汽车半轴加工工艺分析与方案.docx
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汽车半轴加工工艺分析与方案
汽车半轴加工工艺分析与设计
中文摘要
英文摘要
1.前言
1.1国外汽车半轴的加工工艺
1.2国内后桥半轴先进的机械加工工艺技术
2.材料的选择
3.汽车半轴加工工艺流程及主要加工工序
3.1剪料
3.2摔杆
3.3摆帽
3.4喷丸
3.5杆部校直
3.6钻小端中心孔A3/7.5
3.7粗车大外圆
3.8粗车小端
3.9车大孔
3.10钻中心孔B4/12.5
3.11粗车大端、精车大端
3.12精车小端
3.13冷滚轧花键
3.13.1冷滚轧花键的优点
3.13.2冷滚轧花键的加工方法
3.13.3冷滚轧花键的工艺要求
3.13.4典型的冷滚轧机技术参数
3.13.5冷滚轧花键加工实例
3.14半轴的热处理
3.14.1热处理的具体工序
3.15磁力探伤检验
4.夹具设计
4.1原夹具存在的问题
4.2可微调新型夹具
摘要
汽车自19世纪末诞生至今100余年期间,汽车工业从无到有,以惊人的速度发展,写下了人类近代文明的重要篇章。
汽车是数量最多、最普及、活动范围最广泛、运输量最大的现代化交通工具。
没有哪种机械产品像汽车这样对社会产生如此广泛而深远的影响。
半轴是汽车传动系统的一个重要组成部分，半轴是用来将差速器半轴齿轮输出的动力传给驱动轮或轮边减速器，对于采用非独立式悬架的驱动桥，根据其半轴内端与外端的受力状况，一般又分为全浮式半轴、四分之三浮式半轴与半浮式半轴三种。
半轴内端以花键连接着半轴齿轮，半轴齿轮在工作时只将扭矩传给半轴，几个行星齿轮对半轴齿轮施加的径向力是互相平衡的，因而并不传给半轴内端。
主减速器从动齿轮所受径向力则由差速器壳的两轴承直接传给主减速器壳。
因而，半轴内端只受扭矩而不受弯曲力矩。
半轴是汽车的轴类零件中承受扭矩最大的零件，为了满足半轴的强度要求．多年来，世界备国除了用各种各样的计算方法外，还在材料选择、毛坯成型、机械加工和热处理等方面进行着不懈的努力。
本文主要是对半轴在锻造车间、机加车间、热处理车间的各步工艺进行分析和改进以及半轴的热处理和半轴齿轮的夹具改进。
半轴齿轮广泛用于汽车、拖拉机等一切行走机械的差速器中，应用面广。
需求量大。
半轴已普遍采用精密模锻工艺生产。
其工艺流程是：
下料——加热——粗锻——切飞边——精锻——切飞边——表面清理——钻孔、车大端面——车孔、齐端面——拉花键——热处理——磨大端面和内孔。
感应加热表面淬火亦称感应淬火，由于它的加热速度和冷却速度都很快，使零件的表面至心部有着巨大的温度梯度，而且淬火后零件由表及里存在着激烈的组织变化，这些特点决定它有着特殊的残余应力形态。
一般说，轴类零件感应淬火后，表面层存在残余压应力，次表层和淬火区域边缘存在残余拉应力。
残余应力的合理分布，能够大大提高零件强度，特别是疲劳强度。
载货车半轴的合理用料，合理选择淬火层的深度及其分布，将大大提高半轴的使用寿命。
在车孔、齐端面工序中，由于夹具调整不便，更换供状时工件找正极其困难，耗工费时，齿轮装夹定位精度低，生产效率低。
为此，我根据所学知识,再通过一些先进资料研究了半轴齿轮车孔齐端面的可微调夹具，解决了原夹具存在的问题。
关键词:
半轴；热处理；夹具设计；花键设计
Abstract
Thecarbearstheuntilnowfromtheendof19centuries100periodinremainingyearsoflife，CarindustryfromhavenotohaveDevelopingwiththeastonishingspeed,Wrotedownthecivilizedandimportantliterarypiecein
humanmodernage.Thecarisaquantityatmost,universal,themovablescopeisthemostextensiveandtransportbiggestand
modernpileupindeal.Havenowhichkindofmachinesproductresemblethecarislikethistothesocialcreationlikethis
extensivebutprofoundinfluence.Thehalfstalkisanimportancethatcarspreadtomovethesystemtoconstitutethepart，tobeusedtowilldiffersoonthemachinehalfstalkwheelgearoutput'smotivepasstodriveroundorasidesdeceleratethe
machine,Carryaccordingtothehalfstalkinsidewithcarryoutsideofsufferthedintcondition,generallydividedintoWhole
floattypehalfstalk、threequarterfloattypehalfstalk、Halffloattypehalfstalk.
