張若晶，蘇永春

（中國重汽集團(tuán)大同齒輪有限公司，山西 大同 037305）

0 引 言

凸輪軸齒輪的鍵槽相對(duì)于內(nèi)孔和齒槽的位置度要求的一個(gè)重要特性是：鍵槽的中心線與齒槽中心線的夾角，簡(jiǎn)稱鍵齒角度。鍵齒角度偏差影響著整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念追求輕量化、性能優(yōu)、可靠性。一般大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸齒輪設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為：外徑大、厚度小、內(nèi)孔小、腹板薄，腹板有減輕孔，結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中點(diǎn)多，加工和熱處理時(shí)容易產(chǎn)生曲翹、變形等問題，加大了加工工藝的難度。

1 凸輪軸齒輪的加工工藝簡(jiǎn)介

凸輪軸齒輪的鍵槽中心線與齒槽中心線的夾角，成為一個(gè)工藝難點(diǎn)。據(jù)近三個(gè)月的統(tǒng)計(jì)，鍵齒夾角廢損率約占全部廢損率的72%。國外制造廠為了解決鍵齒角度超差問題、提高其成品率，主要采取提高設(shè)備的加工精度、穩(wěn)定性、工裝的制造精度，將該鍵槽放在熱處理后加工，并對(duì)鍵槽磨削加工和硬質(zhì)銑削[1]，可以很好保證鍵齒特性，但制造成本也提高了許多。國內(nèi)制造廠受到經(jīng)濟(jì)成本和技術(shù)水平的制約，普遍利用現(xiàn)有設(shè)備水平，采取后道工序?qū)η暗拦ば蜻M(jìn)行修正的原則，盡量縮小熱前加工的尺寸公差，提高熱處理的尺寸保證性。據(jù)我公司原有經(jīng)驗(yàn)制定該齒輪的加工工藝為：車削—滾齒—鉗工（拉鍵）—鉗工（銑沉孔）—鉗工（打標(biāo)記）—滲碳—壓淬（由于齒輪外圓尺寸大，零件厚度小，熱處理后端面的平面度較差）—噴砂—磨內(nèi)孔—磨齒。本文研究的該齒輪的鍵齒角度這一特性，首先在熱前加工的鉗工（拉單鍵）工序形成，后續(xù)的影響工序主要集中在熱處理、磨內(nèi)孔靠端面、磨齒。

2 鍵齒角度的數(shù)據(jù)采集與分析

本文跟蹤一個(gè)批次20件，從拉單鍵工序開始，每個(gè)工序完工后用三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量其鍵齒角度，測(cè)算四個(gè)工序的能力指數(shù)發(fā)現(xiàn)改進(jìn)點(diǎn)。從圖1看出，20個(gè)工件的鍵齒角全部符合公差，最大值為0.069 61，最小值為-0.052 06，極差為0.121 67，平均值為0.004 313。呈正態(tài)分布，CPK值為0.74，主要原因?yàn)閿?shù)據(jù)散差大。需提升工序能力。從圖2看出，14個(gè)工件的鍵齒角符合公差，6件超差。最大值為0.128 5，最小值為-0.122 33，極差為0.250 83，平均值為0.016 4。呈正態(tài)分布，CPK值為0.40。數(shù)據(jù)散差大、尺寸超差導(dǎo)致CPK值低。數(shù)據(jù)整體向正向偏移。通過對(duì)比兩組數(shù)據(jù)角度整體偏移0.012°。從圖3看出，15個(gè)工件的鍵齒角符合公差，5件超差。最大值為0.169 94，最小值為-0.222 33，極差為0.392 27，平均值為0.007 744。呈正態(tài)分布，CPK值為0.32。數(shù)據(jù)散差大、尺寸超差導(dǎo)致CPK值低。數(shù)據(jù)整體偏向中差，磨內(nèi)孔工序?qū)崽幚砉ば蛴行拚Ч?。從圖4看出，15個(gè)工件的鍵齒角符合公差，5件超差。最大值為0.134 63，最小值為-0.240 83，極差為0.375 46，平均值為-0.004 67。呈正態(tài)分布，CPK值為0.36。尺寸超差導(dǎo)致CPK值低[2]。數(shù)據(jù)整體更接近中差，磨齒工序有修正前工序的效果。依次對(duì)比熱處理后、磨內(nèi)孔后、磨齒后三組數(shù)據(jù)，計(jì)算發(fā)現(xiàn)磨內(nèi)孔后角度整體向負(fù)方向偏移0.007°，磨齒后角度整體向負(fù)方向偏移0.001 1°，最終結(jié)果與最初鉗工序比較變化量為-0.008°。通過對(duì)鉗工序、熱處理工序、磨內(nèi)孔工序、磨齒工序4個(gè)工序完工的鍵齒角度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，應(yīng)提升鉗工、磨工的過程能力，減小熱處理過程中工件的變形量。

