差速器壳以车代磨工艺改进

肖亚萍，刘 涛，张建龙，袁文超，张 旷

差速器壳以车代磨工艺改进

肖亚萍，刘 涛，张建龙，袁文超，张 旷

（陕西汉德车桥有限公司，陕西 宝鸡 722408）

随着经济和制造技术的高速发展，现代数控加工技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术。文章将差速器壳轴承安装外圆加工方案由传统磨削更改为数控车削加工，通过对数控机床装夹定位精度，对刀具切学性能、工艺加工切削参数等过程影响要素进行选择和优化改进，最后以数字化程序自动进行加工，消除了操作者人为产生的误差，提升了产品加工形状和尺寸精度，质量更加稳定可靠。同时将磨削工序加工内容合并至车削工序后，资源利用率提高，产品制造周期缩短。由于过程工艺链缩短和设备数量的减少，车间占地面积、维护费用、线体人员配置也随之减少，从而降低了生产成本，带来高的经济效益。

差速器壳；数控车床；磨床；同轴度；工艺改进

差速器是汽车底盘动力传递的重要部件之一，其组成主要有行星齿轮、半轴齿轮、差速器壳、十字轴等零件，其作用就是满足汽车转弯时两侧车轮转速不同的要求，使汽车能够顺利过弯。在整个动力传递过程中，差速器壳起着支撑、连接、传递扭矩的作用。本文通过对差速器壳轴承安装外圆采用磨床加工和数控车床加工工艺的对比，分析影响加工质量的因素，从而制定出合理的加工工艺，制造出高精度、低成本的产品。

1 现状描述

我公司生产的某系列差速器壳工艺流程：OP10车大端（数车）—OP20车小端（数车）—OP30滚花键（滚齿机）—OP40磨削（磨床）—OP50钻孔（组合机）—OP60倒角（立钻）—OP70攻丝（摇臂钻）—OP80铣键槽（铣床）。

由上述工艺流程可以看出，该产品过程工艺链比较长，且大多采用普通设备加工。其中磨削工序主要加工差速器壳轴承安装外圆，采用MB1632普通外圆磨床加工，设备如图1所示，磨削过程中存在以下问题：

图1 端面外圆磨床

（1）与其他切削过程相比，磨削的比切削能量大、速度高，能量消耗也更高。这些能量绝大部分转化为热能，其中约有80%传入工件[1]。当局部温度很高时，加工表面就会出现种种热损伤及热变形，影响加工表面质量与加工精度。如我公司生产的某差速器壳，其端面在磨削后放置5～8 s时出现裂纹，经分析为砂轮磨粒钝化后，磨削高温不能很快导出，致使产生磨削裂纹。故在后续生产中，砂轮修磨频次由原来1/10更改为1/6，砂轮修整频次提高，不但导致生产效率较之前降低，同时因砂轮频繁修整，消耗加快，导致生产成本增加。

（2）普通磨床加工极易受人为因素（如情绪波动、体力强弱、技术水平高低等）干扰，操作者的技能直接影响加工效率和产品的加工精度[1]。如图2所示，为保证差速器壳轴承安装外圆根部圆弧R3.5，操作者需手动修整砂轮圆角，过程不但危险且修整的圆弧形状不规则，其次磨床向无刻度盘，轴向尺寸的控制主要依靠操作者对磨削火花的经验判定，导致尺寸稳定性差。经统计，2020年磨床岗位因人为原因造成的不良品共计18件，废品损失金额2 041元。

（3）磨削过程中产生的粉尘、有害气体及废弃物会对职业健康及环境造成危害。随着经济和制造技术的高速发展，制造业呈现出一些新的特征：产品绿色化，所提供的产品必须在全生命周期内资源消耗低，无污染或少污染[1]，而磨削加工是微量切削，产生的金属磨屑、脱落的磨料及黏合剂等形成的微细粒粉尘极易被人吸收而影响身体健康。为了减少环境污染，公司对磨削产生的砂轮灰、废旧砂轮、油泥需进行危废处理，费用每吨约2 400元（价格随国家环保调控），致使生产成本增加。

