轿车变速器输出轴数控搓齿机故障诊断与维修

2013-09-29李绍红

制造技术与机床 2013年4期

关键词：卸荷顶尖轴向

李绍红

（第一汽车集团公司教育培训中心，吉林长春130011）

1 故障现象

轿车变速器输出轴生产线上搓齿机为德国进口设备，近期发现输出轴第5个齿轮的齿面在经搓齿机加工后有刮伤现象，并呈对称分布，在齿顶处有毛刺，因与其啮合的齿轮是尼龙材料的，这样势必造成该尼龙轮的快速磨损，降低使用寿命，从而影响整车的质量。

2 故障分析

（1）设备概述:该设备数控系统是西门子810数控装置，尾架顶尖是由伺服电动机控制的，工件在装夹时是由尾顶尖定位的。搓板的相对运动是靠液压缸带动的，是由同步轮来控制同步运动的。该工序加工5个齿轮，其中第5个齿轮是斜齿轮，齿数为Z=7，其他齿轮都为直齿轮。搓齿属无屑加工，工件被送入正确位置后，上下搓板相对挤压，这时工件没有移动，只有绕自身轴线被动转动。从而实现齿的加工，齿形、齿向靠刀具来保证。

（2）故障分析:为了找出设备加工时产生齿面刮伤现象的故障原因，笔者反复试验，经过分析造成这种现象的原因是该齿轮是斜齿轮，在加工时产生弹性变形，当加工过程即将完成且工件尚未与搓板脱离的瞬间，轴向力消失即工件弹性释放，使工件轴向窜动，从而将工件刮伤。

3 故障检查及排除

（1）工件在装夹时是由尾顶尖定位的，分析产生故障的原因有可能与机床内顶尖的液压锁死机构有关。

在自动加工时，液压缸抱死内顶尖，使它不能窜动，由于在搓直齿时，没有轴向力，工件被送到正确位置后，加工时顶尖的作用是非常小的。这个锁死机构是针对搓斜齿而设计的，因为在搓Z=24及Z=38齿时，顶尖不被锁死，开始笔者判断轴向力的方向是向里的（后来经检验是不对的），怀疑锁死机构没将内顶尖锁住，在加工时由于受到轴向力的作用，将内顶尖顶回，当轴向力消失时，内顶尖必将伸出，将工件向尾架顶尖方向顶出使工件被搓板刮伤。经观察液压图纸得知锁死缸的压力最低为8 MPa，而实际中是4.5 MPa，可能是压力不够造成的。于是又将压力调到8 MPa，可加工工件后发现刮伤现象反而严重。我们结合程序分析，程序中有这一程序段，即在加工斜齿前向前进0.5 mm。既然内顶尖已被锁死，而工件却被顶入0.5 mm，那这0.5 mm是怎么走的呢，后来认为这是为防止工件反弹，而先前预加的载荷，为此我们做了一个试验，证明锁死机构能否锁死顶尖，用自动单步加工方式，在程序执行到向前进0.5 mm时，表上显示0.5 mm，再将电源接上进行工件加工。又做了不取消锁紧的试验，表针几乎不动，而二次试验加工工件几乎一样，说明锁死机构没有问题，同时也证明造成工件表面刮伤的直接原因不是锁紧机构。

（2）对刀具进行检验和分析，搓板分为3个区，即切入区、加工区和卸荷区，如图1所示。切入区倾斜15°的目的是使刀具与工件接触时，刀具承载载荷逐渐加大，降低了刀具的冲击强度，使工件逐渐加工成形，变形很小。加工区即对工件最终加工及修整，与工件齿数相同。卸荷区存在的目的是使工件弹性缓慢恢复，减小冲击。在图纸上，卸荷区的角度没有标注，对其测量的结果是30°，笔者猜想，是否这个角度太小，未能起到卸荷的作用，工件在出口时被刮伤。将卸荷区磨掉一块，重新装上后试验，刮伤反而加重，刮伤面积加大，改善刀具卸荷区角度的办法也放弃了。

（3）搓板导轨间隙大也可能产生上述故障:设想由于加工时，轴向力很大，作用在工件上;反之轴向力消失瞬间，反作用力也消失，使搓板向后方向恢复，将工件刮伤。为验证上述设想，用表打在搓板上，用撬棍撬，最大间隙为0.03 mm，可是对于2 m多长的拖板在导轨上运动，0.03 mm的间隙是不大的，绝不会将工件刮伤，导轨没有问题。

