同步環(huán)工藝開發(fā)

楊俊臣

（陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西 西安 710077）

1 同步環(huán)介紹

同步環(huán)屬于典型的環(huán)狀薄壁件，屬于薄壁易變形件，加工過程中易變形，而且尺寸精度要求很高，例如錐口出入量為±0.05mm（錐口直徑的理論位置距離端面的高度，如圖1所示），轉(zhuǎn)換成直徑公差為±0.013mm，錐面的圓度要求0.015mm。

圖1 錐口出入量示意圖

在樣件和小批量階段由于零件在加工過程中的變形問題，導(dǎo)致成品合格率很低，不足50%，加工效率低導(dǎo)致產(chǎn)能無法滿足生產(chǎn)質(zhì)量要求，如果要批量生產(chǎn)必須解決小批量生產(chǎn)過程中所有的技術(shù)難題，如圖2所示為外環(huán)。

圖2 同步環(huán)示意圖

2 機加工藝技術(shù)難點開發(fā)

2.1 同步環(huán)平面度質(zhì)量提升

2.1.1 問題描述

同步環(huán)屬于薄壁易變形件，熱處理變形很大，熱處理后的平面度在0.05mm~0.08mm，熱后加工工序為磨端面→磨另一端面→磨錐面。

要保證磨錐面時的錐口尺寸以及圓度的精度要求，必須要保證其加工定位面的平面度在0.02mm以內(nèi)。但是常用的平面磨床（如M7475B）由于零件加工定位面平面度差，加工過程中工件存在吸緊變形，所以很難滿足磨削面平面度要求。傳統(tǒng)的多次翻面磨法[1]精度不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率低，無法進行批量生產(chǎn)。

2.1.2 解決措施

通過設(shè)計平面磨工裝，采用3個凸臺定位，如圖3所示。首先工裝有一定的高度，可以有效降低平面磨磁力工作臺對零件的影響，其次該工裝有定位環(huán)和定位銷，可有效定位零件，在不吸緊的前提下防止零件在磨削過程中移動。

圖3 圓臺磨工裝

2.1.3 驗證效果

通過將近3萬件的批量生產(chǎn)驗證，該方案可以使零件平面度在0.02mm以內(nèi)，保證后續(xù)磨內(nèi)錐工序錐面的尺寸精度。

2.2 提升同步環(huán)兩端面平行度

2.2.1 問題描述

同步環(huán)其結(jié)構(gòu)如圖4所示，在磨大端面時小面定位為3個凸臺，零件的剛性進一步變差。調(diào)小磨床吸盤磁力，會導(dǎo)致零件吸不住，調(diào)大磁力會使零件變形，導(dǎo)致2個凸臺中間的面會有塌陷的情況，平行度在0.06mm~0.08mm，無法滿足后續(xù)加工和檢測的精度要求。

圖4 同步環(huán)外環(huán)

2.2.2 解決措施

設(shè)計工裝，如圖5所示。工裝上開有6個槽，零件在放置時零件的六爪和工裝6個槽壁貼實。機床工作臺通磁后，該工裝可以防止零件轉(zhuǎn)動和移動。將機床磁力調(diào)到最大，該工裝帶磁后可以吸緊六爪側(cè)面，如圖6畫圈所示部位，起到提高零件磨削剛性的作用。

圖5 圓臺磨工裝

圖6 工裝和工件配合

2.2.3 驗證效果

經(jīng)過批量驗證，該方案可以保證大面的平面度在0.02mm以內(nèi)，2個面的平行度在0.02mm以內(nèi)。

2.3 量產(chǎn)提速

2.3.1 問題描述

由于同步環(huán)的材料是SCr415H，表面硬度大于670HV，現(xiàn)有的砂輪和零件材料不匹配，出現(xiàn)磨削效率低、尺寸精度難保證等一系列問題。

2.3.2 解決措施以及改善效果

對砂輪的材質(zhì)、粒度、硬度以及黏合劑進行重新選型配比，改善效果見表1。同時對砂輪直徑重新選型，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)砂輪直徑為零件待加工內(nèi)孔直徑的70%~90%時，加工出的零件尺寸精度更穩(wěn)定，磨削效率更高[1]，同步環(huán)外環(huán)有12個品種，大小不一，根據(jù)分類，對應(yīng)的砂輪直徑分為4類：φ75mm、φ100mm、φ120mm和φ150mm。

表1 同步環(huán)介紹

2.4 同步環(huán)錐口出入量以及圓度的快速測量

2.4.1 問題描述

傳統(tǒng)的錐口出入量檢測方法為手動檢具測量，如圖7所示，測量方法為將測量錐規(guī)與被測零件錐面配合后，加上配重塊，用高度尺測量錐規(guī)表面和零件表面的高度差，需要均布測量4個位置。

圖7 手動檢具

測量1個零件需要1min~1.5min，工人勞動強度大。錐面圓度通過圓度儀測量，測量1個零件熟練操作需要2min左右，嚴(yán)重影響加工效率。

2.4.2 解決措施

采用軸承測量儀，利用三點定位測圓度法檢測圓度。如圖8所示。查國標(biāo)GB/T4380-2004圓度評定的三點法可知。

f=Δ÷F

式中：f—實際圓度誤差值；Δ—測量值，即最大最小讀數(shù)誤差值；F—反映系數(shù)。

由于被測零件的楞數(shù)未知，要通過查表得到反映系數(shù)F很難。由公式不難看出實際圓度誤差和測量誤差有一個恒定的杠桿比系數(shù)，所以鑒于實際情況抽檢了10個零件分別用軸承測量儀和圓度儀檢測圓度，算出該儀器的反映系數(shù)為1.42。也就是說用軸承測量議測得的數(shù)值乘以0.7即是實際的圓度誤差。軸承測量儀每次調(diào)整后需要重新核對反映系數(shù)，軸承測量儀器如圖8所示。

