任朋，李江全，葛志華，熊偉

1.湖北新火炬科技有限公司 湖北襄陽(yáng) 441000

2.湖北文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 湖北襄陽(yáng) 441000

1 序言

輪轂是汽車的重要部件之一，也是承載車輛質(zhì)量和提供行駛平穩(wěn)度的關(guān)鍵組成部分。輪轂軸承作為輪轂系統(tǒng)中的關(guān)鍵連接部件，其性能對(duì)整個(gè)輪轂的安全性和可靠性具有重要的影響。然而，在輪轂軸承的使用過(guò)程中，由于工藝原因或長(zhǎng)時(shí)間使用而導(dǎo)致的磨損問(wèn)題時(shí)常出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了輪轂軸承的壽命和性能。由于磨削是軸承加工工藝中最重要的工藝之一，對(duì)軸承的表面質(zhì)量具有一定的影響，因此，需要對(duì)軸承磨削工藝進(jìn)行改進(jìn)，以提高其精度和表面質(zhì)量。

近年來(lái)，對(duì)于磨削工藝改進(jìn)方面的研究主要集中在磨削參數(shù)的選擇[1-6]、磨削液的改進(jìn)[7-10]及磨削工具的優(yōu)化[11，12]等。通過(guò)對(duì)磨削過(guò)程中的各種因素進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，可以有效提高零部件的表面質(zhì)量和平面度，減小因磨削誤差而導(dǎo)致的不良影響，提高其使用壽命和可靠性。

本文以輪轂軸承磨削為主題，提出一種新的工藝改進(jìn)方案，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以提高輪轂軸承的制造質(zhì)量和可靠性，為精益生產(chǎn)提供參考和借鑒。

2 取消內(nèi)圈研磨工序

第三代輪轂軸承典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，在其制造及裝配過(guò)程中，磨削工藝是最重要的制造環(huán)節(jié)之一，其加工質(zhì)量直接影響軸承性能，加工效率直接影響產(chǎn)品成本。據(jù)統(tǒng)計(jì)，磨削工藝成本占整個(gè)制造工藝成本的18.2%，不斷優(yōu)化磨削工藝，提升質(zhì)量，降低成本，是企業(yè)的不懈追求。

圖1 第三代輪轂軸承典型結(jié)構(gòu)

大批量生產(chǎn)中，內(nèi)圈溝道、內(nèi)法蘭溝道、外法蘭的雙溝道均經(jīng)歷從粗磨削到精磨削的過(guò)程，3個(gè)部件均單獨(dú)磨削，再裝配。

外法蘭磨削工藝：淬火后車削→精磨削雙溝道及內(nèi)徑（首次砂輪成形修整）→超精磨削雙溝道。

內(nèi)圈磨削工藝：淬火后車削→磨削小端面→磨削大端面→研磨雙端面→粗磨削溝道→精磨削溝道→磨削內(nèi)徑→超精磨削溝道。

內(nèi)法蘭磨削工藝：淬火后車削→磨削溝道及外徑→超精磨削溝道。

內(nèi)圈的磨削流程長(zhǎng)，為簡(jiǎn)化內(nèi)圈磨削工藝，提出取消內(nèi)圈研磨工序，在內(nèi)圈溝道磨削時(shí)，增加小端面的磨削，在粗、精磨削工序同時(shí)磨削內(nèi)圈外徑、溝道和小端面。

內(nèi)圈取消研磨后，大端面表面粗糙度值Ra由平磨工藝保證，小端面表面粗糙度值Ra由粗、精磨削保證。

在M7475B平面磨床上進(jìn)行磨削試驗(yàn)。砂輪規(guī)格：450mm×150mm×380mm A80L。對(duì)120個(gè)樣品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其上下端面表面粗糙度值Ra、小端面平面度及上下端面平行度3個(gè)指標(biāo)衡量磨削效果。并與改進(jìn)前的工藝平均水平進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2～圖5所示?？梢钥闯觯∠心ズ?，Ra能滿足工藝要求，平面度略有降低，平行差無(wú)明顯變化，考慮為測(cè)量誤差所致。

