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[其他] 汽车齿轮珩齿加工缺陷的工艺改进新方法

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发表于 2020-4-7 11:51:41 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车材料网】汽车齿轮珩齿加工缺陷的工艺改进新方法
陈宇(一汽-大众汽车有限公司传动器车间,长春 130011)
摘要:首先对比了2款MQ系列汽车变速器齿轮珩齿加工的工艺区别;其次介绍了批量生产过程中,珩齿加工常见的缺陷类型和原因。为了解决珩齿加工缺陷,提出了2种工艺路线改进方法,一种是在热处理前使用剃齿工艺辅助去除齿面倒棱毛刺高点(齿轮尺寸基本不发生变化),用于解决珩齿机预检不合格缺陷;一种是在热处理前使用剃齿工艺对珩前毛坯进行齿面形状初步加工(齿轮尺寸发生改变),用于解决砂轮打刀、齿面黑皮、精测报告不合格、预检不合格缺陷,这2种方法都已经在批量生产中进行了实验验证和部分应用,对于提高珩齿效率,改善加工质量有显著效果。
关键词:汽车变速器 齿轮珩齿 加工缺陷 工艺路线改进
1 强力珩齿原理及应用
强力珩齿广泛应用于汽车制造业,德国大众集团的MQ系列和DQ系列变速器的高速档位普遍采用珩齿加工齿轮和磨齿加工齿轮相互啮合的传动形式。强力珩齿的加工原理是交错轴齿轮内啮合,刀具砂轮和零件齿轮不仅有径向的切削力,同时刀具砂轮沿着轴向方向进行往复直线运动,这种轴向切削和径向切削的配合形成了复杂的交错网纹形状齿面,有利于齿轮啮合的平稳性和延长齿轮寿命[1-3]。
2 工艺流程及工艺差异性对比
图1所示为MQ250变速器5档换挡齿轮加工的工艺流程图,从工艺的编排来说,齿面加工形式为滚齿倒棱、热处理、珩齿加工。图2所示为MQ200变速器5档换挡齿轮加工的工艺流程,齿面加工形式大致同MQ250相同。但它们在工艺上区别有2点。
图1 MQ250变速器5档换挡齿轮加工的工艺流程

图2 MQ200变速器5档换挡齿轮加工的工艺流程图

a.MQ200采用的是滚齿倒棱一体技术,即先进行粗滚,之后倒棱,再精滚,这样做的好处是可以消除倒棱在零件齿面上因材料堆积而形成的高点,且加工效率高;MQ250则采用滚齿,倒棱分开的工艺,这样的工艺特点是设备没有进行功能集成,独立性比较强,加工尺寸调整和设备维修简便,缺点是加工效率低,倒棱之后不可避免地在齿面上留有毛刺高点,影响后续珩齿加工。
b.MQ200采用的是热处理前焊接工艺,MQ250采用的是热处理后焊接工艺,焊接的目的是实现齿轮齿座(啮合齿轮)和结合齿环(与同步器配合用的齿轮帽)相互结合,从而构成完整的换挡齿轮总成。热处理前焊接的好处是成本低,坏处是焊接后的结合齿环没有后续加工,受热处理变形影响大。采用热处理后焊接的工艺特点则是多了一道工序“硬车加工”,即热处理后对齿轮齿座与结合齿环的配合面进行车削加工,从而满足配合精度要求,优点是结合齿环不受热处理变形影响,齿轮齿座与结合齿环的配合精度高,缺点是多了一道工序成本高。另外一个最主要的区别就是,热后焊接是安排在珩齿加工之后,即珩齿加工不受结合齿环尺寸的影响。如果结合齿环的外径尺寸大于齿轮的外径尺寸,那么热前焊接加工后的齿轮总成,在珩齿工序,刀具砂轮沿着轴向往复运动的幅度就要受到影响(轴交角小),否则砂轮和结合齿会产生干涉,为此MQ200变速器珩齿缺陷比如砂轮打刀的故障率高于MQ250变速器。
3 强力珩齿在批量生产中常见缺陷
珩齿加工是汽车齿轮的精加工方式,也是齿轮齿面的最后一道加工工序。珩齿对于珩前零件毛坯尺寸要求很高,因此在加工前有预检系统,预检轮和零件齿轮进行双齿面滚动测试,通过中心距的变化来判断加工余量、偏心径跳、毛刺高点是否在允许的范围内。批量生产过程中,相比于另外2种精加工方式磨齿、剃齿而言,珩齿加工缺陷会更多,主要体现在珩前预检不合格、砂轮打刀、零件齿面黑皮(即零件齿面上有一部分未加工到)、零件精测报告不合格,在线测量尺寸不合格问题,如表1所示。
表1 强力珩齿常见缺陷、原因及比例