1.前言
1.1国外汽车半轴的加工工艺
1.1.1美国克莱斯勒公司万伦脱小客车半轴制造工艺SAE1039（相当于40Mn>
棒料切断——法兰热轧成型——正火——喷砂——清洗——表面磷化——水平挤压成型（三段，用175t压力机>——法兰和轴承部分切削加工——轴端花键滚轧加工——感应加热淬火、回火——磨削安装轴承颈——法兰部分加工。
1.1.2日本五十铃公司中型载重汽车半轴锻造工艺SCM4（相当于42CrMo>
棒料切断——法兰、花键部分热轧成型（感应加热、镦锻机>——正火——淬火、回火——喷砂——打中心孔——校直——法兰和花键部分切削加工——感应加热淬火、回火——校直——磁力探伤——法兰部分加工。
1.2国内后桥半轴先进的机械加工工艺技术
校直（单柱校直液压机Y41—10Bl0t>——铣端面打中心孔（铣端面打中心孔机床z82lO>——车削杆部（液压半自动仿型车床CE7112∮125×71O>——磁力探伤（磁力探伤机CEW一2000>——校直（单柱校直液压机Y41—10B10t>——车削法兰端（普通车床C616∮320×750>——铣削花键（半自动花键轴铣床YB6212∮125×900>——校直（单柱校直液压机Y41—10B1Ot>——磨削安装轴承颈（高精度半自动万能外圆磨床MGB1420A∮200×1000>——法兰端部孔加工（立式钻床Z5125A∮25>——铣削螺纹（半自动螺纹铣床SB6110A∮100×80>——磁力探伤（磁力探伤机CEW一2O00>——清洗（通用通过式三箱清洗机SQX一400II>。
2.材料的选择
2.1材料牌号:
40cr-gb3077-88这种材料主要用于汽车半轴锻造件的加工与制造，汽车半轴载荷较大,有时会受到较大的冲击,这种材料比较适合作为半轴的材料。
3.主要加工工序
3.1在G72-3锯床上剪料；
3.2用560KG空气锤摔杆；
3.3用DW99-160摆碾机摆帽；
3.4用QBD30强化喷丸机进行喷丸处理；
3.5用YH240-25校直机进行毛坯杆部校直，保证垂直度。
一般情况下，在整个半轴生产过程中需校直两次．一次是毛坯校直，另一次是热处理后校直。
这两次校直的作用、原理是一样的，都是保证汽车半轴的垂直度，热处理后的校直要保证跳动不大于0.08，0.2和0.4。
美国通用汽车公司旁蒂克部毛坯校直的方法是：
用两个固定校直滚子装置支承半轴，由一个传动连接装置与半轴法兰端上的两个突出部位相吻合，并带动半轴旋转，尾座顶尖顶住半轴的杆部，校直机上的压头下落，半轴在滚子和压头的作用下校直。
压头是固定工作的，生产率为195件／h，是以前手工校直生产率的4倍。
英国福特汽车公司热处理后校直是在8t密尔斯（Mills>液压机上进行的。
半轴支承在夹具两端，夹具能够很容易地从一端移到另一端，这样压头就能在花键端与法兰端之间的任何高出部位加载。
在校直过程中，用两个千分表进行测量，其中一个表垂直安装，测轴的摆动；另一个表水平安装，测法兰摆动。
近年来，已研制生产出带有自动装置的半轴校直装置。
但是，值得一提的是，迄今为止，尚无人认为自动校直比人工控制的校直效果更好。
3.6在Z525J钻床钻小端中心孔A3/7.5；
3.7在CA6140车床粗车大外圆；
3.8在CK7150车床粗车小端；
有的生产厂家采用六角转塔车床进行粗车和精车加工，但大多数生产厂家则采用仿型车床进行粗车和精车加工。
美国雪佛莱汽车部，采用六角转塔车床铣端面打中心孔并完成全部粗精车工序。
转塔可自动分度（转位>，当转塔上6把刀全部用过后，指标灯亮，机床停车，操作者换上预先调整好刀具的整个转塔后，车床又开始加工。
