一文看懂变速器的核心工艺与定位方式,我国模

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随着消费类产品更新换代速度的加快,模具技术也在不断的发展,对模具的生产效率和制造品质提出了越来越高的要求,因此电火花加工模具的低生产效率和品质不稳定等缺点逐渐暴露出来。

在美国、德国和日本等工业发达国家,其模具工业近年来正在进行一场大规模的技术革命,这就是逐步用高速切削机床替代电加工设备,对模具型腔进行高效精密加工。这些机床主要包括各种高速数控铣床、加工中心等。

核心摘要: 在最近一次召开有关汽车装备的论坛上,中国汽车工程学会装备部部长陈长年就汽车发展对机床装备的需求谈了自己的看法:“汽车 在最近一次召开有关汽车装备的论坛上,中国汽车工程学会装备部部长陈长年就汽车发展对机床装备的需求谈了自己的看法:“汽车制造的水平和质量取决于装备水平,同时,汽车工业的国际竞争力又取决于装备的先进性和制造成本。” “汽车装备支撑着汽车产业和机床产业的半边天。”对于这个说法,陈长年认为有三个理由: “第一,我国汽车业消费约占装备制造业产值和利润的一半;第二,从2002年开始,中国汽车产业首次超过电子产业,成为拉动工业增长的第一动力;第三,汽车工业的发展既依赖于机床工业的技术进步,又引领机床工业的发展。近十几年来,我国汽车工业已经成为机床消费主体,约占我国机床消费总量的70%。同时,汽车工业投资的一半以上又用于购买金属加工机床,其中进口机床约占80%。” 回顾汽车的发展历史,不难看出先进装备以及制造工艺在其中的作用。 上个世纪,组合机床自动线以其高效率统治了汽车工业的生产。伴随汽车工业竞争加剧,汽车产品更新换代周期从几十年缩短到3~5年,组合机床自动线由于缺乏柔性而无法适应。20世纪80年代,美国汽车巨人福特与机床巨人INGERSOLL合作,研制了集高柔性及高效率于一身的高速加工中心。柔性自动生产线的问世,加快了汽车产品的更新换代,提高了企业的效率和灵活性,这就是现在我们可以看到每年有几十种新车上市的原因之一。 引爆第三次发动机技术革命 陈长年认为,随着技术进步,汽车发动机的研发速度将越来越快,新品开发周期从30个月缩短到13个月,同时,日益发展的多样性需求,使车型数量急剧增加;同时在发动机市场竞争愈发激烈的情况下,生产批量的不确定性增大。而目前流行的柔性自动线,由于价格昂贵,又使得汽车制造业的投资风险加大,同时,产能过剩矛盾日益突出。这正是第三次发动机制造技术革命的背景。 近年来,人们一直在探讨解决多样性与经济性日益突出的矛盾。满足变品种、变批量的需要,兼顾高柔性、高效率、低投资的要求和市场快速反应能力;同时,也在探讨以制造系统的革命来解决产能过剩的世纪矛盾。 因此,陈长年判断酝酿中的发动机制造技术第三次革命正在到来。而这场技术革新也必将是由先进的机床加工技术引爆。可重构制造系统RMS或许可以成为导火索。 可重构制造系统RMS在1998年被美国国家研究委员会列为未来20年制造业必须优先解决的十大关键技术之首。 RMS着眼于制造系统结构的快速调整能力,原理是通过对制造系统中机床配置的调整和机床功能模块的增减,迅速构成适应新品生产或生产批量变化的市场环境。由此也诞生了可重构机床RMT。RMT由标准化的模块组成。与传统模块化机床本质性区别是它在使用中的可重构性。RMS的结构和布局可依需要在用户现场快速重组。 据此日本马扎克公司开发出了分型制造系统。其实质是“单台套件生产”,即可以应对各种不同零件加工的通用性模块生产方案。其原理是“一次装卡完成加工”。即用几台INTEGREX机床,分别完成发动机五大件全部加工,进行“套件生产”,并随即装配成一台发动机。使得在发动机设计完成后即可以用最小的投资、最快的速度生产出来。非常适用于新发动机研发,分型制造系统把复合性机床技术的软件、硬件发挥得淋漓尽致。 