無(wú)級(jí)變速器帶輪軸磨床夾具使用壽命優(yōu)化改進(jìn)

梁翠婷 任家峰

摘要：機(jī)床夾具在加工過(guò)程中起到了穩(wěn)定固定工件、提供定位基準(zhǔn)、實(shí)現(xiàn)切削力傳遞和保護(hù)工件表面等重要作用。正確選擇和使用適當(dāng)?shù)膴A具對(duì)于確保加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率和保障人員安全至關(guān)重要。文章通過(guò)對(duì)某無(wú)級(jí)變速器（CVT）帶輪軸的磨床加工過(guò)程中，夾具出現(xiàn)過(guò)量磨損的原因進(jìn)行分析，探究其過(guò)量磨損的根本原因，并經(jīng)過(guò)對(duì)夾具夾持面涂層材料的優(yōu)化改進(jìn)，能顯著提升磨床夾具的使用壽命及產(chǎn)線生產(chǎn)效率，供行業(yè)內(nèi)同類型的夾具磨損問(wèn)題處理提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：帶輪軸磨床；夾具；脹套；夾持面涂層

中圖分類號(hào)：U468.2+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

磨床夾具是用于固定工件的裝置，其主要作用是在磨削加工過(guò)程中穩(wěn)定固定工件，防止工件在加工過(guò)程中發(fā)生位移或晃動(dòng)，保證加工結(jié)果的準(zhǔn)確性；通過(guò)提供穩(wěn)定的支撐，能夠有效降低工件在磨削加工時(shí)的振動(dòng)和共振，使得工件能夠更加穩(wěn)定地進(jìn)行磨削，從而提高磨削的精度和表面質(zhì)量。磨床夾具的設(shè)計(jì)和制造精度對(duì)加工結(jié)果有著重要影響，良好的磨床夾具能夠準(zhǔn)確地定位和固定工件，保證加工過(guò)程的精度和尺寸的穩(wěn)定性[1-3]。

磨床夾具的磨損會(huì)對(duì)加工精度、位置準(zhǔn)確度、加工穩(wěn)定性和加工表面質(zhì)量等方面產(chǎn)生不良影響。若加工過(guò)程中夾具磨損嚴(yán)重，可能會(huì)造成夾緊失效，釀成重大安全事故。本文主要探究某CVT機(jī)加工工廠在加工帶輪軸過(guò)程中，磨床夾具磨損對(duì)帶輪軸加工質(zhì)量帶來(lái)的影響、夾具出現(xiàn)磨損的成因以及壽命提升的優(yōu)化驗(yàn)證措施。

1 CVT 帶輪軸磨床基本結(jié)構(gòu)

CVT 帶輪軸的生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)磨削工藝要求很高，一是帶輪軸錐面需要通過(guò)傾斜角度精確加工，二是球道槽（軸向滾珠槽）也必須加工。該工廠選用的是EMAG_HG310 型磨床，2 道工序在一次裝夾中完成，可以避免二次裝夾產(chǎn)生更大的誤差[4]。

HG310 磨床主要由如下部分組成：①頭架主軸箱，主要由夾緊油缸、旋轉(zhuǎn)C 軸、卡盤和定位夾持元件組成；②磨削主軸單元，用于帶輪軸錐面、軸頸外圓磨削加工及球道槽磨削加工； ③尾座，尾座頂尖用以頂緊滑臺(tái)單元；④用于立方氮化硼（CBN）砂輪和剛玉砂輪的修整單元。此外，該磨床還同時(shí)配備了Marposs 在線測(cè)量裝置、砂輪自動(dòng)平衡單元、SIEMENS 數(shù)控系統(tǒng)以及其他功能部件（圖1）。