前苏联在陶里亚蒂城生产意大利菲亚特124型轿车半轴自动线，由2台锯床（杆部端头切断>、2台平端面打中心孔机床（杆部两端外圆、法兰肩面定位夹紧>、3台KDM9／80型仿型车床（中心孔定位，法兰内部撑紧，车削法兰端>和4台KDM9／80型仿型车床（中心孔定位，法兰外圆夹紧，车削杆部>共l1台机床组成。
在仿型车床上用两个靠模滑座分别对大小头进行仿型车削。
精车后对花键端和法兰端外圆进行自动测量。
负荷在70％时．生产率为180件／h。
3.9在CA6140车床车大孔；
对于不同长度和直径的半轴，平端面是提高半轴生产线生产率的一个关键工序。
采用切入法铣端面的优点是：
可适应半轴长度的变化，其缺点是：
生产率低，且刀具一旦磨钝后，端面会产生硬化现象，不利于下一道打中心孔工序。
若采用贯通法铣削，同时采用特殊形式的机夹铣刀（该铣刀每个刀片有8个刀刃>，比用每个刀片仅有4个刀刃（且用楔式夹紧>的机夹铣刀不仅提高寿命15倍，而且也提高了效率。
为了保证打中心孔后孔面光洁且无毛刺，已发展了对钻后的两端中心孔进行挤压的机床。
3.10在Z8210B车床铣两端面钻孔中心孔B4/12.5，如下图3—1；
3.11粗车大端、精车大端所需设备为CK7150车床；
3.12精车小端∮31.82±0.015，∮48.5，∮40.5，∮39.5，∮37入下图3—2；
3.13冷滚轧花键
滚扎花键以两端中心孔定位,滚扎渐开线花键。
齿数为30,模数为1.0583，渐开线起始圆直径为∮31.008，大径∮32.809,小径∮30.691，压力角α=45°分度圆直径∮31.75,基圆直径∮22.451,弧齿厚s=1.791。
滚扎花键所需仪器是花键滚扎机。
所需的量具是千分尺和综合花键量规。
为了提高半轴花键的生产效率和疲劳强度，目前已广泛采用花键冷滚轧成型工艺。
该工艺是一种动力传动件及齿类工件的无屑冷成型加工工艺。
这种工艺极大地提高了冷成型齿类工件的精度，在北美和欧洲的许多条生产线上得到广泛应用。
滚轧花键和滚花工艺不同，在滚轧过程中，对所有相关参数均定位控制，故可以保证得到确定的齿数和准确的齿形。
实际上，整个加工过程非常简单。
以滚搓为例，将一根钢质轴定位在两根成型齿条之间的起始位置，该端的齿牙是浅层的，仅仅在工件上压出花键的最初形状，两齿条朝相反方向快速移动，带动工件旋转，一步步将工件表面的金属挤压进去，这时可明显看到一个个凹痕。
完成上述整个过程只需不到4s时间（机动时间>，此时，齿形零件只要再自转几周，就可保证得到质量控制所要求的齿形几何尺寸和精度。
大多数齿形工件是可以滚搓的，包括：
a．薄壁金属件；b.油槽；c.螺纹；d.大螺矩花键；e.正齿花键；f.冠齿；g.滚花、螺旋齿；h.安全自锁花键；i.锥齿；j.齿形；k.螺杆。
3.13.1冷滚轧花键的优点
a．设计灵活。
例如，一套Marand齿条可以滚轧20种不同齿数的零件．而且可以使齿牙和轴肩之间不留间隙。
b.生产效率高。
与传统滚齿相比，滚轧机动时间约为4s，滚齿机动时间约为130s。
c.节省材料.而且省去了收集处理切屑的麻烦。
d.加工精度高.滚轧具有极小的啮合间隙（强迫塑性变形>，使工件在使用过程中，可保持极优的啮合性能。
e.提高轴的强度。
由于是冷成型,可提高零件的物理性能，如增加扭矩力,减少疲劳应力灵敏度和无裂缝扩展。
f.提高负载能力.滚轧后，其晶格结构和滚齿、铣切不同，金属流线未被破坏，疲劳强度相当于滚切、铣切花键的三倍多。
国外某个生产载重汽车后桥半轴的公司，曾进行过铣削花键和冷滚轧花键后的半轴淬火前后对比测试分析。
结论是：
两种花键加工方法加工的半轴在其直径方向的变形量大体相同.均在10μm左右，但在外形变形量方面，滚轧花键要比铣削花键小，而且，在疲劳强度方面，滚轧花键是铣削花键的三倍多。