4 解决批量生产过程中珩齿缺陷的2种工艺改进方法
根据表1可知,对于MQ250变速器工艺改进前珩齿最主要的缺陷为预检不合格,接近30%不合格率。预检不合格的主要原因来自于零件齿面有毛刺高点,而齿面高点的主要原因是挤压倒棱不可避免地在零件齿面和端面上产生高点,如图3所示,零件端面上的高点可以通过去毛刺刀解决,而齿面高点则无法去除。通常批量生产过程中采用返修的方式解决预检不合格问题,对于非常明显的高点,操作者使用专用的手工锉去除,不明显的高点则通过逐渐放宽预检范围,最后使不合格零件逐步通过预检,这样做相当于让步放行,弊端是非常容易造成珩齿砂轮打刀。
图3 挤压倒棱过程示意

第一种方法,主要用于解决强力珩齿预检不合格问题,在常规工艺上进行更改,改为滚齿、倒棱、用剃齿机辅助去除齿面毛刺高点、热处理、珩齿。用剃齿机辅助去除齿面毛刺高点并不是真正意义上的剃齿加工,而是在零件表面用剃齿机轻轻刮去齿面两端边缘的倒棱毛刺。图4为一组实验的结果,图4a是滚齿倒棱后的零件精测报告(截取测量报告齿向线部分),可以看到在齿轮两端的齿面上都有明显的毛刺高点(测量结果约为0.02 mm),图4b是同一个零件使用剃齿辅助去除齿面毛刺高点后的测量结果,通过对比可见,齿面边缘毛刺高点已经被完全去除。左侧报告的零件无法通过珩齿机的预检,显示“齿面高点”报警,右侧报告的零件则可以顺利通过预检,这说明用剃齿机辅助去除齿面毛刺高点是非常有效的。采用这种方法,MQ250变速器预检不合格率由工艺改进之前的30%下降为1%,对于解决批量生产预检不合格问题效果明显。
图4 零件齿面边缘高点对比

齿面毛刺高点除了影响珩齿机预检不合格外,对零件珩齿质量的影响也是非常大。图5所示为有齿面毛刺高点的珩前毛坯对砂轮异常磨损的影响趋势图,实验条件为普拉威马品牌(Praewe⁃ma)珩齿机,砂轮修整周期为85件/循环,加工有毛刺高点缺陷的齿轮,毛刺高度约为0.02~0.05 mm,使用递智(Discom)变速器噪音实验台。可以看到,砂轮加工第一个零件时,在齿向线的边缘上就有所异常(图中箭头所示位置),但这个异常情况是可以接受的,不会对变速器噪音造成太大影响,从第20件开始齿向异常点逐渐被放大,至第40件零件已经不能再使用,在Discom变速器实验台上啮合噪音已经超差。而使用增加剃齿去毛刺工艺进行实验的零件,在相同设备相同的砂轮刀具的情况下,从1件到第85件,精测报告数值和图形上全部合格,在Discom变速器实验台也没有噪音。这样的质量缺陷无法通过目视检查发现,只能通过精测间的报告反映,而精测间的测量频次是抽检,因此在批量生产中具有很大的风险隐患。
图5 珩齿缺陷对变速器噪音的影响

