劉珍妮，周 帥，張晶晶，張建昌，王會(huì)龍，王 芳，周佳琦

(1.北京北方車輛集團(tuán)有限公司，北京 100072；2.山東特種工業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 淄博 255201；3.重慶鐵馬工業(yè)集團(tuán)有限公司，重慶 400050)

1 概述

應(yīng)用于新型機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)裝置的一體式框架類零件，是特種車輛傳動(dòng)裝置中的核心零件，該框架零件與行星輪、行星輪軸等零件組裝為框架總成，框架行星輪軸孔的位置精度決定了整個(gè)行星排的中心距，直接影響各行星輪間的載荷分配以及傳動(dòng)裝置的承載能力、振動(dòng)和噪聲等，決定了行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)性，進(jìn)而影響整車行動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性及行駛穩(wěn)定性。機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)采用高轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)性直接影響行星輪兩側(cè)減磨墊以及行星輪軸承的工作熱負(fù)荷，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致減磨墊磨損失效，并加速軸承、齒輪的失效進(jìn)程，因此嚴(yán)格控制行星輪軸孔精度及放置行星輪的槽型工作端面相對(duì)于行星輪軸孔中心線的垂直度是保證行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)、減輕減磨墊磨損、提高行星傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性的重要手段。

新型機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)裝置需同時(shí)滿足體積小、輕量化、高精度等要求，因此與傳統(tǒng)主、副組合式框架相比，新型一體式減速排框架精度要求高，結(jié)構(gòu)更緊湊[1]，對(duì)框架的制造工藝也提出了更高要求。框架實(shí)物如圖1所示。

圖1 一體式減速排框架

該框架的幾何公差要求如圖2所示，設(shè)計(jì)精度較高，行星輪軸4個(gè)軸孔位置度≤φ0.03 mm，平行度≤φ0.02 mm，截面垂直度≤0.015 mm。零件薄壁，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，剛性弱，在加工過程中極易產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致超差。

圖2 一體式減速排框架二維結(jié)構(gòu)圖

2 一體式框架工藝設(shè)計(jì)

2.1 加工工藝分析

框架材料為高強(qiáng)度鋼38CrSi，以切削力大、切削溫度高為特征，就38CrSi材料而言，實(shí)現(xiàn)精密鏜削和端面精密銑削并不難，但是框架零件的弱剛性引起加工變形和切削不穩(wěn)定，使得行星輪軸孔系的加工表面質(zhì)量和幾何公差受到很多耦合因素的影響，造成加工質(zhì)量和精度的控制難度變大。

從圖2中零件結(jié)構(gòu)及加工經(jīng)驗(yàn)分析可知，“行星輪軸孔位置度超差”是制約新型一體式框架合格率的主要因素，安排合理的加工順序，選擇合理的精加工基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)專用鏜胎進(jìn)行孔的半精及精加工，設(shè)計(jì)磨工心軸提高裝夾找正的精度來保證鏜孔的定位面精度，也是保證行星輪軸孔精度的關(guān)鍵之一[2-3]。同時(shí)零件進(jìn)行平衡試驗(yàn)時(shí)，以精加工基準(zhǔn)孔A作為基準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。

該零件材料去除量大，產(chǎn)品加工工序長，行星輪軸孔尺寸精度及幾何公差要求高，試制階段開展精密磨削技術(shù)攻關(guān)，采用坐標(biāo)磨方式精加工行星輪軸孔，該方法加工效率低，在批量階段采用臥式精密坐標(biāo)鏜床或高精度立式加工中心精鏜行星輪軸孔、精銑槽工序，提高行星輪軸孔、槽加工效率。

2.2 加工工藝流程設(shè)計(jì)

該產(chǎn)品最大直徑超過200 mm，機(jī)械加工毛坯采用鍛件加工。設(shè)計(jì)此產(chǎn)品的工藝路線為：下料→鍛造→毛坯熱處理→機(jī)械加工(粗加工)→中間檢驗(yàn)→熱處理(調(diào)質(zhì))→機(jī)械加工(半精加工、精加工)→最終檢驗(yàn)—?jiǎng)悠胶狻趸痆4-5]。

定位孔方案對(duì)比如圖3所示。以圖3a所示框架零件最小內(nèi)孔裝夾定位心軸，磨削行星輪軸孔系定位端面，由于內(nèi)孔的軸向尺寸長度過短，穿心軸后磨削時(shí)零件有輕微震顫現(xiàn)象，檢測發(fā)現(xiàn)磨削后零件端面跳動(dòng)，垂直度不理想，基準(zhǔn)A尺寸未達(dá)到j(luò)6等級(jí)，采用如下措施提高行星輪軸孔加工精度：1)為確保定位精度，將原方案鏜孔定位面由車削改為磨削，同時(shí)磨削端面的心軸定位孔優(yōu)化為圖3b所示，將孔B加工至與圖2孔A相同尺寸，增加定位孔長度，解決定位長度短、工件輕微顫動(dòng)導(dǎo)致的磨削精度低的問題；2)優(yōu)化加工順序，調(diào)質(zhì)后增加半精車工序，減小零件因去除量大引起的變形；3)磨削后增加一道精車工序，將零件小端內(nèi)孔B加工到圖樣尺寸。