详见表1、表2和表3。
表3—1铣削半轴花键的直径测量值（单位:
mm>
轴号
淬火前
淬火后
最大值
最小值
最大值
最小值
1
30.036
30.034
30.045
30.040
2
30.032
30.013
30.043
30.024
3
30.045
30.040
30.057
30.048
4
30.027
30.004
30.038
30.017
5
30.035
30.015
30.043
30.031
平均值
30.035
30.021
30.045
30.032
表3—2滚扎半轴花键的直径测量值（单位:
mm>
轴号
淬火前
淬火后
最大值
最小值
最大值
最小值
1
30.027
30.027
30.043
30.039
2
30.028
30.027
30.039
30.036
3
30.023
30.023
30.018
30.018
4
30.013
30.012
30.031
30.027
5
30.016
30.016
30.028
30.024
6
30.014
30.014
30.028
30.024
7
30.014
30.013
30.028
30.010
8
30.022
30.019
30.034
30.030
9
30.030
30.026
30.030
30.022
10
30.023
30.014
30.038
30.033
平均值
30.021
30.019
30.032
30.027
表3—3两种半轴交变载荷实验值
轴号
热处理方法
加工方法
断裂前的交变载荷次数
1
表面感应淬火,回火温度约为
230℃
铣削花键
54900
2
78900
3
115100
平均值
82967
4
表面感应淬火,回火温度约为
230℃
冷滚扎花键
306000
5
258000
6
214000
7
表面感应淬火,回火温度约为
180℃
342000
8
273000
平均值
278600
3.13.2冷滚轧花键的加工方法
a.用滚轮冷滚轧花键。
在滚压头上安装的滚轮个数和花键轴的齿数相同，沿径向分布，全部齿形均在压力机一次工作过程中全部轧
出。
滚轧过程是压力机推动工件，通过滚压成形，滚轮在工件表面上自由滚动。
这种滚轧加工方法适用于齿数Z<20的花键。
b.用齿条形工具冷滚轧花键。
齿条形工具上下对称分布，分别由油缸驱动，作相互平行的交错运动，毛坯（工件>为自由驱动，在齿条工具间滚动过程中产生塑性变形。
滚动的圈数大约为8圈。
采用这种滚轧加工方法滚轧直径较小的花键时，生产率高。
表面质量好。
这种滚轧加工方法一般用于滚轧工件的最大直径为D=∮50mm，最大模数为m=4mm。
c.用小齿轮形工具冷滚轧花键。
毛坯（工件>轴线和工具轴线平行分布，工具向工件中心移动进给。
这种滚轧加工方法适用于渐开线花键。
3.13.3冷滚轧花键的工艺要求
a.工件材料。
硬度在200～230HBS以下的碳素钢以及表面渗碳钢适用于冷滚轧，对于合金钢或碳素钢的深齿工件，冷滚轧前需进行一次退火处理。
b.工件的尺寸和形状。
可按照滚轧前后体积不变的原则计算毛坯尺寸。
c.润滑。
为了延长工具寿命和防止因工件的热膨胀而降低尺寸精度，需采用能起减摩作用的耐高压润滑剂，如采用二硫化钼和机油的混合剂。
3.13.4典型的冷滚轧机技术参数
a.前苏联某公司生产的DG一7型冷滚轧机。
工件直径D=∮20～160mm，最大工件长度L=800mm，最长滚轧长度l=180mm，最大当量模数m=3mm，齿数z=12～60，滚轧头电机功率2×41kW，液压电机功率5.5kW，润滑冷却电机功率3kw。