分型制造系统工艺特点是工序集中型,一台机床“独立”完成全部加工,在生产批量加大时增加机床,并配备物料存储和传送装置。设备排列特点是并联式,一台机床故障,生产线照常运行。 陈长年认为,分型制造系统可以应对各种不同零件加工的通用性模块生产方案,比较适合多品种小批量多样式的生产。但如果上批量效率优势就不是很明显了。 多样化汽车时代提出新要求 多品种大批量制造系统是多样化时代新生的汽车零部件制造系统,是制造技术应对兼顾多样性和经济性要求的最新技术创新。 多品种大批量制造系统包括工件送进式机床和紧凑型柔性自动流水线。至今只有两家德国公司能够提供成熟的技术,但只适用于小型复杂零件的多品种大批量制造。一个是德国Ex-Cell-O公司开发的兼有组合机床和加工中心特性的XG系列加工中心;另一个则是德国Witzig&Frank公司的紧凑型柔性自动流水线。 对于专业变速器厂和发动机缸盖厂,由于面对不同用户的要求,必须提供中等尺寸和重量的变速器壳体和发动机缸盖的多品种变批量制造系统。瑞典MODIG公司的工件送进式制造单元TransFlex,是对机床运动方式的颠覆式创新。我国企业正在进行技术引进。预计2010年左右可提供产品。 工件送进式机床也称为工作台倒置式机床。原理是:主轴装于机床上部并携带工件倒置。各个运动轴全部或大部集中于主轴。刀具装于机床下部,加工时主轴按数控软件指令将工件运送到刀尖。 陈长年介绍说,这类机床最早出现于十几年前的“倒立车”。而工件送进式机床在此之上又有了革命性发展:从立车式发展到加工中心式;具有一组排列式刀具、或动力刀具轴。这些刀具皆为模块化的,根据加工要求设置,加工对象变更时更换刀具很方便。如放置卧式数控车床的转塔刀架,转塔转位就实现了换刀,转塔刀架中还可以包含动力刀架,如铣刀轴、占头轴、丝椎轴等,还可放置独立的大功率铣刀轴、外圆磨头、内圆磨头、珩磨头、激光头、直刀齿轮、涡轮滚刀轴等。这样一台多功能或复合加工机床就可实现除装夹基面以外的全部加工。不再只限于加工回转体类零件,还可加工非回转体类零件,即菱柱体类零件,如板、壳、箱体、缸盖等及其它异形零件。 他认为,工件送进式机床有下列优点:一是可实现自动上下料,不需丝毫额外的投入,从而由单机升级为制造单元,实现自动化无人生产。同时排屑方便,适合于大批量自动化生产。 二是加工对象变更时可快速调整:工件与刀具相对位置及其精度靠智能数控软件保证,既节省了定位和对刀时间,又在加工对象变更时很容易调整,适合新产品研发和量产。此外,在加工对象变更时还可变更模块化刀具。 三是夹具相对简单,原则上不需设计制造复杂的专用夹具。因而加工新品的周期大大缩短,费用大大降低。同时换刀时间短,省略了传统加工中心换刀的大部分动作,因而节省了换刀时间。 同时,由于工件与刀具的运动链大为缩短,简化了机床结构,降低了机床各部件间相对位置精度要求,因而降低了机床制造难度。 除此以外,一般一台工件送进式机床可以满足生产节拍一分钟左右的要求。显然投资小的多,也不存在产能过剩问题。如果生产节拍要求更短,可以再加一台工件送进式机床,以此类推。与传统生产线相比,省略了工件自动传输系统,占用车间面积小,安装费用低。 除了工件送进式机床,多品种大批量制造系统还有紧凑型柔性自动流水线。相对于传统柔性自动流水线来说,其物流系统(原材料处理、存储、上下料装置、机床间工件传输装置)十分简约,工作台、八角头回转刀库也十分简约。 德国Witzig&Frank公司的TRI鄄FLEX是一条占地面积很小的紧凑型柔性自动流水线,由围绕在中央集中式物流装置四周的4台模块化加工中心组成。适合小型精密汽车零部件多品种大批量流水线生产。上料机器人将毛坯送到中央集中式物流装置,然后至第一台加工中心。在完成这道工序后,中央集中式物流装置只需旋转90度,即可将置于其上的工作台送到第二台加工中心,依此类推,完成全部加工。每台加工中心都按节拍流水加工,每一生产节拍都会生产出一个零件。

