无级变速器带轮锥面粗糙度超差问题分析与改进

王锦周、周利仁、颜蕊

（柳州赛克科技发展有限公司，柳州545006）

1 CVT 结构

目前，行业内生产的CVT 大多采用经典结构，使用TC 减速增扭，起步平稳，提高舒适性。CVT 的核心零部件为控制速比的带轮组，通过推力钢带及主从动带轮组，实现无级变速。变速器工作时，通过钢带端面与带轮锥面产生的摩擦力来提供夹紧力（图1），进而传递扭矩。变速时，通过改变钢带相对锥面的径向位置来改变速比[1]，由此可见带轮锥面粗糙度的重要性。若锥面粗糙度过低，钢带可能会打滑，扭矩无法传递；若锥面粗糙度过高，摩擦力增大，带轮及钢带容易磨损，甚至钢带断裂。

2 案例分析

2.1 案例简介

本司于2019年3月16日夜班，共隔离主从动带轮锥面粗糙度超上差21 件。工艺要求Ra 为0.20～0.60 μm，实测最大1.46 μm ；锥面粗糙度超上差表面有明显的黑点，触感明显（图2左）。粗糙度正常带轮表面应光滑且无明显触感（图2右）。

图2 粗糙度超差带轮锥面与正常锥面对比

2019年11月，从动轮锥面砂轮磨削加工过程中，频繁出现锥面粗糙度Ra 下降过快的问题。加工10 件左右，粗糙度超下差，粗糙度为0.19，无法达到60 件一次的修整频次（图3）。

图3 粗糙度超下差带轮

2.2 原因分析

2.2.1 磨削工艺分析

带轮锥面砂轮为陶瓷CBN 砂轮（图4），相对于普通刚玉砂轮，陶瓷CBN 砂轮具有修整效率高、型面一致性好及质量稳定的特点。CBN 砂轮硬度仅次于金刚石，耐磨性好，发热量小，适用于磨削硬质合金、不锈钢、淬硬钢、高温合金及钛合金等难加工材料[2]。锥面砂轮与带轮锥面分别形成了前角和后角（图5），前角主要用于去除工件余量，后角主要起修光作用，以保证表面质量。后角越小，修光效果越好，锥面表面粗糙度越小。

图4 锥面砂轮加工方式

图5 锥面砂轮磨削面

砂轮的硬度是指砂轮表面上磨粒在外力作用下脱落的难易程度。硬度软，表示砂轮的磨粒易脱落；硬度硬，表示磨粒较难脱落。磨削与切削的显著差别是砂轮具有“自锐性”，选择砂轮的硬度，实际上就是选择砂轮的自锐性，希望切削锋利的磨粒不要过早脱落，也不要磨钝时仍不脱落[3]。因此，研究砂轮的磨损过程，对于合理选择磨削条件和砂轮特性是十分重要的。

2.2.2 粗糙度超上差分析

（1）锥面车削余量变小：锥面余量由0.30 mm 降为0.15 mm，磨削表面硬度提升20HV（约为0.7HRC），对砂轮的硬度、耐磨性要求更高。

（2）国产砂轮耐磨性不好：①对比试验进口砂轮，砂轮加工满足要求；②砂轮磨粒保持性不好，CBN 颗粒脱落过快，磨削至50 件左右粗糙度超上差（图6），重新修整砂轮10 个循环才修好，进口砂轮只需5 个循环即可修好（单个循环修整量均为3.00 μm）。

图6 国产锥面砂轮加工锥面粗糙度变化规律

（3）对比修整及加工参数前后无差异，排除参数变化的因素。

（4）检查机床切削液压力无异常，喷嘴无堵塞，排除冷却不充分的因素。

结论：国产砂轮的锥面砂轮耐磨性不好，无法兼容带轮锥面硬度的提升，导致锥面粗糙度超上差。

2.2.3 粗糙度超下差分析

前期为解决粗糙度超上差问题，砂轮硬度有一定提高，之前的修整及磨削参数已经不适用。这是导致锥面粗糙度超下差的主要原因。

2.3 问题解决

锥面粗糙度和砂轮修整后的表面情况有很直接的关系。一般来说，在磨削参数不变的前提下，砂轮与修整滚轮的线速度比越小、走刀速度越小，砂轮表面修整得就越平坦、越钝，加工出来的锥面表面越光滑；砂轮与修整滚轮的线速度比越大、走刀速度越大，砂轮表面修整得就越锋利，锥面表面越粗糙[4]。

2.3.1 粗糙度超上差问题解决

将锥面砂轮不耐磨的问题反馈给国产砂轮供应商，供应商重新制作多种硬度更高、磨粒把持性更好的砂轮来进行测试，最终测试出能满足粗糙度及修整频次要求的砂轮配方。在供应商制作新配方砂轮期间，我司通过制定实施以下短期措施以满足生产需求：①将修整砂轮走刀速度从300 mm/min 调整至200 mm/min；②将砂轮修整速比从0.65 调整至0.55；③将砂轮加工时偏摆角度从-20.2°调整至-20.1°；④临时降低砂轮修整频次至50 件。

2.3.2 粗糙度超下差问题解决

经过多次修整及加工参数验证，最终锁定满足修整频次及工艺要求的修整及加工参数如表1所示。

表1 改善前后修正及加工参数对比表

3 结束语

在带轮锥面的磨削加工中，锥面的表面粗糙度变化不仅和零件表面硬度、砂轮硬度有关，还与排屑、修整参数和加工参数等有关。要控制好锥面的粗糙度，需要根据实际加工及失效模式进行分析，进而做出合适的调整。而且同样的修整参数在不同的机床上效果是有一定区别的，只有根据加工效果合理调整修整参数，才能保证带轮的锥面粗糙度。

通过此次问题的解决，提升了自己解决复杂问题的能力，丰富了关于CBN 砂轮的磨削知识，为公司CVT 的发展贡献出自己的一份力量。