b.瑞士GROB公司生产的ZLMeg型冷滚轧机。
最大工件长度L=1650mm，最大滚轧长度l=ll00mm，连续分度齿数Z=l2～96，间歇分度齿数Z=10～30，总功率18.5kW，机床外形尺寸：
长x高=3500mm×1440mm，机床净质量8.5t。
c.日本津上制作所生产的T—GR8型冷滚轧机。
软钢工件最大模数m=5.5mm，合金钢工件最大模数m=4.5mm．滚轧驱动电机功率2×2.24kW，快速进给电机功率0.37kW，无级变速电机功率0.37kW，机床净质量9.5t。
d.青岛生建机械厂冷滚轧技术研究开发中心生产的DY170型小模数渐开线花键和三角花健冷滚轧机。
最大滚压力F=315kN，转速n=16～96r／min（6级>，中心距160～300mm。
主轴直径D=∮85nan，最大滚轧长度l=22mm，滚压时间1～60s，停歇时间1～30s，主电机功率16kW，液压电机功率4kW，机床外形尺寸：
长×宽×高：
2110mm×2170mm×1740mm，机床净质量6t。
3.13.5冷滚轧花键加工实例
a.美国某公司使用Lees—BranderTHD长立柱式六轴回转冷滚轧机滚轧半轴花键（矩形花键>。
齿高H=2.78～3.04mm，齿厚B=3.83～3.9mm，外径D=∮5.829—5.840mm。
当负荷为100％时，生产率为180件／h。
b.英国福特汽车厂使用美国罗托一弗洛（RDto—Flo>Ex—Cell—O冷滚轧机滚轧半轴花键（渐开线花键>。
齿数z=24，半轴由输送带自动输送至冷轧机，用顶尖水平顶住，两个齿条式工具在高压作用下作相对运动，进行滚轧。
生产率为330件／h。
c．某公司冷滚轧汽车传动轴（矩形花键轴>。
工件技术要求：
材料为40cr，齿数z=l6，外径D=（∮49.915～49.950mm。
内径d=∮4075～40.85mm，齿厚B=4.935～4.975mm，键长l=90mm，齿向误差0.05mm，齿侧及外圆粗糙度Ra0.8μm。
加工规范：
滚轧方法为顺轧拉轧，间歇分度，毛坯直径D=∮46.30mm。
滚轧转速n=800r／min，工件进给速度v=80r／min，工件进给速度V=1850mm／min。
加工结果：
机动时间1.5min／件，工件外径D=∮50.26mm（滚轧后留磨削余量>，内径d=∮40.80mm，齿厚B=4．95mm，齿向误差0.04mm。
d．某公司使用立式油压机（160t>并采用滚轮滚轧方法冷滚轧矩形花键轴。
工件技术要求：
材料为45号钢，正火后硬度为163～197HBS，齿数Z=10，外径D=∮37.0～37.2m，内径d=∮27mm，齿厚B=5.76～5.86mm，键长l=35mm。
工件长度L=200mm，底廓半径R=15.3mm,定心方式为齿侧。
加工结果：
机动时间5s/件，齿侧表面粗糙度Ra0.4μm，齿向误差0.02mm，周向累积误差0.14mm，相邻周节误差0.10mm。
半轴花键滚轧工艺如下图3—1:
3.14半轴的热处理
半轴的热处理过去采用调质方法,调质后要求杆部硬度为388～444HB.近些年来采用高频、中频等感应淬火的日益增多,这种处理方法能保证半轴表面有适当的硬化层,由于硬化层本身的强度较高,加之在半轴表面形成大的残余压应力,因此使半轴的静强度合疲劳强度大为提高.尤其是疲劳强度提高得更为显著。
当半轴采用高应淬火时,杆部表面硬度推荐在48～56HRC范围内,心部硬度可控制在20～28HRC,花键部分的表面硬度可控制在48～56HRC,不淬火区硬度可定在248～277HB范围内,采用感应淬火时,通常推荐半轴杆部表面硬化层的深度为其半径的1/4～1/3左右.