随着汽车工业的快速发展,手动变速器已经更多地在朝自动变速器转变。这些变速器制造主要涉及的核心工艺有:轴及齿轮、壳体等关键部件的生产,总成装配、试验检测等。

近年来,随着我国国民经济迅速发展和国防建设的需要,机床制造业面临制造装备发展的良机,需求大幅度增长,五轴加工中心作为机床制造业的重要基础装备,其发展也一直备受关注。

为实现模具型腔及其相关部位的高速加工,机床需要具备以下特点:

目前在模具加工制造过程中,主要以普通机加工和电火花加工为主。普通机床加工模具型腔一般都是在热处理前进行粗加工、半精加工和精加工,然后磨削,打磨抛光,费时又费力。电火花加工是在退火后进行切削加工,然后进行热处理、电火花加工,最后经过打磨、抛光。

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而目前,由于被传统加工工艺所束缚,工艺可塑性低,加工时间长,表面品质低,刀具损耗大,单个产品的加工成本高,众多五轴加工中心在加工过程中,机床无法均最大化释放效能,展现其优势与价值。

1.由于模具正在向大型化方向发展,几吨到几十吨的模具非常普遍,因此要求机床工作台面能承受大重量,这就要求设备必须具有大承重和高刚性的特性,还必须有足够大的台面尺寸和工作行程与之相适应。另外,模具材料的强度和硬度都很高,加上常常采用伸长量较大的小直径端铣刀加工模具型腔,因此加工过程容易发生颤振。为了确保零件的加工精度和表面质量,用于模具制造的高速机床必须有很高的动、静刚度,以提高机床的定位精度、跟踪精度和抗振能力。

随着消费类产品更新换代速度的加快,对模具的生产效率和制造品质提出了越来越高的要求,电火花加工模具的生产效率低下和品质不稳定的缺点逐渐暴露出来。要缩短制造周期并降低成本,必须广泛采用先进切削加工技术。而代表先进制造技术的高速切削技术的出现,满足了现代模具加工的要求与特点。

齿轮与轴类零件

比如以下常见问题:

2.高转速和大功率高速加工是发展方向,高速铣削在模具加工中已显示了极大地优越性。为了适应模具型腔曲面的加工,刀具的半径应小于型腔曲面最小圆周半径,以免加工过程中刀具与工件发生“干涉”。由于刀具直径小,因此要求主轴转速非常高,国外高速加工机床主轴转速已达到4万~10万r/min,快速进给速度可达3万~6万min。型腔和模具零件其他部件粗、精加工常常在工件一次装夹中完成,故主轴功率要大,中等尺寸模具铣床和加工中心的主轴功率常为10~40kW,有的甚至更高。

高速切削技术用于加工模具的优势主要体现在:

  1. 齿轮加工工艺流程

开粗策略:零部件产品一般开粗量大,但传统开粗采用切深小,高进给率的方式,粗加工时间长;

3.能多轴联动及良好的深孔腔综合切削能力模具型腔多为复杂的空间六曲面及沟槽所构成,且许多模具具有深孔腔。为了达到对3D曲面的高精度、高速度和高稳定性加工,机床需要多轴联动,且具有良好的深孔腔综合切削能力。可以采用五轴联动加工中心,除了三个坐标的直线运动外,还有两个旋转坐标的进给运动。铣头或工作台可以多轴联动进行连续回转进给,从而适用于加工具有复杂型腔曲面的模具零件。

大大提高了加工效率,不仅机床转速高、进给快,而且粗精加工可以一次完成,极大地提高了生产效率,再结合数控技术,模具的制造周期可缩短约40%。

根据不同结构要求,齿轮零件加工主要工艺流程采用的是锻造制坯→正火→精车加工→插齿→倒尖角→滚齿→剃齿→→热处理→磨加工→对啮修整。热后齿部一般不再加工,除了主减从齿或顾客要求磨齿的零件。

表面粗糙度:零件外形精加工,传统方式采用球刀,步距小,刀具悬深大,加工时间长,表面品质差,刀具成本高;

可以说,复合加工是模具加工的发展方向之一。虽然加工中心已能将许多机加工工序复合在一台机床上实现,但这仍不能完全适应模具加工,将机械加工与电、化学、超声波等不同原理加工方法进行复合,兼备两种以上工艺特点的复合加工在今后的模具制造中将有广阔的前景。

高速切削加工模具既不需要做电极,也不需要后续研磨与抛光,还容易实现加工过程自动化,提高了模具的开发速度。

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夹具:对夹具重视和投入不够,导致装夹速度和夹持刚性无法满足加工要求;

采用高速切削技术可加工淬硬钢,而且可得到很高的表面质量,表面粗糙度低于Ra0.6μm,取得以铣代磨的加工效果,不仅节省了大量的时间,还提高了加工表面质量。

  1. 轴类工艺流程

机床:无法发挥五轴机床的高动态性能和高刚性主轴的优势...

为了实现模具型腔及其相关部位的高速加工,机床需要具备以下特点:

输入轴:锻造制坯→正火→精车加工→搓齿→钻孔→插齿→倒尖角→滚齿→剃齿→热处理→磨加工→对啮修整。

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大承重和高刚性这是由于模具正在向大型化方向发展,加工设备必须具有足够大的台面尺寸和工作行程与之适应。现在,几吨到几十吨的模具非常普遍,要求机床工作台面能承受大重量。模具材料的强度和硬度都很高,加上常常采用伸长量较大的小直径端铣刀加工模具型腔,因此加工过程容易发生颤振。为了确保零件的加工精度和表面质量,用于模具制造的高速机床必须有很高的动、静刚度,以提高机床的定位精度、跟踪精度和抗振能力。

