加工汽車細長傳動軸類零件的工藝

一、引言

　　軸類零件的長度與直徑之比大于5即為細長軸零件。汽車傳動軸是這類零件中的一種。如圖1所示。傳動軸除了具有細長軸零件的特點外，零件兩側的直徑差比較大，致使零件兩端的線速度差別也大。由于在汽車運行中傳動軸需要高速運轉，同時要傳遞較大的扭矩，因此不但要求傳動軸有較好的動平衡性能，也要求零件有高的抗疲勞強度。但這類零件在實際切削加工過程中由于其剛性差而極易產生彎曲和震動，難以獲得良好的加工精度和表面粗糙度，且在加工中熱擴散差，線膨脹大，當工件兩端頂緊時受熱變形和切削力作用影響熱易產生彎曲，工件容易加工成鼓形，如圖2所示。這類零件在生產中是一個加工難點，需要在加工工藝方案中采取硬頂的措施才能獲得較好的加工效果，以保證零件的加工性能。目前汽車制造業的高速發展，對汽車傳動軸類的零件加工更是提出了優質、高效的要求。

二、傳動軸零件的加工要求及工藝方案

1、加工要求及加工中的難點

　　為使傳動軸達到高動平衡性能，則要求在各個加工工序中基準必須統一，而且最好與動平衡檢測時的基準一致，以減少由于基準轉換而造成加工精度和形能公差達不劍要求。因此加工時必須以軸兩端中心孔為定位基準，而且設備穩定性要求較高。

　　在本零件加工過程中，兩個Φ63.76及Φ108.15的尺寸精度及跳動公差要求較高，必須一次加工完成，方能保證加工零件達到圖紙要求和保證加工出的零件達到零缺陷。

浚傳動軸采用的材料是40CrMo4，零件毛坯采用模具鍛造成型，零件在加工前需經過調質處理，故零件表面存在硬皮且材料組織比較緊密，特別是在分型面及圓角處，在加工這些部位時切削力和切削熱增加，容易造成刀具崩刃和熱磨損。此外，該工件長徑比大、加工工序多、加工批量大，這些因索進一步增加了該工件的難度。

2、加工工藝分析

　　根據傳動軸零件圖紙上的技術要求，需要采用車削、鉆削、滾花鍵、磨削才能完成加工，必須經動動平衡測試。為了防止由于基準不統一而產生系統誤差，可采用加工精度較高的中心孔作為定位基準。加工中心孔的粗基準如何選擇是關鍵。由于零兩個Φ63.5軸承位（圖１所示）的加工精度對動平衡影響最大，而且在毛坯制造過程中，小端也是一次成型，故可選擇這兩個軸承位作為徑向定位粗基準，以Φ241.3端面（圖ｌ所示）作為軸向定位粗基準，這樣可以保證工件加工余量的均勻。依據數控車床和加工中心的特點，這兩種設備都能加工出中心孔，但各有優缺點，如表１所示：

　　車床雖然不需要增加工裝，但需分兩次裝夾，特別是在加工小端時，由于工件懸伸長，剛性差，易振動，致使無法加工，在裝夾時也很容易造成偏差，即使大端與主軸回轉中心垂直度誤差僅為0.02mm，也將造成小端達到0.05mm跳動偏差，如圖３所示。

　　加工中心雖然需要增加旋轉工裝，但它是一次裝夾完成兩端中心孔加工，精度靠設備保證，故加工穩定性高。圖４為工裝示意圖，其回轉平臺采用數控分度頭，定位精度為５秒，零件徑向定位采州液壓中心架，此中心架具有高精度，自動定心牦點，其外形如圖５所示。

　　中心孔形式對加工也有一定的影響。通常中心孔都具有60度錐度，由于零件長徑比大，而且機床主軸與尾架有細微同軸度偏差，這些都可能造成中心孔表面劃傷和精度破壞。為避免這種情況發生，可以采用如圖６所示的球形中心鉆加工球形中心孔。球形中心孔與60度頂針在軸向接觸必然是兩點，兩點決定一直線，故保證了加工精度。

　　在傳動軸的車削加工中，零件外圓與中心孔都在起定位作用，但由于毛坯不均勻，必然與中心孔存在一個大的同軸度誤差，且膏盤三爪為剛性連接，必然造成中心孔不能起到定位作用。為解決這個問題，可采用如圖６所示的帶中心頂針液壓浮動卡盤。此類卡盤主要用于加工軸類零件，以軸心線為基準，三爪具有浮動補償功能。故能保證中心孔定位。

3、工藝方案的技術經濟分析

　　從上述分析可知，在加工方案選擇上，除使用立式加工中心配旋轉工裝加工中心孔外，還可以利用平端面鉆中心孔專機和臥式加工中心完成中心孔這一關鍵工序加工，這三種方案的優缺點如表２所示：

　　從表２可以看出，方案一是較為理想的工藝方案。采用該方案的工藝路線為：

（１）在加工中心上利用旋轉工裝完成兩端中心孔加工和小端面銑削；

（２）在數控車床上利用帶中心頂針浮動卡盤完成小端車削加工；

（３）在數控車床上利用帶中心頂針浮動卡盤完成大端車削加工。

（４）在加工中心上利用鉆孔工裝（與旋轉工裝放在同一工作臺上）完成孔加工。

（５）在高效滾齒機上滾出花鍵。

（６）在外圓磨床上磨出兩軸承位。

三、傳動軸零件加工方案的實施

1、設備選擇

（1）車床選擇

　　由于零件車削需要加工工序較多，而且精度要求高，因而車床首選全功能數控車床。依工件最大直徑及需加工長度和所需刀具，選擇數控車床FCL-300。該機床主要參數為：最大加工直徑450mm，最大加工長度700mm，最大棒材通過直徑77mm。１０工位油壓伺服刀塔。

