟蹤驗證1000臺的裝車，未發(fā)生一臺次干涉造成副離合器分離的狀態(tài)下，動力輸出部分不停轉(zhuǎn)的情況。
5 結(jié)論
(1)毛坯選擇從實心毛坯改為空心管料毛坯，毛坯重量減少，節(jié)省了原材料20%以上。還減少了通孔加工環(huán)節(jié)，及其輔助工序，解決了此零件加工的最大生產(chǎn)瓶頸，一共減少了3道工序，極大提升了生產(chǎn)效率，整體加工效率約為原來的3倍。
(2)加工質(zhì)量方面，對比實心毛坯及空心毛坯的熱處理前后的實測數(shù)據(jù)，花鍵的M值、徑向跳動及齒向等花鍵精度都有較大提升。
(3)推廣應(yīng)用方面，采用空心毛坯及新工藝方案的實施，產(chǎn)品的加工效率及質(zhì)量均得到提升，按此工藝方案推廣到其它同類零件上，并推廣到不同材料的零件，如40Cr，42CrMo等材料。帶通孔薄壁花鍵軸類零件的制造工藝革新，解決了軸類零件通孔加工瓶頸，熱處理易變形等諸多問題; 新類型毛坯使用的新型加工方法解決了零件上翻邊毛刺去除難，定位基準(zhǔn)容易出現(xiàn)偏差的定位不準(zhǔn)問題，同時最大限度的修正了內(nèi)孔相對于外圓的同軸度; 且廣泛推廣到同類型零件上，為公司取得了極好的成效。經(jīng)過驗證，用空心軸類毛坯制造的零件，各方面的成品精度都優(yōu)于實心軸類毛坯制造的零件，是值得推廣的新行工藝方法。
參考文獻 :略
主離合器軸是拖拉機上的一個關(guān)鍵傳動零件，其零件結(jié)構(gòu)特點為: 中空、薄壁，通孔貫通整個零件，單邊壁厚5mm左右，帶外花鍵，長徑比達10左右，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用實心毛坯制造時去除材料比例較大，內(nèi)孔去除材料占40%以上，毛坯總?cè)コ牧霞s50%。此類零件加工時外圓采用車削進行加工，生產(chǎn)效率高; 通孔通常采用深孔鉆進行加工，加工效率極低，加工成本高，一直是此類零件的生產(chǎn)瓶頸，而且整個通孔是靠鉆削的方法加工出來的，內(nèi)孔的粗糙度較差，加工應(yīng)力較大，熱處理時零件變形大，產(chǎn)品質(zhì)量難以有效控制，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量無法達到設(shè)計要求。
圖 1 某主離合器軸結(jié)構(gòu)圖
為了解決此類零件內(nèi)孔加工效率低、成本高、熱處理變形大、質(zhì)量不達標(biāo)的問題，經(jīng)過調(diào)研和實際加工驗證，從零件毛坯的結(jié)構(gòu)以及后序機械加工工藝流程的優(yōu)化等方面進行研究，使這一問題得到了有效解決。
1 毛坯結(jié)構(gòu)優(yōu)化
通過進行市場調(diào)研，查閱相關(guān)資料，與毛坯供貨廠家溝通協(xié)商等，經(jīng)過反復(fù)論證，最終確定對毛坯結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。通過將毛坯結(jié)構(gòu)改為空心結(jié)構(gòu)，取代了原來的實心毛坯，這樣不僅節(jié)省了材料，也減少了后續(xù)的深孔加工的瓶頸工序。將通孔在毛坯制造時完成，通過熱軋及冷拔等手段批量生產(chǎn)加工通孔，生產(chǎn)效率極高。這樣在后續(xù)的機加工過程中減少了通孔加工及輔助工序這些環(huán)節(jié)，必然會極大的提升生產(chǎn)效率; 由于零件內(nèi)孔不再加工，內(nèi)應(yīng)力降低，零件在熱處理時相應(yīng)的變形也會減小。
毛坯通孔加工方法:
