轎車等角速萬向節(jié)典型零件的制造工藝

1、轎車等角速萬向節(jié)典型零件的制造工藝作者：機械工業(yè)第九設計研究院 魯立明    來源：AI汽車制造業(yè)現(xiàn)代轎車多采取發(fā)動機前置、前輪驅(qū)動的總體布置形式，前輪既是轉(zhuǎn)向輪又是驅(qū)動輪。作為轉(zhuǎn)向輪，要求它能在最大轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)任意轉(zhuǎn)動某一角度；作為驅(qū)動輪，則要求驅(qū)動軸在車輪偏轉(zhuǎn)以及車輪相對于主減速器上下運動過程中，不間斷地把動力從主減速器傳到驅(qū)動車輪上。因此，其驅(qū)動軸不能制成整體而要分段，并且要用萬向節(jié)連接，以適應行駛時驅(qū)動軸各段交角變化的需要。為保證驅(qū)動軸兩端角速度變化均勻，其萬向節(jié)必須能實現(xiàn)等速傳動，即等角速萬向節(jié)（CVJ）。由于現(xiàn)代轎車的前輪大都采用獨立懸架，則靠

2、近差速器處和靠近車輪處均需有等角速萬向節(jié)，其功能是將發(fā)動機經(jīng)變速器傳出來的扭矩均勻地傳給驅(qū)動輪，同時還要滿足由于車輪跳動而引起的軸向伸縮和轉(zhuǎn)向要求。 等角速萬向節(jié)的分類 常用的轎車等角速萬向節(jié)有兩種，分別為：球籠式，即RF型，用在車輪一側(cè)，有等速作用，無軸向滑動；筒式，即VL型，用在變速器差速器一側(cè)，既有等速作用又能軸向滑動。 前輪驅(qū)動用的等角速萬向節(jié)驅(qū)動軸（亦稱半軸）位于驅(qū)動橋差速器和前輪之間，圖1給出了這種傳動系的構(gòu)成簡圖。扭矩經(jīng)差速器的內(nèi)半軸、VL等角速萬向節(jié)、中半軸、RF等角速萬向節(jié)、前輪轂傳至驅(qū)動輪。 圖1 轎車等速萬向節(jié)驅(qū)動軸典型零件的制造工藝 1外半軸外環(huán) （1）零件特點及毛坯加

3、工 外半軸外環(huán)（見圖2）也稱外星輪、鐘形殼，是一個帶有花鍵軸的鐘形零件。鐘的內(nèi)腔由球道和球面構(gòu)成，內(nèi)球面的球心為O。在AA剖面中，球道的曲線為以A為圓心的圓弧，A與O的偏心距為l1。 圖2 外半軸外環(huán)外半軸外環(huán)的材料和毛坯為CF53，鍛件，單件凈質(zhì)量為1.3kg。毛坯加工采用鍛造方式，經(jīng)過棒材切斷、加熱、輥鍛、制坯、預鍛、終鍛等幾道工序，然后經(jīng)過正火處理和噴丸處理。 （2）機械加工工藝過程 方案一：粗、精車外軸頸及端面（CNC車床）車內(nèi)圓、端面（CNC車床）搓花鍵（搓齒機）清洗（清洗機）銑球道（球道銑床）感應淬火（中頻感應淬火機床）回火（回火爐）磨端面、外圓（端面外圓磨床）磨內(nèi)球面（內(nèi)球面磨床

4、）磨球道（球道磨床）終檢。 方案二：外表面車削（CNC車床）內(nèi)表面車削、銑球道（車銑復合設備）搓花鍵（搓齒機）清洗（清洗機）感應淬火（中頻感應淬火機床）回火（回火爐）內(nèi)表面硬車（CNC車床）內(nèi)表面球道硬車硬銑（車銑復合設備）探傷（探傷機）清洗（清洗機）終檢。 （3 ）關(guān)鍵工藝和設備 花鍵加工 因為花鍵模數(shù)比較小，模數(shù)為1.0583mm，故采用搓齒機搓花鍵，可大大提高效率，且加工質(zhì)量好。 球道加工 傳統(tǒng)的工藝是采用球道銑床和球道磨床進行銑削和磨削加工，典型設備有原德國EX-CELL-O公司的球道銑床：XG620可同時加工兩個零件，工件由液壓卡盤水平卡緊，加工完一個球道后夾盤分度60°，