HG310 磨床對(duì)工件的夾緊定位主要由頭架主軸箱、尾座單元以及工件輔助預(yù)支撐三部分協(xié)同完成，即通過(guò)頭架浮動(dòng)定心頂尖及尾座頂尖（固定式）對(duì)工件兩端中心孔進(jìn)行定位，卡盤內(nèi)安裝的脹緊夾持元件（以下簡(jiǎn)稱脹套）進(jìn)行定位夾緊。帶輪軸產(chǎn)線自動(dòng)化程度較高，從粗加工工序至下線均采用桁架機(jī)械手自動(dòng)上下料方式。機(jī)械手抓料后放置于機(jī)床工件預(yù)支撐上，尾座單元在液壓驅(qū)動(dòng)下將工件頂緊，脹套在液壓油缸作用下夾緊工件，機(jī)床對(duì)工件的定位夾緊步序完成（圖2）。

2 帶輪軸磨床夾具磨損的影響

該CVT 機(jī)加工工廠帶輪軸線磨床自SOP 量產(chǎn)2 個(gè)月后，加工過(guò)程中開始出現(xiàn)不同的質(zhì)量缺陷，包括工件軸頸外圓跳動(dòng)和錐面跳動(dòng)超差等問(wèn)題。CVT 帶輪軸錐面和軸頸外圓跳動(dòng)超差可能會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)帶與帶輪之間的配合緊密度不均勻，造成傳動(dòng)時(shí)的沖擊和噪聲，增加兩者間的摩擦損失，降低傳動(dòng)效率。如果出現(xiàn)這樣的問(wèn)題，CVT 運(yùn)行一段時(shí)間就會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)帶磨損加劇，縮短傳動(dòng)系統(tǒng)的壽命。因此為了確保CVT 的正常運(yùn)行和延長(zhǎng)傳動(dòng)系統(tǒng)的壽命，應(yīng)該控制錐面及軸頸外圓跳動(dòng)在合理可接受范圍內(nèi)，這可以提高傳動(dòng)效率，減少噪聲和振動(dòng)，同時(shí)延長(zhǎng)傳動(dòng)系統(tǒng)的壽命。

經(jīng)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)設(shè)備的排查分析，最終確認(rèn)出現(xiàn)軸頸外圓跳動(dòng)和錐面跳動(dòng)超差等問(wèn)題，是由于磨床夾具磨損導(dǎo)致。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)整夾緊力、優(yōu)化夾緊行程和調(diào)整夾具偏移角度等措施，能在一定程度上遏制上述問(wèn)題的出現(xiàn)，但隨著時(shí)間推移，問(wèn)題重復(fù)發(fā)生，嚴(yán)重影響了設(shè)備開動(dòng)率及產(chǎn)品下線合格率。在分類排查機(jī)床夾具時(shí)，發(fā)現(xiàn)加工帶輪軸線的4 臺(tái)磨床夾具（脹套）涂層均有不同程度磨損（圖3）。由于該設(shè)備原裝進(jìn)口的脹套售價(jià)昂貴，且貨期長(zhǎng)達(dá)6 個(gè)月以上，所以?shī)A具一旦磨損，則需頻繁調(diào)整機(jī)床夾持狀態(tài)，耗時(shí)長(zhǎng)，會(huì)造成極大的產(chǎn)能損失，因此找到脹套涂層磨損的根本原因并解決問(wèn)題尤為迫切。

3 夾具磨損原因分析

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)根據(jù)CVT 帶輪軸磨床的使用情況分析，夾具磨損的可能原因有：①頻繁使用導(dǎo)致夾具的表面磨損，特別是與工件接觸部分；②夾具承受著磨削加工時(shí)工件的加工壓力和工件之間的摩擦力，這些力會(huì)導(dǎo)致夾具表面的磨損；③夾具所選用的材料可能存在質(zhì)量問(wèn)題，如硬度不足或表面處理不當(dāng)，這些質(zhì)量問(wèn)題會(huì)使夾具易于磨損，縮短其使用壽命。由于該設(shè)備是在投產(chǎn)使用2 個(gè)月后出現(xiàn)的問(wèn)題，暫時(shí)可排除長(zhǎng)期頻繁使用對(duì)夾具造成的磨損。結(jié)合工件的裝夾過(guò)程以及夾具本身的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，主要從以下2 個(gè)方面對(duì)夾具出現(xiàn)磨損的原因進(jìn)行分析。