圖2 取消研磨前平面度分布

圖3 取消研磨后平面度分布

圖4 取消研磨前合套后平行差分布

圖5 取消研磨后合套后平行差分布

3 采用連體磨削提高溝心距精度

因輪轂軸承內(nèi)圈和內(nèi)法蘭均單獨(dú)磨削，裝配后溝心距精度不易保證，為此，提出在粗磨削后，將內(nèi)圈與內(nèi)法蘭合套，進(jìn)行連體精磨削，提高溝心距精度的解決思路，并開(kāi)展試驗(yàn)研究，取得了預(yù)期的效果。

4 外法蘭磨削工藝優(yōu)化

4.1 問(wèn)題描述

在外法蘭雙溝道的磨削中，工廠均采購(gòu)未進(jìn)行預(yù)成形的制式砂輪（見(jiàn)圖6），在對(duì)溝道進(jìn)行磨削前，先對(duì)砂輪進(jìn)行成形以達(dá)到合適的輪廓精度。砂輪成形目前采用金剛石滾輪對(duì)砂輪進(jìn)行磨削，首次成形及修整過(guò)程耗時(shí)太長(zhǎng)，一般為30～40min，嚴(yán)重影響加工效率，也直接導(dǎo)致成形滾輪損耗過(guò)多、壽命降低，從而增加成本。提出以車削代替滾輪磨削的方法，實(shí)現(xiàn)砂輪的快速成形。成形砂輪如圖7所示。

圖6 制式砂輪

圖7 成形砂輪

4.2 試驗(yàn)方法

采用100#棕剛玉砂輪，硬度等級(jí)為K。在車床上進(jìn)行試驗(yàn)。車削砂輪的關(guān)鍵在于刀具的選擇。采用PCD金剛石刀片、CBN硬質(zhì)合金刀片及4種結(jié)構(gòu)的金剛石筆共6種刀具進(jìn)行試驗(yàn)比較。

圖8所示為PCD金剛石刀片，是把超細(xì)金剛石粉末和金屬或陶瓷結(jié)合劑通過(guò)燒結(jié)壓制而成的固定形狀的刀片，可得到較好的加工表面，一般表面粗糙度值Ra可以達(dá)到0.2μm，具有高耐磨、摩擦力小及硬度高的特點(diǎn)，是加工非金屬新型材料的首選。

圖8 PCD金剛石刀片

CBN硬質(zhì)合金刀片如圖9所示。CBN硬質(zhì)合金刀片及PCD金剛石刀片可直接選用現(xiàn)有的通用刀桿（S25R-MVWNR16）進(jìn)行車削，車床裝夾方式模擬磨床砂輪軸裝夾方式，采用心軸配合，車床裝夾心軸底端，砂輪上端面采用螺母及墊片鎖緊方式進(jìn)行鎖緊保證。

圖9 CBN硬質(zhì)合金刀片

金剛石筆是用作砂輪修整的常用工具，但因其造價(jià)成本較高，用在此處進(jìn)行砂輪成形車削時(shí)，需綜合考慮成本及效果。選取4種常用的金剛石筆（見(jiàn)圖10）進(jìn)行試驗(yàn)。

圖10 4種常用的金剛石筆

試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)工況

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在表1所示試驗(yàn)條件下，使用6種不同的刀具車削砂輪，試驗(yàn)結(jié)果如下。

（1）CBN硬質(zhì)合金刀片 單個(gè)刀尖車削一個(gè)砂輪后，即出現(xiàn)嚴(yán)重磨損（見(jiàn)圖11）。轉(zhuǎn)速越高，磨損量越大。從磨損形式看，主要是磨粒磨損，這說(shuō)明CBN涂層的硬度不足以抵抗剛玉磨粒的磨削作用。

圖11 CBN刀片磨損

（2）PCD金剛石刀片 每個(gè)刀尖車削一個(gè)砂輪后，未發(fā)現(xiàn)刀尖有明顯磨損跡象，但刀尖出現(xiàn)崩斷現(xiàn)象（見(jiàn)圖12），說(shuō)明此刀片刀尖強(qiáng)度不足。若采用較小主偏角的刀具，可以提高刀尖強(qiáng)度。

圖12 PCD刀片崩斷

（3）A型金剛石筆 車削一個(gè)砂輪后，金剛石刀尖磨損嚴(yán)重（見(jiàn)圖13）。刀尖為金剛石鍍層（金剛石粉末與結(jié)合劑燒結(jié)而成），由于金剛石顆粒小，因此車削時(shí)損耗大。由于砂輪本身顆粒大、耐磨削，車削時(shí)需使用大顆粒金剛石，才能提升使用壽命，因此此方案不可行。