(1)將熱軋圓鋼棒料加熱至1100℃, 利用專用模具沖頭等，將圓鋼軋制成空心管料。再將其加熱至850℃,退火去應(yīng)力，降低硬度。通過加熱穿管軋制的方法可以細(xì)化鋼材的晶粒，并消除顯微組織的缺陷，從而使鋼材組織密實，力學(xué)性能得到改善，原材料中的氣泡、裂紋和疏松等缺陷，也可在高溫和壓力作用下被焊合，從而提升了毛坯的組織和機械性能。且此種空心管料已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，市場采購較易獲得，熱軋毛坯管料如圖2所示。
圖 2 熱軋毛坯管料
(2)在常溫下，將合適的空心管料使用專用模具冷壓輥制成空心毛坯料。冷壓輥制時，先進行磷化、皂化等預(yù)處理，增加潤滑性，降低輥制時的摩擦力。空心管料外徑和孔徑經(jīng)過冷壓輥制后變小,最終成型時與毛坯要求尺寸一致。將其加熱至400～500℃進行中溫回火去應(yīng)力和降低硬度。通過該方法可以進一步提高鋼管的尺寸精度和表面光潔度，改善材質(zhì)的機械性能等。
(3)根據(jù)毛坯圖要求的長度進行鋸床下料，將下好的毛坯料加熱至900℃ ,進行正火處理，進一步細(xì)化組織，控制硬度; 然后進行噴砂、酸洗、中和、除銹防銹等，再進行校直、檢驗等，最后成為合格毛坯。酸洗工序如圖3所示，校直工序如圖4所示。
圖 3 酸洗后的管料
圖 4 毛坯校直
2 機械加工工藝優(yōu)化
毛坯問題解決后，如何加工又成為新的難題，原實心毛坯的工藝方案是銑兩端面后，開始打中心孔，再以中心孔定位車削外圓、外倒角等，并磨削外圓基準(zhǔn)，以外圓和端頭外倒角定位加工通孔; 而新毛坯為空心管，首先無法做出中心孔，工藝安排不當(dāng)時，會造成零件同軸度誤差較大，嚴(yán)重時影響裝配使用。新的毛坯形狀需要使用新的合理的加工工藝方案，新方案的實施，首先必須保證產(chǎn)品的質(zhì)量，還需要提升生產(chǎn)效率。空心毛坯到貨后，首先使用的是銑打兩端面，然后采用立式鉆床加工60°定位中心孔，再以中心內(nèi)孔為基準(zhǔn)加工其它部位，這也是常規(guī)的加工方法，但此種加工方法在銑打兩端面時，會造成端面及內(nèi)孔里存有翻邊毛刺，而這種毛刺往往不易去除，加工中心孔時容易偏心，如果再以中心孔為基準(zhǔn)，必然影響后續(xù)加工質(zhì)量，造成底孔與定位外圓的同軸度差。經(jīng)過實踐驗證，此種方案存在較大問題，在整機試驗中主離合器軸與其通孔中裝配的副離合器軸干涉，造成副離合器分離的狀態(tài)下，動力輸出部分不停轉(zhuǎn)，需要經(jīng)常進行拆車換件。而拆車換件過程也很繁瑣，需要將整個殼體從中間斷開，耗時耗力，還極易造成軸承和密封圈的損壞，拆車的綜合成本非常高，須盡快進行整改。通過仔細(xì)分析毛坯鍛打和冷加工的工藝過程，以基準(zhǔn)一致為原則，保證內(nèi)孔與外圓的同軸度為核心，進行工藝方案的改進調(diào)整。打破常規(guī)的先銑兩端面方案，改為先加工外圓及外倒角后再銑兩端面的方案，通過工藝改進，調(diào)整加工的先后順序，避免了人工去除毛刺的質(zhì)量不穩(wěn)定因素。使用毛坯兩端通孔的尖角作為粗基準(zhǔn)，使用仿形車兩頂尖定位加工外圓及外倒角，端面銑床再以加工過的外圓為基準(zhǔn)加工兩端面，由于對外圓預(yù)先進行了倒角加工，且倒角的長度比銑端面的余量大1～2mm，毛刺不會翻到外圓上，不影響后續(xù)數(shù)控車加工定位，雖然內(nèi)孔在加工端面時會殘留毛刺，但不影響后續(xù)加工的定位基準(zhǔn)和鏜孔加工。改進后的定位及加工方案如圖5所示。
圖 5 改進后的定位及加工方案簡圖
采用帶中心架的數(shù)控車床精車一端加工時，卡盤一端夾持外圓，中心架夾持另一端外圓，加工端面及內(nèi)外倒角，內(nèi)孔處的上道工序留下的翻邊毛刺自然會被加工掉，60°內(nèi)倒角為后續(xù)加工精基準(zhǔn)，然后尾座頂尖頂?shù)降菇巧希砷_中心架夾持，把一端外圓加工到合適的位置，精車一端簡圖如圖6所示。
圖 6 精車一端簡圖