圖8 檢測零件

錐口出入量測量采用對比測量法，每班的首件用手動檢具測定后作為該班次的標(biāo)準(zhǔn)件，在軸承測量儀上對零。根據(jù)直徑和高度的三角函數(shù)關(guān)系，通過軸承測量儀監(jiān)控直徑的變化來反映高度的變化，這里需要注意內(nèi)錐面是觀察直徑變化最小點，外錐面是觀察直徑變化最大點。

2.4.3 驗證效果

該測量方法通過批量跟蹤驗證目前已經(jīng)應(yīng)用在批量生產(chǎn)中，并在工藝中固化。

2.5 磨內(nèi)錐質(zhì)量提升

2.5.1 問題描述

同步環(huán)外環(huán)如圖9所示，該零件小端面都有3個凸臺，在磨錐面時需要用該面定位，導(dǎo)致零件的加工剛性很差。最初采用永磁吸盤，由于磁力無法調(diào)整，零件存在吸緊變形，無法保證錐面圓度為 0.015mm 。

圖9 同步環(huán)外環(huán)

2.5.2 解決措施

對現(xiàn)有的機床進行電磁吸盤改造，電磁大小可調(diào)，工裝夾緊定位方式為零件外齒定位，端面吸緊，為了保證工裝將電磁力有效地傳遞給零件，對工裝外圓和定位環(huán)做鋁圈隔磁處理。由于定位環(huán)需要頻繁更換，為了提高鋁圈的使用壽命，在鋁圈和定位環(huán)之間設(shè)計過渡連接盤，具體如圖10所示。

圖10 電磁吸盤工裝

為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量和合格率，需要對電磁吸盤的電流大小、粗磨和精磨的磨量、砂輪修整量、磨削速度、光整時間、砂輪轉(zhuǎn)速進行重新摸索。經(jīng)過反復(fù)摸索最終定型的工藝參數(shù)如下：粗磨給精磨留量單邊0.02mm，粗磨磨削速度0.12mm/min；砂輪修整量單邊0.04mm；精磨速度0.02mm/min；光整時間10s；砂輪轉(zhuǎn)速6300轉(zhuǎn)/min；電流0.5A。

2.5.3 驗證效果

產(chǎn)品合格率由原來的不足70%提高到99.8%。

3 亞溫淬火工藝研究

3.1 問題描述

同步環(huán)的材料為SCr415H，具有高淬透性，為了保證尺寸要求須采用壓淬工藝，而圖紙上零件心部硬度要求低（21HRC~35HRC），變形要求高（不超過0.08mm）。按照傳統(tǒng)壓淬工藝，零件心部硬度高（42HRC~45HRC），變形大（大于0.10mm）。為了滿足產(chǎn)品表面硬度、心部硬度及變形要求，需要在熱處理壓淬過程予以攻關(guān)解決。

3.2 解決措施

亞溫淬火工藝雖然在熱處理鐵—碳相圖基礎(chǔ)理論上具有可執(zhí)行性，但是實際只應(yīng)用于其他個別行業(yè)[2]。該文對項目所使用的零件技術(shù)要求和現(xiàn)有設(shè)備條件進行工藝研究。項目的難點在于亞溫淬火工藝參數(shù)的設(shè)定以及壓淬模具的設(shè)計。

3.2.1 亞溫淬火工藝參數(shù)的確定

在壓淬過程中，需要綜合考慮加熱溫度、加熱時間、冷卻時間以及模具結(jié)構(gòu)等一系列工藝參數(shù)，這些因素共同作用，表征出心部硬度的情況。所以需要通過一系列對比正交工藝試驗，來摸索加熱溫度、加熱時間、冷卻方式以及模具結(jié)構(gòu)這些工藝參數(shù)。研究出亞溫淬火狀態(tài)下，同步環(huán)零件的心部硬度和變形情況與熱處理工藝參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，并耦合出最佳工藝參數(shù)。

3.2.2 壓淬模具尺寸確定

壓淬模具的尺寸是基于零件冷熱變形規(guī)律來進行調(diào)整的，需要進行多輪冷熱變形試驗來摸索出模具的最佳尺寸。

3.2.3 驗證效果

解決了SCr415H材料同步環(huán)零件心部硬度超差和不穩(wěn)定的難題，解決了壓淬過程零件尺寸變形離散度大的問題，最終產(chǎn)品心部硬度和尺寸變形的穩(wěn)定性和一致性都符合產(chǎn)品要求，零件壓淬工序整體合格率提高到99%以上。

同時填補了公司在熱處理壓淬工藝上關(guān)于亞溫淬火方面的空白，為后續(xù)其他壓淬類零件（如齒套、齒圈等）熱處理工藝的多樣性、產(chǎn)品設(shè)計多樣性提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

另外亞溫淬火工藝溫度和碳勢低，所以在節(jié)能降耗方面也有優(yōu)勢。

4 結(jié)論

薄壁易變性類零件在加工中的變形問題一直以來是影響產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的主要因素，如何有效消除加工中的變形，需要基于零件的結(jié)構(gòu)、材料以及加工方法來綜合考慮。上述工藝措施通過將近十萬件的批量生產(chǎn)證實有效，產(chǎn)品合格率穩(wěn)定在99.5%左右，可以有效提高產(chǎn)品加工效率以及質(zhì)量的穩(wěn)定性，在薄壁環(huán)類零件的加工中可以作為參考。