太阳轮总成面轮廓度工艺的探讨

2020-08-12朱海明

机械制造与自动化 2020年4期

关键词：花键压头公差

朱海明

(上海汽车变速器有限公司，上海 201807)

1 太阳轮总成面轮廓度

文中所述太阳轮总成，为某9速自动变速器核心零部件，如图1、图2所示。0.32mm是轮毂花键面到C基准面的理想距离，要求面轮廓度<0.25mm。

图1 太阳轮总成尺寸图

图2 轮毂

1.1 面轮廓度概念

根据我国GB/T标准，面轮廓度即公差带是包络一系列直径为公差值t的球的两包络面之间的区域，诸球的球心必须位于具有理论正确几何形状的面上，面轮廓公差带对称于理想轮廓面[1]，如图3(a)所示。美国GM-04标准，用符号表示公差带不对称于理想轮廓的分布，后为要素体外的尺寸[2]，见图3(b)、图3(c)。

图3 面轮廓度

对于本文太阳轮总成面轮廓度要求，主要是约束花键面的范围，可理解为花键面必须在距离C基准面(0.32±0.125)mm高度范围内。

1.2 太阳轮总成工艺过程

太阳轮总成工艺过程为压入齿轮—激光焊接—压入衬套—硬车C基准面、外圈及内孔—硬车另一面。其中压、焊和硬车第一面加工基准均为齿轮端面A。

激光焊接是“法孚”进口设备，分两个工位，压配完成后，机械手自动抓取至焊接工位焊接，激光器是罗芬CO2激光器。图4是压配工位示意图，采用中间定位压配方式。

图4 太阳轮总成压配工装

硬车第一面设备为村田车床，节圆夹具。硬车加工会产生一定的切削应力[3]，使轮毂花键面高度增减，影响面轮廊度。图5为两道硬车示意图。

图5 硬车示意图

2 运用尺寸链分析工艺过程关键尺寸

2.1 尺寸链概念

尺寸链是在装配或零件加工过程中，由相互连接的尺寸形成封闭的尺寸组。列入尺寸链中的每一个尺寸称为环，尺寸链中在装配或加工过程最后形成的一环即为封闭环[4]。组成环的任何一个尺寸变动，必然引起封闭环的变动。计算时，L表示基本尺寸，T表示公差，TL为极限公差，Ts为统计公差。

2.2 面轮廓度尺寸链

从以上工艺过程可知，面轮廓度是通过尺寸链保证的，为间接尺寸。图6为尺寸链示意图，由5个环组成，其中L1是硬车C基准高度，L2是齿轮高度，L3是轮毂硬车压配面到花键面距离，L4是压配高度，L5是硬车变形量，其包含平行、垂直等几何公差。由于具有几何公差的拟合要素的变化范围是在几何公差的范围之内，所以，作为尺寸链的一环，它可看作基本尺寸为0(或趋近于0)的一个尺寸链的环[5]，即L5=0。

分析5个组成环，L1、L2、L4公差可控，尺寸稳定。L3和L5变动量较大。

图6 尺寸链1

2.3 通过尺寸链校核L3、L5公差带

下面通过尺寸链，简单校核L3、L5允许的公差范围。封闭环的基本尺寸等于所有增环基本尺寸之和减去所有减环基本尺寸之和[6]，即：L0=L2+L3+L4+L5-L1，其中封闭环L0=0.32，各组成环中，L1=25.85，L2=22，L3=4.17，L4=0，L5=0。

一般工艺尺寸链采用极值公差公式计算，封闭环公差T0=0.25，而T1=0.06，T2=0.04，T4=0.08，ξ2=ξ3=ξ4=ξ5=1,ξ1=-1。可知：

0.04+T3+0.08+T5=T0=0.25

可得出T3+T5=0.07。

实际生产过程中，L3和L5变差总量在0.4左右，从而引起轮廓度超差。

3 工艺改进措施

3.1 改进优化压配工装

1) 确定优化压配工装方案

深入分析Fives压配工位工作原理，可将上压头由整体式中间压配分为两部分：中间压配，外圈定位面，如图7所示。定位压头直接定位在花键面，高度可以直接控制，在计算尺寸链时，可以减少环L2、L3、L4。