综合以上原因，并结合公司目前生产模式由传统人工操作向自动化、柔性化、集成化的转型趋势，我公司对差速器壳轴承安装外圆加工方案进行改进，由磨削加工更改为车削加工，通过数控机床自动控制，装夹的高精度，保证产品加工的一致性及稳定性，同时提高生产效率，降低操作者劳动强度。

2 产品工艺性分析

1.材料分析

该产品设计材料为40Cr-GB/T 3077，调质硬度洛氏硬度（23～28）；具有良好的综合力学性能、良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性[2]，切削加工性能较好，车削加工亦可得到良好的表面加工质量。但因40Cr材质具有优良的韧性，切削余量过小时不易断屑，需考虑车削时铁屑是否缠刀或划伤产品外圆。

2.尺寸公差分析

如图2所示，差速器壳轴承安装外圆尺寸80+ 0.039+0.020 mm，公差0.019 mm，表面粗糙度要求Ra1.6 μm，尺寸精度和表面质量要求较高，故工艺方案需确定合理的加工余量、切削参数等，从而保证连续加工过程中的产品尺寸及表面质量稳定。

图2 差速器壳简图

3.形位公差分析

差速器壳属于回转体，根据图样要求，轴承安装外圆及端面相对基准A同轴度要求0.06 mm，端面跳动0.04 mm，如何保证产品形位误差要求，需综合考虑设备及装夹精度，从而制定合理的工艺方案。

3 解决方案

1.设备选型

数控机床具有高的定位精度和重复定位精度，而普通精度的数控机床其定位精度可达0.01 mm，重复定位精度可达0.006 mm[3]。为提高资源利用率，综合考虑已有设备，选择OP20车小端工序数控车床CK7525加工，如图3所示设备，将差速器壳磨削工序加工内容合并至OP20车小端工序。通过对设备精度进行检测，其中向反向间隙0.005 mm，重复定位精度0.005 mm，定位精度0.01 mm；向反向间隙0.008 mm，重复定位精度0.006 mm，定位精度0.01 mm；满足加工要求。

图3 数控车床CK7525

2.夹具选型

为保证加工过程的一致性和稳定性，如图4所示，选用SMW公司的后拉式液压三爪卡盘，重复定位精度可达到0.005 mm以内，三爪经过热处理保证一定的硬度后可减少过程中因磨损造成的精度失准。同时三爪夹持部位设计为锯齿形，增加设备高速运转过程中工件与三爪之间的摩擦力，防止工件移动或甩出。

图4 后拉式液压三爪卡盘

3.刀具选型

刀具选择不仅影响机床的加工效率，而且直接影响零件的加工质量，根据产品尺寸精度及表面质量要求，要求所选择刀具必须具备精度高、寿命长且尺寸稳定的特点[4]。通过对不同供方、材质及槽型的刀片进行加工验证，我公司选择肯纳带修光刃的金属陶瓷刀片CNMG120408FW KT315加工，如图5所示，该类型具备低速到高速的切削加工，耐磨性好，加工表面质量较高。经现场验证，切削过程中产品尺寸精度变差±0.002 mm，产品加工表面质量符合工艺要求。该刀片共4个刀尖，每刀尖加工产品270件，刀片加工寿命1 080件/片，单件成本消耗 0.06元。通过与磨削加工成本对比，磨削砂轮单件成本消耗0.11元，采用车削加工后，加工成本较磨削下降45.5%。

4.切削参数

因所选刀片为修光刃的金属陶瓷刀片，抗冲击性能较差，适合小切削余量的加工。故精车外圆单边余量选择0.2～0.3 mm之间，端面精加工余量0.1～0.2 mm之间；为获得较高的表面粗糙度，采用高转速低进给的方法来满足工艺要求。通过对刀具强度和设备性能综合验证，如表1所示，当主轴转速为900 r/min，单边切深为0.2 mm、进给量为F0.1 mm/r时，产品表面粗糙度可达到Ra0.388 μm，满足产品表面质量要求。