圖1 拉單鍵工序直方圖

圖2 熱處理工序直方圖

圖3 磨內(nèi)孔工序直方圖

圖4 磨齒工序直方圖

3 工序的優(yōu)化方案

1）鉗工工序：鉗工工序的關(guān)鍵在夾具上，造成數(shù)據(jù)散差大的主要原因是：拉刀與導(dǎo)套的間隙、齒槽定位銷與定位銷套的間隙，因?yàn)槔杜c導(dǎo)套的間隙必須大于0.003，否則刀具將無法拉削，甚至?xí)⒌毒呃瓟?；所以解決散差大的問題，只能從定位銷與定位銷套的間隙上著手。目前使用夾具的定位銷靠彈簧彈力保證定位銷的可靠定位，將定位銷與定位銷套的間隙減小后要將彈簧彈力增大，這不便于人工操作。若將定位銷的推動(dòng)方式更改為螺紋式，并將其位置安裝在與拉刀垂直的夾具上方，這樣既可保證定位銷的夾緊力，又方便操作人員更換工件，可有力地保證加工精度和穩(wěn)定性。

2）熱處理工序：熱處理工序主要應(yīng)確保熱處理后的零件圓度和平面度。通常為了確保零件的平面度，滲碳時(shí)采用掛裝的裝爐方式，掛裝的最好形式是穿過零件的內(nèi)孔，由于零件的內(nèi)孔屬于熱后加工的精加工面，裝爐時(shí)為了防止內(nèi)孔面的劃傷，應(yīng)使用腹板上的減重孔進(jìn)行裝爐，但由于減重孔位置不在零件中心，當(dāng)零件受熱時(shí)零件的自重會(huì)使外圓圓度發(fā)生一定變化，磨內(nèi)孔工序加工過程中會(huì)使鍵齒角度發(fā)生變化。

3）磨內(nèi)孔工序：磨內(nèi)孔工序是整個(gè)環(huán)節(jié)中變化量最大的工序，經(jīng)對(duì)該工序的關(guān)鍵尺寸分析，其影響點(diǎn)主要集中在零件加工過程中齒圈跳動(dòng)的控制上。齒圈圓跳動(dòng)大的零件，內(nèi)孔相對(duì)于節(jié)圓的偏心量大。內(nèi)孔的中心線作為鍵齒角度檢驗(yàn)的基準(zhǔn)，若基準(zhǔn)位置發(fā)生了偏移，則檢驗(yàn)結(jié)果偏差也增大。齒輪齒圈圓跳動(dòng)超差的主要原因：一方面是由于零件加工前的節(jié)圓相對(duì)于內(nèi)孔的圓跳動(dòng)已經(jīng)發(fā)生大偏差，造成加工后無法修正或繼續(xù)擴(kuò)大；另一方面是設(shè)備的夾具調(diào)試過程中存在問題，爪塊夾緊后的圓跳動(dòng)超差，造成加工完的零件圓跳動(dòng)超差。前者是優(yōu)化該工序的主要方向；后者是機(jī)床加工精度和調(diào)試水平來決定的，通過檢查零件是可控制在要求內(nèi)的。制定優(yōu)化方案為：將節(jié)圓棒重新設(shè)計(jì)成節(jié)圓夾，并按零件齒數(shù)安裝同樣數(shù)量的節(jié)圓棒，消除尋找圓跳動(dòng)波動(dòng)高點(diǎn)的步驟。由于零件外圓較大，為了確保節(jié)圓棒能夠被夾緊，設(shè)計(jì)了相應(yīng)卡爪，夾緊后可確保零件的夾緊范圍，提升了零件加工過程中節(jié)圓圓跳動(dòng)的修正量和穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

按照工藝優(yōu)化后的方法，對(duì)零件的加工過程進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，拉單鍵工序能力值達(dá)到1.35，熱處理后CPK值為1.21，成品檢查時(shí)CPK值達(dá)到1.38。鍵齒角廢損率已由原來的72%下降到11%，磨內(nèi)孔的廢損率也有所下降，這為公司節(jié)約了大量資金、實(shí)現(xiàn)了降本目的。

[1]閆大建.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理與汽車?yán)碚揫M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[2]陳曉華.Minitab計(jì)算機(jī)分析軟件[J].中國質(zhì)量，2007（2）：41.