图7 改进后工装图

在设计外圈定位压头工装时，采用三点定位，这样最接近花键面实际中心面。另外，三点定位面做了较大的倒角，避免压到细屑或毛刺，影响定位。中间压头沿用原来结构，安装固定在中间副滑台上，压头工装见图8、图9。

图8 外圈定位工装

图9 中间压配工装1

2) 优化后压配过程

图10是压配工位上半部分结构。主要特点是压配滑台由主滑台和副滑台组成，当两个滑台达到要求高度差时，由气压驱动的制动装置会启动，使两个滑台位置锁定，成为一个整体下压。这样，内、外压头分别安装于两个滑台上，可以实现中间压配、外圈定位方案。

图10 压机上部结构

图11为压机下半部分结构。最上面是轮毂粗定心装置；下面是放置轮毂的平衡台，有弹簧支撑，可以下降，使轮毂压入齿轮；弹簧下面是位置探测器，可使气压锁紧装置启动。齿轮放置在定心座上，其中间孔与上压头定心轴配合，可以精确定心。中间是光栅尺，可以精确控制下压高度。

图11 压机下部结构

以上结构可使内、外两个压头高度差浮动，大大增加轮毂尺寸容错能力。

3) 进一步优化工装

增加外圈定位后，几次试验不稳定。经分析，压头内圈有三等分凸台结构，是防止齿轮混料的防错装置。在压配时，由于孔径有过盈量，压配面会产生微小切边拉丝，下压时，凸台会被压到。由于受力不均，使轮毂产生倾斜，或者压不到位，影响高度。经讨论，在中间压头增加一个容屑槽，如图12所示，既避免了切边的影响，又保留原来功能。齿轮定心座避免压到毛刺翻边，也做了优化，如图13所示。

图12 中间压配工装2

图13 齿轮定心座

优化后经验证，焊接后高度变动量从原来的0.4mm稳定在0.19mm左右。经批量生产验证，高度稳定性有明显提高。

3.2 摸索硬车变形量规律并补偿

对于硬车变形量，通过寻找变形规律，并在压焊工序中补偿这些变形量，从而达到面轮廓度的控制要求。应力变形与加工方式有很大关系，选取合适的切削参数可以降低硬车时的切削应力[3]。

经多次跟踪试验，每批次50～100件左右，确定硬车后26.17的平均变形量Δh波动范围，见表1。综合数据，平均变动量在-0.021 5mm～0.055 5mm，即(0.017±0.038 5)mm。可见，焊接后尺寸需要补偿这些变形量，中间值要控制在26.153mm。

表1 硬车变形量单位：mm

3.3 优化后尺寸链分析

上压头工装更改后，可使L2、L3和L4合并为一个环，可记为L234，L234=26.153；L5为硬车变形量，即L5=0.017；T5=0.077；T0、T1不变，如图14所示。尺寸链可表示为：

L0=L234+L5-L1

T0=0.25

T234=0.113

图14 尺寸链2

两种结果对比，后一种公差宽裕了很多，但从几次试验得出T234为0.19来说仍然不够。

如果采用统计公差公式计算，大批量生产条件下，在稳定工艺过程中，工件尺寸趋近正态分布，相对分布系数k=1，而平行、垂直误差趋近偏态分布，取k=1.17[4]。对于本例，有k0=1，压焊高度和硬车变形与形状误差有关，可取k234=k5=1.17，T0=0.25，T1=0.06；硬车变形量由于变动量较大，可取T5=0.08，T234=0.19，则有:

极值法公差公式计算，得到各组成环公差最小，可保证产品100%互换。用统计公差公式计算，各组成环按正态分布，同样封闭环也符合正态分布。由概率论理论可知，合格产品实际尺寸处于[USL，LSL]的尺寸区间内，且在正态分布中，实际尺寸落在[μ-3σ，μ+3σ]区间的概率为99.73%[6]。按以上结果，仍会有大约0.27%的产品超出要求。

综上所述，面轮廓度0.25公差分配到焊接、硬车变形量等不确定变量上，大批量生产时很难达到100%合格，需要在各个环节严格控制，实现精细化生产，目前合格率在99.8%左右；另一方面，从装配使用方面分析，面轮廓度设计要求可适当放宽至0.35左右，这样可有效降低成本，利于大批量生产。