表1 切削参数验证结果

主轴转速/(r/mim)进给/(mm/r)单边切深/mm粗糙度/μm 123 900F0.10.Ra0.388Ra0.477Ra0.452 0.3Ra0.498Ra0.545Ra0.620 F0.130.2Ra0.658Ra0.754Ra0.713 0.3Ra0.669Ra0.721Ra0.753 F0.150.2Ra0.727Ra0.734Ra0.797 0.Ra0.779Ra0.816Ra0.783

4 效果验证

（1）同轴度0.06 mm及端面跳动0.04 mm：使用同轴度检测量具连续抽取30件，对差速器壳轴承安装外圆同轴度端面跳动进行检测，检测结果如表2所示，同轴度范围在0.020～0.040 mm之间，其中83%的产品同轴度可达到0.030 mm以内；端面跳动检测值在0.010～0.020 mm之间，检测结果100%均符合工艺要求。

表2 同轴度及端面跳动测量结果 单位：mm

序号测量结果序号测量结果序号测量结果 同轴度端面跳动同轴度端面跳动同轴度端面跳动 10.0300.010110.0300.010210.0300.010 20.0300.010120.0400.020220.0400.015 30.0200.010130.0300.015230.0200.010 40.0300.015140.0400.020240.0300.020 50.0200.010150.0300.015250.0300.015 60.0200.010160.0400.015260.0300.010 70.0200.010170.0300.010270.0300.010 80.0300.015180.0300.010280.0200.010 90.0200.010190.0300.010290.0300.010 100.0300.010200.0300.010300.0400.015

表3 外圆表面粗糙度Ra测量结果 单位：μm

序号测量结果序号测量结果序号测量结果 10.468110.482210.822 20.479120.470220.853 30.660130.518230.805 40.455140.520240.921 50.389150.457250.876 60.405160.476260.872 70.481170.413270.754 80.437180.443280.568 90.522190.672290.640 100.517200.789300.590

（2）粗糙度Ra1.6 μm：采用粗糙度测量仪对外圆表面粗糙度进行检测，检测结果如表3所示，车削后的差速器壳轴承安装外圆表面粗糙度满足质量要求。为验证刀具磨损对表面粗糙度的影响，现场连续对210件产品进行数据检测统计，其中65%的产品表面粗糙度可达到Ra0.8 μm以内，35%的产品表面粗糙度在Ra0.8～Ra1.6 μm之间。故车削较磨削可得到优良的加工表面质量。

（3）尺寸精度：加工过程中，数控车床按输入的程序自动完成产品外圆、圆弧及端面的加工，检测结果如表4所示，首件外圆尺寸调整至中差后，连续切削中尺寸变差±0.005 mm，每加工60件需对刀补进行精度补偿。轴向尺寸经首件调试合格后，过程中变差较小，可在对外圆尺寸精度补偿时进行适当调整。外圆根部圆弧通过数控程序控制切削轨迹，圆弧外观规则，圆滑过渡。故数控加工过程中人为干扰因素减少，使产品质量的一致性明显提高，质量更加稳定可靠。

表4 尺寸测量结果 单位：mm

序号测量结果序号测量结果 Φ80+0.039+0.02080.0-0.1R3.5Φ80+0.039+0.02080.0-0.1R3.5 1Φ80.03079.96R3.516Φ80.03179.94R3.5 2Φ80.03079.96R3.517Φ80.02879.96R3.5 3Φ80.02879.94R3.518Φ80.02879.96R3.5 4Φ80.03079.96R3.519Φ80.02879.96R3.5 5Φ80.02879.98R3.520Φ80.03179.98R3.5 6Φ80.02879.96R3.521Φ80.02979.96R3.5 7Φ80.03179.96R3.522Φ80.03379.96R3.5 8Φ80.02879.96R3.523Φ80.03179.96R3.5 9Φ80.02879.94R3.524Φ80.03079.94R3.5 10Φ80.02579.96R3.525Φ80.02879.96R3.5 11Φ80.02979.96R3.526Φ80.02879.96R3.5 12Φ80.03179.96R3.527Φ80.03379.98R3.5 13Φ80.03379.96R3.528Φ80.03479.94R3.5 14Φ80.03379.98R3.529Φ80.03179.96R3.5 15Φ80.02779.98R3.530Φ80.03579.96R3.5