3.1 上下料位置偏移

機(jī)床通過(guò)機(jī)械手自動(dòng)上下料，若工件預(yù)支撐塊出現(xiàn)磨損，工件整體位置向下偏移，在尾座頂緊時(shí)工件不能準(zhǔn)確進(jìn)入脹套內(nèi)。工件大頭端螺紋部分首先接觸脹套夾持面（圖4），長(zhǎng)期裝夾會(huì)對(duì)脹套涂層產(chǎn)生一定的磨損。

3.2 夾具設(shè)計(jì)存在缺陷

原裝脹套涂層是膠質(zhì)材料（圖5），厚度約為0.2 mm，有彈性。而工件材料是20CrMoH，硬度基本在60HRC 以上，頂緊過(guò)程中易造成以下影響。

（1）加工前尾座頂尖時(shí)，需要先將工件頂?shù)矫浱變?nèi)再進(jìn)行夾緊。在此過(guò)程中，工件會(huì)與脹套夾持面有一定摩擦，經(jīng)過(guò)多次裝夾摩擦之后，夾持面的膠質(zhì)涂層會(huì)出現(xiàn)局部磨損。

（2）夾持過(guò)程中，由于工件硬度與脹套膠質(zhì)涂層材料硬度的差異，頻繁張夾會(huì)在工件端面與脹套夾持面的接觸點(diǎn)造成局部不均勻擠壓，日積月累形成臺(tái)階。初始對(duì)裝夾影響不大，但到達(dá)臨界點(diǎn)之后，加工開始出現(xiàn)大面積超差現(xiàn)象。

4 夾具使用壽命優(yōu)化驗(yàn)證

根據(jù)上述分析，原脹套磨損的根本原因是脹套涂層材質(zhì)選用上存在缺陷，未充分考慮到夾持工件的硬度及涂層本身耐磨性等問(wèn)題。由于原脹套價(jià)格昂貴（單價(jià)約3.5 萬(wàn)元）、貨期較長(zhǎng)（6 個(gè)月以上），備件無(wú)法及時(shí)回貨以彌補(bǔ)涂層磨損的缺陷，且涂層耐磨性差，因此需要先對(duì)原夾持面磨損的涂層進(jìn)行修復(fù)驗(yàn)證，確保工件夾持無(wú)異常，保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。同時(shí)，嘗試優(yōu)化脹套涂層并進(jìn)行試制驗(yàn)證，以提升夾具壽命、設(shè)備開動(dòng)率及產(chǎn)品下線合格率。

4.1 優(yōu)選耐磨涂層材料，替換原涂層驗(yàn)證

（1）項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將原裝脹套的軟質(zhì)涂層刮去后，嘗試使用環(huán)氧樹脂材料修補(bǔ)磨損面涂層，過(guò)程中發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂材料很難正常附著在原脹套基體上。即使能將環(huán)氧樹脂材料附著在夾持基體上，后續(xù)還是會(huì)出現(xiàn)磨損，使用壽命約2 周。

（2）在磨損點(diǎn)涂TS311 陶瓷涂層，用拋光帶打磨平整夾持面，使用1 周后涂層脫落。

（3）由于夾持面內(nèi)孔尺寸要求較高，需要在修補(bǔ)磨損面時(shí)進(jìn)行進(jìn)一步處理，確保尺寸的同時(shí)保證修補(bǔ)涂層的耐磨性，以及更長(zhǎng)的使用壽命。而鍍鉻修復(fù)技術(shù)作為加法再制造修復(fù)技術(shù)中的一種重要手段，不僅可以修復(fù)再制造產(chǎn)品的尺寸，還可提高其硬度、耐磨性和耐腐蝕性，有效提高使用壽命[5]。且鍍鉻修復(fù)技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，成本低，可外協(xié)加工。于是項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在原裝脹套基體上進(jìn)行鍍鉻處理，連續(xù)跟蹤加工16 周，狀態(tài)良好，但使用過(guò)程中涂層依然會(huì)磨損，調(diào)整不及時(shí)仍會(huì)出現(xiàn)個(gè)別加工超差情況（圖6）。