以提高框架行星輪軸孔位置度、平行度為目標(biāo)，調(diào)質(zhì)熱處理后，優(yōu)化行星輪軸孔加工工序如圖4所示[6-7]。

a) 優(yōu)化前工序

b) 優(yōu)化后工序

3 工裝夾具設(shè)計(jì)

1)新型機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)框架行星輪軸孔精度高，孔周圍的支承梁較壁更薄，剛度更弱，可支承的面積更小，支承與夾緊力的大小、裝夾結(jié)構(gòu)布局、裝夾殘余應(yīng)力都是影響軸孔精度的重要因素[8-9]。以減速排框架為例，介紹裝夾原理，鏜孔工裝如圖5所示。

a) 平面結(jié)構(gòu)圖

b) 實(shí)物圖

框架鏜孔工裝由支承、定位、壓緊3個(gè)典型的結(jié)構(gòu)形式組成：a.支承平臺(tái)的布局一般設(shè)置在框梁處，增強(qiáng)支承強(qiáng)度；b.定位裝置應(yīng)與軸孔的定位基準(zhǔn)一致，保證無間隙配合，采用彈簧漲套或彈簧漲套與精密鋼珠配合定位，漲套的內(nèi)徑是一個(gè)關(guān)鍵尺寸，它與框架的外徑相配合，漲套內(nèi)徑過大，零件產(chǎn)生易變形、劃傷，甚至卡死無法拆裝，漲套內(nèi)徑過小，則達(dá)不到控制定位精度的目的，是設(shè)計(jì)難點(diǎn)，應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析與工藝驗(yàn)證，確定最佳的尺寸；c.框架裝夾時(shí)壓緊與支承對(duì)稱設(shè)計(jì)的布局，可以最大限度地抵消彎矩，夾緊力的大小受零件結(jié)構(gòu)、夾具結(jié)構(gòu)、切削力等因素綜合影響。

2)磨削后的端面作為精鏜行星輪軸孔系基準(zhǔn)[10]，設(shè)計(jì)高精度錐心軸結(jié)構(gòu)，優(yōu)選熱處理硬度為58～65 HRC的材料，保證心軸及零件表面不易劃傷，還可以提高心軸使用壽命，具體如圖6所示。

圖6 心軸

使用高精度心軸以及采用優(yōu)化后定位孔方案(見圖3b)，磨削工序完成后，檢測7件產(chǎn)品磨削端面跳動(dòng)情況，結(jié)果均不大于0.01 mm(見表1)，基準(zhǔn)A的尺寸精度達(dá)到j(luò)6等級(jí)。

表1 磨削端面跳動(dòng)檢測值

工藝優(yōu)化前，由于采用車削方法加工端面，精鏜行星輪軸孔系時(shí)，端面跳動(dòng)大于0.01 mm，導(dǎo)致行星輪軸孔系中普遍存在1～2個(gè)孔位置度超差，數(shù)值在φ0.03～φ0.055 mm之間，改用磨削方法加工端面，使用高精度磨工心軸，采用優(yōu)化后的加工工藝，檢測結(jié)果見表2。

表2 檢測結(jié)果

由表1和表2可以看出，通過工序優(yōu)化及工裝夾具設(shè)計(jì)，提高了框架行星輪軸孔加工定位精度，解決了行星輪軸孔系幾何公差超差問題，為其他類似一體式框架的加工提供了參考，使用三坐標(biāo)測量儀檢測框架幾何公差，結(jié)果表明：框架行星輪軸4個(gè)軸孔位置度均<φ0.03 mm，平行度均<φ0.02 mm，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

本文針對(duì)新型一體式框架整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工材料去除量大、零件加工工序長、裝夾及加工基準(zhǔn)多次轉(zhuǎn)換、弱剛性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致熱處理和切削過程中極易產(chǎn)生變形等特點(diǎn)，分析了影響加工精度的主要因素，針對(duì)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合加工試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了新型鏜孔夾具及磨工心軸，優(yōu)化了行星輪軸孔加工工序，從優(yōu)化工藝過程出發(fā)，增加了半精車工序，調(diào)整了磨削定位孔的加工方式及順序，保證了磨外圓及端面工序的磨削精度，提高了后續(xù)行星輪軸孔系的精鏜基準(zhǔn)精度，最大限度減小了殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，并將加工過程中的改進(jìn)措施納入制造工藝中，保證了一體式框架在生產(chǎn)中的精度和效率。