特种车辆新型一体式减速排框架加工技术研究

刘珍妮，周 帅，张晶晶，张建昌，王会龙，王 芳，周佳琦

(1.北京北方车辆集团有限公司，北京 100072；2.山东特种工业集团有限公司，山东 淄博 255201；3.重庆铁马工业集团有限公司，重庆 400050)

1 概述

应用于新型机电复合传动装置的一体式框架类零件，是特种车辆传动装置中的核心零件，该框架零件与行星轮、行星轮轴等零件组装为框架总成，框架行星轮轴孔的位置精度决定了整个行星排的中心距，直接影响各行星轮间的载荷分配以及传动装置的承载能力、振动和噪声等，决定了行星轮转动的平稳性，进而影响整车行动系统的机动性及行驶稳定性。机电复合传动系统采用高转速电动机驱动，行星轮转动的平稳性直接影响行星轮两侧减磨垫以及行星轮轴承的工作热负荷，严重时将导致减磨垫磨损失效，并加速轴承、齿轮的失效进程，因此严格控制行星轮轴孔精度及放置行星轮的槽型工作端面相对于行星轮轴孔中心线的垂直度是保证行星轮转动平稳、减轻减磨垫磨损、提高行星传动系统可靠性的重要手段。

新型机电复合传动装置需同时满足体积小、轻量化、高精度等要求，因此与传统主、副组合式框架相比，新型一体式减速排框架精度要求高，结构更紧凑[1]，对框架的制造工艺也提出了更高要求。框架实物如图1所示。

图1 一体式减速排框架

该框架的几何公差要求如图2所示，设计精度较高，行星轮轴4个轴孔位置度≤φ0.03 mm，平行度≤φ0.02 mm，截面垂直度≤0.015 mm。零件薄壁，结构复杂，刚性弱，在加工过程中极易产生变形，从而导致超差。

图2 一体式减速排框架二维结构图

2 一体式框架工艺设计

2.1 加工工艺分析

框架材料为高强度钢38CrSi，以切削力大、切削温度高为特征，就38CrSi材料而言，实现精密镗削和端面精密铣削并不难，但是框架零件的弱刚性引起加工变形和切削不稳定，使得行星轮轴孔系的加工表面质量和几何公差受到很多耦合因素的影响，造成加工质量和精度的控制难度变大。

从图2中零件结构及加工经验分析可知，“行星轮轴孔位置度超差”是制约新型一体式框架合格率的主要因素，安排合理的加工顺序，选择合理的精加工基准，设计专用镗胎进行孔的半精及精加工，设计磨工心轴提高装夹找正的精度来保证镗孔的定位面精度，也是保证行星轮轴孔精度的关键之一[2-3]。同时零件进行平衡试验时，以精加工基准孔A作为基准进行试验。

该零件材料去除量大，产品加工工序长，行星轮轴孔尺寸精度及几何公差要求高，试制阶段开展精密磨削技术攻关，采用坐标磨方式精加工行星轮轴孔，该方法加工效率低，在批量阶段采用卧式精密坐标镗床或高精度立式加工中心精镗行星轮轴孔、精铣槽工序，提高行星轮轴孔、槽加工效率。

2.2 加工工艺流程设计

该产品最大直径超过200 mm，机械加工毛坯采用锻件加工。设计此产品的工艺路线为：下料→锻造→毛坯热处理→机械加工(粗加工)→中间检验→热处理(调质)→机械加工(半精加工、精加工)→最终检验—动平衡→氧化[4-5]。

定位孔方案对比如图3所示。以图3a所示框架零件最小内孔装夹定位心轴，磨削行星轮轴孔系定位端面，由于内孔的轴向尺寸长度过短，穿心轴后磨削时零件有轻微震颤现象，检测发现磨削后零件端面跳动，垂直度不理想，基准A尺寸未达到j6等级，采用如下措施提高行星轮轴孔加工精度：1)为确保定位精度，将原方案镗孔定位面由车削改为磨削，同时磨削端面的心轴定位孔优化为图3b所示，将孔B加工至与图2孔A相同尺寸，增加定位孔长度，解决定位长度短、工件轻微颤动导致的磨削精度低的问题；2)优化加工顺序，调质后增加半精车工序，减小零件因去除量大引起的变形；3)磨削后增加一道精车工序，将零件小端内孔B加工到图样尺寸。

以提高框架行星轮轴孔位置度、平行度为目标，调质热处理后，优化行星轮轴孔加工工序如图4所示[6-7]。

a) 优化前工序

b) 优化后工序

3 工装夹具设计

1)新型机电复合传动系统框架行星轮轴孔精度高，孔周围的支承梁较壁更薄，刚度更弱，可支承的面积更小，支承与夹紧力的大小、装夹结构布局、装夹残余应力都是影响轴孔精度的重要因素[8-9]。以减速排框架为例，介绍装夹原理，镗孔工装如图5所示。

a) 平面结构图

b) 实物图

框架镗孔工装由支承、定位、压紧3个典型的结构形式组成：a.支承平台的布局一般设置在框梁处，增强支承强度；b.定位装置应与轴孔的定位基准一致，保证无间隙配合，采用弹簧涨套或弹簧涨套与精密钢珠配合定位，涨套的内径是一个关键尺寸，它与框架的外径相配合，涨套内径过大，零件产生易变形、划伤，甚至卡死无法拆装，涨套内径过小，则达不到控制定位精度的目的，是设计难点，应进行计算分析与工艺验证，确定最佳的尺寸；c.框架装夹时压紧与支承对称设计的布局，可以最大限度地抵消弯矩，夹紧力的大小受零件结构、夹具结构、切削力等因素综合影响。

2)磨削后的端面作为精镗行星轮轴孔系基准[10]，设计高精度锥心轴结构，优选热处理硬度为58～65 HRC的材料，保证心轴及零件表面不易划伤，还可以提高心轴使用寿命，具体如图6所示。

图6 心轴

使用高精度心轴以及采用优化后定位孔方案(见图3b)，磨削工序完成后，检测7件产品磨削端面跳动情况，结果均不大于0.01 mm(见表1)，基准A的尺寸精度达到j6等级。

表1 磨削端面跳动检测值

工艺优化前，由于采用车削方法加工端面，精镗行星轮轴孔系时，端面跳动大于0.01 mm，导致行星轮轴孔系中普遍存在1～2个孔位置度超差，数值在φ0.03～φ0.055 mm之间，改用磨削方法加工端面，使用高精度磨工心轴，采用优化后的加工工艺，检测结果见表2。

表2 检测结果

由表1和表2可以看出，通过工序优化及工装夹具设计，提高了框架行星轮轴孔加工定位精度，解决了行星轮轴孔系几何公差超差问题，为其他类似一体式框架的加工提供了参考，使用三坐标测量仪检测框架几何公差，结果表明：框架行星轮轴4个轴孔位置度均<φ0.03 mm，平行度均<φ0.02 mm，达到了设计要求。

4 结语

本文针对新型一体式框架整体结构复杂、加工材料去除量大、零件加工工序长、装夹及加工基准多次转换、弱刚性结构导致热处理和切削过程中极易产生变形等特点，分析了影响加工精度的主要因素，针对零件结构特点，结合加工试验，设计了新型镗孔夹具及磨工心轴，优化了行星轮轴孔加工工序，从优化工艺过程出发，增加了半精车工序，调整了磨削定位孔的加工方式及顺序，保证了磨外圆及端面工序的磨削精度，提高了后续行星轮轴孔系的精镗基准精度，最大限度减小了残余应力的产生，并将加工过程中的改进措施纳入制造工艺中，保证了一体式框架在生产中的精度和效率。