4.2 自制脹套并采用鍍鉻涂層

由于夾具鍍鉻涂層必須要在原裝脹套基體上，且僅能鍍一次，磨損后重新鍍鉻無(wú)法滿足加工需求，因此項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)嘗試進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化試制驗(yàn)證。由于供應(yīng)商不提供原裝脹套圖紙及尺寸鏈，需進(jìn)行基體尺寸測(cè)繪，并根據(jù)安裝和夾持狀態(tài)確認(rèn)尺寸鏈。同時(shí)，還需要確定加工材料和加工工藝，以及夾持面涂層厚度和最終硬度（圖7），避免涂層脫落和夾傷工件[6]。改進(jìn)型夾具經(jīng)過(guò)多次試制及安裝驗(yàn)證，研制出合格夾具，且使用過(guò)程中帶輪軸磨削加工后錐面及軸頸外圓跳動(dòng)趨勢(shì)穩(wěn)定（圖8）。

該國(guó)產(chǎn)脹套關(guān)鍵部位工藝要求：確保錐面全跳動(dòng)在0.010 mm以內(nèi)，嚴(yán)格控制脹套錐面角度165.0° ±0.5°，否則無(wú)法正常裝入卡盤；夾持面需額外鍍耐磨涂層（鍍鉻），鍍完后做精磨拋光處理，嚴(yán)格要求磨完尺寸誤差在±0.003 mm 內(nèi)；且加工過(guò)程中工件不能打滑，不能劃傷工件表面；加工完后需要開溝槽，溝槽內(nèi)部做填充處理，作為緩沖。脹套整體材料硬度要求HRC60 ～ 62，鍍層硬度要求HRC60 ～ 64，鍍層厚度0.040 ～ 0.050 mm。需要說(shuō)明的是，由于鍍鉻層的厚度大小與硬度有關(guān)。隨著厚度的增加，鉻層硬度先略有增大，當(dāng)鉻層厚度增加到0.046 mm 時(shí)則迅速增大，隨后又緩慢增大[5]。根據(jù)HV 與HRC 的硬度對(duì)照，當(dāng)鉻層厚度在0.040 mm，硬度約為700HV（HRC60）；當(dāng)鉻層厚度為0.050 mm 時(shí)，硬度約為800HV（HRC64）。

國(guó)產(chǎn)脹套自投入使用連續(xù)9 個(gè)月，加工趨勢(shì)穩(wěn)定，夾持面未見明顯磨損痕跡，且使用壽命大幅度提升。而且在工作過(guò)程中，脹套夾緊狀態(tài)穩(wěn)定，不需要頻繁調(diào)整卡盤夾緊狀態(tài)，提高了設(shè)備的開動(dòng)率及產(chǎn)品下線合格率。同時(shí)，采購(gòu)成本縮減為原來(lái)的1/7，緩解備件成本壓力（圖9）。通過(guò)驗(yàn)證，夾具優(yōu)化改進(jìn)后有效解決了磨床夾具磨損過(guò)快、使用壽命低且夾持穩(wěn)定性不好的技術(shù)性問(wèn)題。同時(shí)，優(yōu)化后的脹套遏制了因夾具磨損，導(dǎo)致磨床加工帶輪軸軸頸外圓和錐面跳動(dòng)超差等質(zhì)量缺陷問(wèn)題，提升設(shè)備開動(dòng)率及產(chǎn)線效率（表1）。

5 結(jié)束語(yǔ)

在機(jī)床磨削加工過(guò)程中，隨著加工數(shù)量及時(shí)間的積累，與工件直接接觸的夾具類機(jī)械件磨損是必然的趨勢(shì)。對(duì)于工件輔助支撐件的磨損，及時(shí)更換可減少由于輔助支撐件磨損而帶給夾具的不利影響。本文針對(duì)夾具磨損過(guò)快的問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)脹套夾持面涂層材料，并進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化試制驗(yàn)證，在保證加工質(zhì)量的前提下，很好地提升了磨床夾具的使用壽命，降低了生產(chǎn)制造成本。

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作者簡(jiǎn)介：

梁翠婷，本科，助理工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及設(shè)備管理。

任家峰，本科，助理工程師，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化控制。