（4）初始过程能力：为了确认过程的稳定性，对外圆尺寸80+0.039+0.020 mm连续检测收集25组共125个数据，采用均值-极差图（图6、图7）对其初始过程能力进行分析研究计算，具体过程如下。

依据式（1）计算标准偏差：

表5 d2常数表

子组容量n2345678910 d21.131.692.062.332.532.702.852.973.08

过程能力按双向容差计算，过程如下：

单边上限短期能力指数为

(0.039-0.030)/(3×0.00214)=1.402 （2）

单边下限短期能力指数为

(3×0.00214)=1.558 （3）

过程能力指数为

Cpk=min{ Cpku;Cpkl }=1.402 （4）

图6 均值图

图7 极差图

根据统计过程控制手册判定标准，当1.33≤ Cpk≤1.67，说明过程能力正常[5]。本文差速器壳轴承外圆尺寸为80+0.039+0.020 mm，过程能力指数Cpk=1.402＞1.33，过程指数符合要求。

5 结语

与普通磨床相比，数控车床产品加工质量稳定、效率高，人为干扰少，工艺的兼容性强，经济效益高。本文差速器壳轴承安装外圆采用以车代磨工艺方案后，首先不良品数量大幅降低，经统计，因差速器壳轴承外圆、轴向尺寸超差造成不良品数量较2020年下降78%。其次，工序合并后，原磨床岗位配置减少，节省了人员成本；最后，磨床工序取消后，砂轮灰、废旧砂轮、油泥及废旧冷却等环境污染源减少，环保处置费用也得到了节约，为公司创造了经济效益。

[1] 杨叔子.机械加工工艺师手册[M].北京:机械工业出版社,2010.

[2] 朱张校.工程材料[M].北京:清华大学出版社,2010.

[3] 毕承恩,丁乃建.现代数控机床（上、下册）[M].北京:机械工业出版社,1991.

[4] 吴岳琨.金属切削原理与刀具[M].北京:机械工业出版社,1990.

[5] 戴姆勒克莱斯勒.统计过程控制参考手册[Z].福特和通用汽车公司,2010.

[6] 胡照.以车代磨工艺在薄壁圆环零件加工中的应用探索[J].科技创新与应用,2018(5):145-146.

Process Improvement of Replacing Grinding with Turning for Differential Shell

XIAO Yaping, LIU Tao, ZHANG Jianlong, YUAN Wenchao, ZHANG Kuang

( Shannxi Hande Axle Company Limited, Baoji 722408, China )

With the rapid development of economy and manufacturing technologies, modern CNC machining has become the basic technology for manufacturing industry to realize automation, flexibility and integrated production. In this paper, the machining scheme of the installation outer circle of the differential housing bearing was changed from traditional grinding to CNC turning. Through the selection and optimization of the process influencing factors such as the clamping and positioning accuracy of the CNC machining tool, the cutting performance of the tool, process and cutting parameters, the machining was carried out automatically with the digital program to eliminate the man-made errors of the operator. The processing shape and dimensional accuracy of the product were improved, and the quality was more stable and reliable. Meanwhile, after the grinding process was combined with the turning process, the resource utilization was improved and the product manufacturing cycle was shortened. Due to the shortening of the process chain and the reduction of the number of equipment, the floor area of the workshop, maintenance cost and line personnel allocation were also decreased, which could reduce the production cost and bring high economic benefits.

Differential shell; CNC lathe; Grinding machine;Coaxiality;Process improvement

U463.2

B

1671-7988(2022)21-157-06

U463.2

B

1671-7988(2022)21-157-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.029

肖亚萍（1983—），女，助理工程师，研究方向为制造工艺与装备，E-mail:276170418@qq.com。