3.14.1热处理工艺步骤如下:
开启加热致电炉设定温度（840℃～860℃>—通氯气扫炉（约30分钟>—通保护气氛—到达保温时间（60分>—半淬（油温30～80℃>清洗—回火（550～650℃>—到达回火保温时间（120分>—冷却—卸料
低温回火工艺要求如图3—2所示
图3—2低温回火
中频淬火,自回火如下图3—3；
调质处理,如图3—4；
3.15磁力探伤检验
完成热处理工艺步骤之后还要进行探伤,要100％磁粉探伤检验,要确保无裂痕,无折痕，以免汽车半轴在恶劣的环境下工作会断裂或扭断。
最后要100％退磁。
这些步骤要在CEW4000探伤机上完成。
4.夹具设计
半轴齿轮广泛用于汽车、拖拉机等一切行走机械的差速器中，应用面广。
需求量大。
半轴齿轮已普遍采用精密模锻工艺生产。
其工艺流程是：
下料——加热——粗锻——切飞边——精锻——切飞边——表面清理——钻孔、车大端面——车孔、齐端面——拉花键——热处理——磨大端面和内孔。
在车孔、齐端面工序中，由于夹具调整不便，更换工装时工件找正极其困难，耗工费时，齿轮装夹定位精度低，生产效率低。
为此，我们研制了半轴齿轮车孔齐端面的可微调夹具，解决了原夹具存在的问题。
4.1半轴齿轮弹簧参数的设计计算
加工半轴齿轮端面时所需的磨削力:
Fc=Kc×ap×f=1118×3×0.5=1677（N>
ap——背吃刀量
f——进给量
对半轴齿轮进行受力分析,计算出夹具对半轴齿轮的夹紧力P。
计算如下:
P·L=M——⑴
M=Fc·l——⑵
由⑴和⑵联立解出P=（Fc·l>/L=（1167×42>/21=2334（N>
再对连杆进行受力分析,计算出弹簧的最大工作负荷F2
由F2·l1=P×48得：
弹簧最大工作负荷F2=3112（N>
弹簧的旋绕比C取5
弹簧直径d≥1.6·sqrt{（K·F2·C>/[τ]}
=1.6×sqrt[（1.34125×3112×5>/950]
=7.5（mm>
弹簧的曲度系数K=（4C-1>/（4C-4>+0.615/C
=（4×5-1>/（4×5-4>+0.615/5
=1.34125
弹簧的强度条件τ=（8·K·F2·D2>/（π·d3>
=（8·K·F2·C>/（π·d3>
=（8×1.34125×3112×5>/（π×7.53>
=945（MPa><[τ]=950（MPa>
弹簧中径D2=C·d=5×7.5=37.5（mm>
弹簧外径D=D2+d=37.5+7.5=43（mm>
弹簧内径D1=D2-d=37.5-7.5=30（mm>
弹簧的螺旋升角α取6°
节距p=π·D2·tgα=π×37.5×tg6°=12.4（mm>
两圈的间隙δ=p-d=12.4-7.5=4.9（mm>
由图可知:
弹簧的最大的轴向变形量λ2=40mm
∴n=（G·d·λ>/（·F2·
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