输出轴:锻造制坯→正火→精车加工→搓齿滚齿→剃齿→热处理→磨加工→对啮修整。

高转速和大功率高速加工是发展方向,高速铣削在模具加工中已显示了极大的优越性。为了适应模具型腔曲面的加工,刀具的半径应小于型腔曲面最小圆周半径,以免加工过程中刀具与工件发生“干涉”。由于刀具直径小,因此要求主轴转速非常高,国外高速加工机床主轴转速已达到40 000~100 000r/min,快速进给速度可达30 000~60 000min。型腔和模具零件其他部件粗、精加工常常在工件一次装夹中完成,故主轴功率要大,中等尺寸模具铣床和加工中心的主轴功率常为10~40kW,有的甚至更高。

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能多轴联动及良好的深孔腔综合切削能力模具型腔多为复杂的空间6曲面及沟槽所构成,且许多模具具有深孔腔。为了达到对3D曲面的高精度、高速度和高稳定性加工,机床需要多轴联动,且具有良好的深孔腔综合切削能力。可以采用五轴联动加工中心,除了三个坐标的直线运动外,还有两个旋转坐标的进给运动。铣头或工作台可以多轴联动进行连续回转进给,从而适用于加工具有复杂型腔曲面的模具零件。

  1. 具体工艺流程

复合加工是模具加工的发展方向之一。虽然加工中心已能将许多机加工工序复合在一台机床上实现,但这仍不能完全适应模具加工,将机械加工与电、化学、超声波等不同原理加工方法进行复合,兼备两种以上工艺特点的复合加工在今后的模具制造中将有广阔的前景。

锻造制坯

热模锻是汽车齿轮件广泛使用的毛坯锻造工艺。以前较广泛采用的是热锻和冷挤压的毛坯,近年来,楔横轧技术在轴类加工上得到了大量推广。这项技术特别适合为比较复杂的阶梯轴类制坯,它不仅精度较高、后序加工余量小而且生产效率高。

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正火

这一工艺的目的是获得适合后序齿轮切削加工的硬度和为最终热处理做组织准备,以有效地减少热处理变形。一般的正火由于受人员、设备和环境的影响比较大,使得工件冷却速度和冷却的均匀性难以控制,造成硬度散差大,金相组织不均匀,直接影响机加工和最终热处理。

精车加工

为了满足高精度齿轮加工的定位要求,齿坯的精车加工全部采用数控车床。齿轮先进行内孔和定位端面的加工,然后另一端面及外径加工同步完成。既保证了内孔与定位端面的垂直度要求,又保证了大批量齿坯生产的尺寸离散小。从而提高了齿坯精度,确保了后序齿轮的加工质量。

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4.轴类零件加工的定位基准和装夹主要方式:

以工件的中心孔定位

在轴的加工中,零件各外圆表面、端面的同轴度,端面对旋转轴线的垂直度是其相互位置精度的主要项目,这些表面的设计基准一般都是轴的中心线,若用两中心孔定位,符合基准重合的原则。

以外圆和中心孔作为定位基准

用两中心孔定位虽然定心精度高,但刚性差,尤其是加工较重的工件时不够稳固,切削用量也不能太大。粗加工时,为了提高零件的刚度,可采用轴的外圆表面和一中心孔作为定位基准来加工。这种定位方法能承受较大的切削力矩,是轴类零件最常见的一种定位方法。

以两外圆表面作为定位基准

在加工空心轴的内孔时,(例如:机床上莫氏锥度的内孔加工),不能采用中心孔作为定位基准,可用轴的两外圆表面作为定位基准。当工件是机床主轴时,常以两支撑轴颈为定位基准,可保证锥孔相对支撑轴颈的同轴度要求,消除基准不重合而引起的误差。

壳体类零件1. 工艺流程

一般工艺流程是铣结合面→加工工艺孔和连接孔→粗镗轴承孔→精镗轴承孔和定位销孔→清洗→泄漏试验检测。

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  1. 控制方法

夹具方面

变速器壳体的加工工序以采用“立式加工中心加工。10#工序 立式式加工中心加工 20#工序 卧式加工中心加工 30#工序”为例,需要三套加工中心夹具,避免工件的夹紧变形,还要考虑刀具干涉、操作灵活、多件一夹、快速切换等因素。

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▲ 加工中心壳体夹具

刀具方面

在汽车零部件制造成本中,刀具成本占总成本的3%~5%。模块式结构的复合刀具具有精度较高,刀柄可重复使用,库存量少等特点,被广泛采用,它可以大幅度缩短加工时间,提高劳动效率。因此,在精度要求不高、标准刀具能够达到比较好的加工效果时尽量采用标准刀具,降低库存,提高互换性。同时,对于大批量生产的零件,精度要求又高的零件采用先进的非标复合刀具更能提高加工精度和生产效率。

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