圖13 車削后A型金剛石筆

（4）B型金剛石筆 車削一個(gè)砂輪后，金剛石刀尖崩裂（見(jiàn)圖14）。設(shè)計(jì)時(shí)考慮3粒金剛石耐磨性能更好，但是在實(shí)際使用時(shí)，僅有第1粒金剛石接觸產(chǎn)品在使用，且車削時(shí)刀背強(qiáng)度不夠，直接崩裂。

圖14 車削后B型金剛石筆

（5）C型金剛石筆 首個(gè)砂輪未車削完即出現(xiàn)金剛石刀尖崩裂現(xiàn)象（見(jiàn)圖15）。因金剛石刀尖焊接結(jié)構(gòu)存在問(wèn)題，車削強(qiáng)度不夠，故車削時(shí)刀尖直接崩裂。

圖15 車削后C型金剛石筆

（6）D型金剛石筆 車削后刀尖無(wú)明顯損耗（見(jiàn)圖16）。車削50件未見(jiàn)明顯磨損。

圖16 車削后D型金剛石筆

車削完畢后的砂輪再進(jìn)行滾輪修整，得到最終的形狀輪廓。

5 成本效益分析

一臺(tái)研磨設(shè)備大概24萬(wàn)元，使用年限為10年，則設(shè)備成本為24÷10＝2.4（萬(wàn)元/年）。

一塊研磨砂輪（P1000×70×450）采購(gòu)成本大概4000元，年均消耗總量為20塊，研磨砂輪消耗成本為0.4×20＝8（萬(wàn)元/年）。

全廠內(nèi)圈年產(chǎn)量為2190萬(wàn)件（以2017年采購(gòu)量計(jì)算），研磨人員平均工資為0.0155～0.03元/件，如果以0.02元/件計(jì)算，則每年的人力成本大概為0.02×2190＝43.8（萬(wàn)元/年）。

取消研磨工藝的方案全面推廣，預(yù)計(jì)節(jié)約成本：2.4＋8＋43.8＝54.2（萬(wàn)元/年）。

另一方面，在磨削加工設(shè)備及金剛石滾輪的保證下，可以將內(nèi)圈端面磨削加工工藝再做簡(jiǎn)化，取消平面磨床加工，直接用滾輪修整砂輪來(lái)磨削端面，從而縮減內(nèi)圈工藝流程，提高效率，降低成本。

以車削代替滾輪磨削的方法，實(shí)現(xiàn)砂輪的快速成形后，在時(shí)間上，原來(lái)采用滾輪成形并修正，平均耗時(shí)35min，現(xiàn)在只需14min，縮短60%。

加工方法改進(jìn)前后單件加工費(fèi)用對(duì)比見(jiàn)表2。加工成本單價(jià)從0.584元降至0.522元，降低10.6%。以年產(chǎn)1000萬(wàn)套輪轂軸承為例，每年可以降低成本62萬(wàn)元。

表2 加工方法改進(jìn)前后單件加工費(fèi)用對(duì)比 （單位：元）

CBN刀片因磨損過(guò)大，故不適合車削砂輪；PCD刀片及雙排、單排金剛石筆車削砂輪易導(dǎo)致刀尖崩刃。單點(diǎn)金剛石筆可用于車削砂輪，車削后再經(jīng)滾輪精修整，可以大幅度提升生產(chǎn)效率，并降低成本。該方法工藝簡(jiǎn)單，值得推廣。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)輪轂軸承磨削工藝的優(yōu)化研究，在精益生產(chǎn)ECRS原則的指導(dǎo)下，提出基于車削的砂輪快速成形、取消內(nèi)圈研磨以及采用連體磨削合并工藝的優(yōu)化方法。

優(yōu)化方法的應(yīng)用，使磨削工藝質(zhì)量得到顯著提高，生產(chǎn)線平衡率提升5%，總磨削時(shí)間降低9%，綜合成本下降12%。同時(shí)，取消研磨工序大大縮短了工藝流程，減少了耗時(shí)，節(jié)約了人力和設(shè)備成本。