齿面毛刺高点问题原则上是可以通过购买新形式的滚齿倒棱一体机来进行解决,比如MQ200变速器预检不合格的比例相对而言就非常低。方法一的优点在于,剃齿作为辅助去毛刺工艺,仅仅与零件轻微接触,比进行实质性的加工,齿轮尺寸基本不发生变化,所以加工节拍非常快,可以使用一台设备进行多种零件的共线生产。另外作为辅助去毛刺工艺,对于剃齿设备的精度要求并不高,可以使用接近报废或闲置的剃齿设备来进行加工,这样它的经济性远远高于购买新的滚齿机,特别适用于旧的批量生产线用于解决珩齿预检不合格问题。
第二种方法旨在通过优化珩前毛坯质量和加工余量的方式,降低强力珩齿加工过程中各种缺陷的比例。提出在热处理前增加剃齿工艺对齿面形状初步加工,工艺更改为滚齿倒棱、剃齿初步加工、热处理、珩齿加工。原则上不应该剃齿,因为剃齿和珩齿都属于精加工工艺,这是一种浪费,但是在珩齿前增加剃齿的好处非常多,可以在强力珩齿前增加剃齿初步加工,以解决各项珩齿缺陷的原因如下。
a.对珩齿余量进行优化。增加剃齿工艺对齿面形状初步加工,意味着零件有2次精加工的机会,即剃齿和珩齿,加工余量可以重新进行分配,相应的珩齿余量可以比正常珩齿余量(跨棒距)单边减少0.02~0.04 mm,剃齿余量可以比正常剃齿余量单边减少0.02~0.05 mm。经过长期的生产观察,解决珩齿砂轮打刀最有效的方法是降低加工余量,珩齿打刀不仅带来设备故障停台,影响生产线的设备开动率,使珩齿变成生产线瓶颈工序,而且长期砂轮打刀会造成设备精度损失,每年维修成本和刀具成本增加。降低珩齿余量的另一个好处是,珩齿加工节拍可以提升3 s左右。
b.剃齿可以对齿轮进行修形以改变齿轮参数(鼓形量,齿形角偏差,齿向角偏差),并且可以对热处理变形进行预修正,这一点很关键,热处理变形影响着珩前毛坯质量,变形大会影响预检、影响加工过程的切削力,影响零件最终的齿面状态,如果齿形角偏差或齿向角偏差过大,还会产生零件黑皮(即零件齿面上有一部未加工到),有齿面黑皮零件目视检查难以有效拦截,
装配后会造成变速器啮合噪音。而滚齿的预修形能力是有限的,只能实现齿向角偏差的同方向调整。图6所示为剃齿加工对零件热处理变形预修形的测量报告。
从可行性角度对方法一和方法二的应用进行分析,从质量、效率和成本3个维度出发,企业决策可作为初步参考(表2)。
图6 剃齿加工对热处理变形进行预修正

表2 方法一/方法二的适用条件和优势


5 结束语
珩齿加工作为汽车齿轮精加工的一种重点工艺,提出的工艺改进方法一用剃齿机辅助去除齿面毛刺高点,通过对齿面两边边缘倒棱毛刺的消除,使滚齿、倒棱分开加工的零件,在珩齿工序的预检不和格比例显著减少,同时降低了砂轮异常磨损的质量风险。提出的方法二采用剃齿初步加工,之后珩齿加工的方法,通过优化珩齿加工余量和改善珩齿前零件质量的方式,提升了珩齿加工效率,改善了砂轮打刀、黑皮等质量缺陷。这两种方法对于解决珩齿缺陷都有明显的效果,但是不可避免的带来了制造成本的增加,采用方法一或方法二,企业的管理者需要从自身企业的实际情况出发,综合考虑质量、效率、成本做出决策。


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