（２）加工中心選擇

　　在加工中心上需要完成中心孔、銑削小端面、鉆孔及倒角工序。由于零件本身特點，無法從零件小端完成鉆孔和倒角。為保證加工質量及加工效率，必須采用從大端進行鉆孔及反擴倒角辦法來完成零件孔加工。選擇的沒備必須要有足夠大的工作臺面積和足夠高的ｚ軸行程。為了防止換刀時發生干涉現象，應選擇刀臂式換刀機構。

　　依上述要求，選用FALCON-2040VMC-L加工中心。該機床主要參數為：X/Y/Z三軸行程1020/5/10/510mm，工作臺面積1200X500mm，刀臂式換刀，刀庫容量24把。該機床具有良好剛性結構，三軸采用線軌結構，比較高的快移速度和定位精度。將能很好滿足銑削，鉆削加工。

2、刀具選擇

　　由于傳動軸零件比較細長，在加工時其加工精度容易受下列因素影響：

1）切削力因素：在切削三要索中切削深度影響最大，進給量次之．切削速度影響最小。在刀具切削角度中刀前角和倒棱寬度影響最大，前角大，倒棱寬度小，切削力小。主偏角，刃傾角，刀尖圓弧半徑對主切削力影響不大，但對徑向力影響大。

2）切削溫度因素：在切削三要素中，影響切削溫度最大的是切削速度。進給量影響不如切削速度，因為進給量增大，切削溫度增加，但切屑變厚，帶走熱量也多。切削深度影響最小。在刀具切削角度中對切削溫度影響最大的是前角、主偏角、倒棱和刀尖圓弧半徑。增大前角，減小主偏角，合理倒棱和刀尖圓角，可控制切削溫度。

根據上述，選用的刀具和切削參數如下：

　　粗車：正型刀片，刀片基體材質ISO代碼P20-P30和M15-M30，具有TiC、TiCN、AI203和TiAiN復合涂層。這些涂層具有如下特點：TiC是一種高硬度的耐磨化合物，有良好的抗后刀面磨損和抗月牙洼磨損能力。TiCN性能具有TiC和TiN的綜合性能，其硬度高于他們兩者，是比較理想刀具涂層材料。AI203涂層在高溫下能保持良好的化學穩定性和熱穩定性。TiAiN具有良好的抗氧化，抗擴散磨損和抗后刀面磨損能力，尤其具有很高的高溫硬度，適合于高速切削加工。粗車時選擇主偏角91度外圓車刀桿。粗車時切削用量：V=160-250m/min,f=0.2-0.3mm/rpm,ap=1.5-2.5mm。

　　精車：刀片基體材質ISO代碼P10-P30和K10-K25，選擇主偏角95度外圓車刀桿。精車切削用量；V=200-250m/min,f=0.15-0.2mm/rpm,ap=0.5-1mm。

3、加工生產線工藝布置

　　根據上述工藝要求，配置兩臺數控車床、一臺加工中心及相應輸送設備，可組成一個機加工成組制造單元，其工藝布置如圖８所示：

四、結論

　　上述汽車傳動輔機加工工藝方案已經在一家汽車零部件合資企業得到了設計應用，取得了良好的加工效果，傳動軸端面跳動控制在0.02以下。

下面介紹一款立式數控車床，應用于模具、金屬加工和汽車零部件等行業。

日本大隈OKUMA立式數控車床V系列

　　日本大隈OKUMA立式數控車床的最小加工直徑為400mm，最大加工直徑為1000mm，適合大、中型箱體、法蘭型部件、薄型、異形工件的車削加工。

型號	單位	V40R	V60R	V80R	V100R
最大加工直徑	mm	φ400	φ610	φ800	φ1,000
最大振幅	mm	φ500	φ700	φ1,000	φ1,250
最大加工長度	mm	450	660	840	890
最大卡盤尺寸	mm	φ450	φ610	φ910	φ1,010
最大工件承載質量	Kg	300（含卡盤）	500（含卡盤）	800（含卡盤）	1200（含卡盤）
X軸移動量	Mm	265	370	465	565
Z軸移動量	Mm	450	660	840	890
主軸轉速	Minˉ1	25-2,500	20-2,000	13-1,250	13-1,250
主軸的變速級數		無極
主軸端形狀		A2-8	A2-11		φ380扁鋼
主軸軸承內徑	mm	φ120	φ160	φ200
主軸貫通孔徑	mm	φ77	φ92	φ110
地面到主軸端面高度	mm	960	1,085	1,150	1,170
主軸支撐方法		通過滾柱軸承的2點支撐
刀臺的型號		V12
外徑車刀刀柄尺寸	mm	□25		□32
內徑刀具刀柄直徑	mm	φ40、φ50		φ50、φ63
切削進給速度X\Y\Z	mm/Min	0.001-300.000
快速進給速度X\Z軸	m/Min	24

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