掉頭精車另一端，卡盤一端夾持精加工后的外圓，中心架夾持另一端外圓，加工端面、內(nèi)孔及內(nèi)倒角，同樣的這一端內(nèi)孔的毛刺也會被加工掉，然后尾 座頂尖頂?shù)絻?nèi)倒角上，松開中心架夾持，把這一端外圓加工到與另一端外圓接通的位置。再把中心架夾持上，移開尾座頂尖，把端頭孔精加工完成，精車另一端簡圖如圖7所示。
圖 7 精車另一端簡圖
批量檢驗結(jié)果，毛坯通孔與外圓的壁厚差穩(wěn)定控制在0.1mm以內(nèi)，外圓的相對于中心孔的同軸度在0.05mm以內(nèi)，整個零件的尺寸和形位公差均高于原圖紙設(shè)計要求。在此過程中需注意，毛坯通孔與端面垂直度誤差不允許超出一定的值，一般要求控制0.15mm以內(nèi)，否則會造成零件外圓與通孔的同軸度誤差較大，不滿足產(chǎn)品要求。為此還設(shè)計制作了毛坯通孔檢驗量棒，用于控制毛坯內(nèi)孔的直線度和橢圓度。
實心毛坯及空心毛坯的主要加工方案如下:
(1)實心毛坯工藝方案
主要工序: 銑兩端面及打中心孔-粗車齒坯一端-粗車齒坯另一端-磨加工通孔基準(zhǔn)-加工通孔-精車齒坯一端-精車齒坯另一端-銑一端花鍵-銑另一端花鍵-磨校直外圓-熱處理 (滲碳淬火+校直) -研磨中心孔-磨外圓等。
(2)空心毛坯工藝方案
主要工序:粗車齒坯一端-粗車齒坯另一端-銑兩端面-精車齒坯一端-精車齒坯另一端-銑一端花鍵-銑另一端花鍵-磨校直外圓-熱處理 (滲碳淬火+校直)-研磨中心孔-磨外圓等。
3 熱處理工序的驗證
通過實心和空心毛坯在熱處理后的情況對比，熱處理理化指標(biāo)無大的差異，均能滿足工藝的要求，但空心毛坯加工的零件在熱處理變形控制上有較好的提升。花鍵M值熱后變化量對比: 使用空心軸類毛坯加工零件，變化較少。使用實心軸類毛坯加工零件，變化較大，證明零件在熱處理后使用空心毛坯的圓度變形較小。花鍵徑跳熱后變化量對比: 使用空心軸類毛坯加工零件，熱后校直更加容易，彎曲變形相對較小。使用實心軸類毛坯加工零件，變化較大，且無規(guī)律。零件的整體強度對比:空心毛坯加工的零件比實心毛加工的零件的整體抗扭強度高出近10% 。
4 成品檢驗及裝車驗證
針對裝車干涉問題，為此專門設(shè)計了模仿裝配的綜合檢具，跟蹤驗證階段，100%進行檢驗，零件檢測結(jié)論為合格率100%。此專用檢驗夾具，工藝穩(wěn)定后不再100%進行檢驗，只用作抽檢。通過首次50臺的裝車驗證，未有1臺發(fā)生干涉的情況。接著又試裝了200臺車，仍然未發(fā)生一臺干涉的情況。累積跟蹤驗證1000臺的裝車，未發(fā)生一臺次干涉造成副離合器分離的狀態(tài)下，動力輸出部分不停轉(zhuǎn)的情況。
5 結(jié)論
(1)毛坯選擇從實心毛坯改為空心管料毛坯，毛坯重量減少，節(jié)省了原材料20%以上。還減少了通孔加工環(huán)節(jié)，及其輔助工序，解決了此零件加工的最大生產(chǎn)瓶頸，一共減少了3道工序，極大提升了生產(chǎn)效率，整體加工效率約為原來的3倍。
(2)加工質(zhì)量方面，對比實心毛坯及空心毛坯的熱處理前后的實測數(shù)據(jù)，花鍵的M值、徑向跳動及齒向等花鍵精度都有較大提升。
(3)推廣應(yīng)用方面，采用空心毛坯及新工藝方案的實施，產(chǎn)品的加工效率及質(zhì)量均得到提升，按此工藝方案推廣到其它同類零件上，并推廣到不同材料的零件，如40Cr，42CrMo等材料。帶通孔薄壁花鍵軸類零件的制造工藝革新，解決了軸類零件通孔加工瓶頸，熱處理易變形等諸多問題; 新類型毛坯使用的新型加工方法解決了零件上翻邊毛刺去除難，定位基準(zhǔn)容易出現(xiàn)偏差的定位不準(zhǔn)問題，同時最大限度的修正了內(nèi)孔相對于外圓的同軸度; 且廣泛推廣到同類型零件上，為公司取得了極好的成效。經(jīng)過驗證，用空心軸類毛坯制造的零件，各方面的成品精度都優(yōu)于實心軸類毛坯制造的零件，是值得推廣的新行工藝方法。
參考文獻 :略