（4）进一步对工件加工过程进行研究，设想搓板相对运动速度过快，又因卸荷区很短，轴向力没有充分卸掉就走过去了，造成工件回弹而被刮伤。为验证此设想，笔者降低搓板运行速度，把力卸掉，加工工件没有变化。检查顶尖时发现，内顶尖有些磨损，是不是因顶尖磨损，摩擦阻力大，使搓板在卸荷区时带不动工件，使工件与搓板不同步，致使搓板末端将齿面刮伤。但是更换顶尖，减小夹紧力还是不行。在观察工件刮伤痕迹时，发现两面刮痕不一样大小。这是上下搓板距离工件高度不同造成的（如图2），距离工件近的搓板，对工件产生的压力大，压痕相应也大，调整搓板高度，将废件车小外径，并磨至φ15.7 mm的光轴，将百分表固定在光轴上，将光轴夹紧送入到加工位置，移动搓板到所测量的位置，将表头打到搓板垫铁上，记下数值。再将光轴翻转180°，测一下搓板，将两个数值比较，发现上搓板比下搓板大0.15 mm（H1＞H2），将上下搓板同时向下降0.075 mm（H1=H2），调好后加工一件，发现工件表面刮伤仍然存在，大小基本一样。

（5）针对轴向力的问题，又做了一个试验加以验证这个力到底有无作用方向。采用自动单步加工方式，当搓完Z=24、Mn=0.793 mm的齿时停止，将表打到顶尖架上向前进0.5 mm改为+5，+10，+15，+20，－5，－10，－15，－20这样一组数，试验数据如表1所示。观察表指针，无论是“+”还是“－”都朝一个方向变化，当斜齿搓完后恢复。根据表指针判断，搓斜齿工件确实受轴向力的作用，当搓板与工件接触上随着搓板的移动，力不断增大，达到一定程度时表指针不连续变化，即轴向力保持，当搓板脱离工件时，指针向反方向转，表明力消失。由于表显示的是位移量直接显示尾架的变化，尾架是伺服电动机控制的，而搓直齿时它根本不动，只有搓斜齿时发生了偏移，最大有0.5 mm，足以说明工件受到向后的轴向力p并作用到顶尖上，将顶尖向后压缩，当力消失时，顶尖势必恢复原位，所以产生偏移。然而用两组数据加工的工件刮伤现象却有着明显的不同，向前（+）进量越大，刮伤越重，向后（－）量越大，刮伤越轻，但也不是无止境的，当达到0.20 mm时，刮伤现象不再变化。

表1 试验数据

根据试验得出的结论，加工斜齿时受轴向力，方向与当初判断方向相反，是向外的，既然是向外的而程序又向前进0.5 mm，而内顶尖被锁死，相当于一个死顶尖，所以向前进0.5 mm是根本实现不了的。事实上最先做的试验也证明尾顶尖是不动的，那么尾顶尖始终进不到位，伺服电动机就一直向前进，所以就会给工件一个力F，再加上轴向力P，这样搓板带动工件转动吃力，又会使搓板和尾顶尖间的工件弹性变形加大，所以刮伤也会严重。从这个角度分析，将程序向前进改为向后退，似乎是合理的。加工出的工件虽有所改善，但从根本上仍没有解决问题。后来从德国传回的程序说明该段程序是后退0.5 mm，更加与笔者的判断吻合，所以将现程序改为向后退0.5 mm。又想到原程序向前进会不会是弥补丝杠间隙，可是打表设定数值却没走到，而屏幕却显示到位了，检查丝杠间隙，符合使用要求，将伺服电动机更换，现象是一样的。说明原电动机没有问题，将以前做的试验数据和结果进行几种比较和分析，应该从解决轴向力方面着手，既然轴向力是无法消除的，那么就想办法改善它。在观察加工工件时，当尾顶尖向后退时，工件势必也向后退，因后退只有0.5 mm所以工件还与尾顶尖的压缩量很大，所以反弹也很大，如果先将工件压上一点后停下来，再执行向后退这个动作，这样工件就不会随尾顶尖同退，于是就将行程开关的行程挡铁后移一点。加工试验调整两次才合适，加工工件刮伤立刻减轻了许多，5件中只有2件有刮伤，另3件一点刮伤也没有，此时清楚了刮伤的真正原因是工件受到轴向力。将尾顶尖向后压缩，而顶尖向前进0.5 mm使工件紧紧地靠近尾顶尖一侧，尾顶尖被压缩量很大，工件在出卸荷区瞬间，齿面被搓板刀齿面划伤，当力消失后顶尖反弹又使工件与搓板最外小齿齿顶相撞，将工件撞出坑来。经过调整行程挡铁的位置和加大后移量，工件在加工时，受到轴向力的作用，逐渐向后尾顶尖靠近，不是直接压缩尾顶尖，当窜动到预定后移量后才作用在尾顶尖上，此时对尾顶尖的作用也很小了。同时，工件与内顶尖也若即若离，当工件脱离搓板瞬间，工件有反弹的空间，也就不会被搓板刮伤，由于尾顶尖反弹很小，也不会使工件被搓板撞伤。在走了一大圈弯路后终将故障查出并排除掉。