5、銑削主軸固定在復合導軌上，X軸和Z軸數(shù)控；XG624采用旋轉(zhuǎn)工作臺，在銑削加工過程中可進行工件的裝卸；XG610采用3工位，工位1裝卸零件，工位2粗銑，工位3精銑。EX-CELL-O的球道磨床XG660通過B軸的擺動和X軸、Y軸的移動完成工件的磨削（見圖3）。 圖3 EX-CELL-O球道磨床XG660通過B軸的擺動和X軸Y軸的移動完成工件的磨削采用意大利NOVA的4G-S M 20/130 G型內(nèi)圓磨床（見圖4）加工等角速萬向節(jié)鐘形殼的內(nèi)球面。通過內(nèi)插法整形，帶有通過轉(zhuǎn)動工作頭來自動校正錐度的裝置，磨頭與加工區(qū)分開，可在無有害物質(zhì)的環(huán)境中操作。 圖4 NOVA的4G-S M 20/130 G

6、型內(nèi)圓磨床用于加工等角速萬向節(jié)鐘形殼的內(nèi)球面對內(nèi)球面和球道除采用傳統(tǒng)的單機分別磨削外，為保證球道與球面間的位置精度，現(xiàn)已可用硬車、硬銑（德國EMAG的設備）或磨削（意大利NOVA的設備）的方式在同一機床上進行加工。EX-CELL-O的等角速萬向節(jié)新型加工設備XG690可將多種型號萬向節(jié)零件的軟、硬銑及磨削加工集于一身，更換刀具主軸便可以實現(xiàn)從磨削到硬表面銑削加工的轉(zhuǎn)換。此外，該機床還可以配置零件自動定位、上料及夾緊。采用硬車、硬銑不僅大大提高了生產(chǎn)效率和零件制造質(zhì)量，也有利于對環(huán)境污染的控制。 對于球道的加工無論是用CBN砂輪磨削還是用CBN球頭銑刀硬銑，其加工方法都是工具高速旋轉(zhuǎn)進給。一條球

7、道一次進給加工完成，然后工件再分度逐條加工其余5道。目前，更為先進的制造技術(shù)是采用精密鍛造工藝直接在毛坯上完成球道的精加工而無須磨削。 內(nèi)表面車削 內(nèi)表面車削可以采用臥式車床、立式車床，也可以采用倒立車床，如EMAG的VSC200。該機床方便零件上下料，即可軟車也可硬車，硬車可以以車代磨，減少對環(huán)境的污染。 2.內(nèi)環(huán) （1）零件特點及毛坯加工 內(nèi)環(huán)（見圖5）也叫內(nèi)星輪、星形套，中間為花鍵孔，外表面是球心為O的球面，球體上有6個均布的球道。在AA剖面中，球道的曲線是以B為中心的圓弧，B點偏離O點的距離l1，但與外星輪的偏離方向相反。內(nèi)星輪的球面與球籠內(nèi)球面相配合。因此，內(nèi)星輪與球籠相對運動時只能

8、繞著它們的公共球心O轉(zhuǎn)動。 圖5 內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán)的材料和毛坯為20CoNiMa，鍛件，單件凈質(zhì)量為0.35kg。毛坯加工采用鍛造方式，熱鍛件經(jīng)過棒材切斷、加熱、終鍛、切邊、沖孔等幾道工序，然后進行正火和噴丸處理。精鍛件經(jīng)過棒材切斷、加熱、溫鍛、退火、磷皂化、精整等幾道工序。 （2 ）機械加工工藝過程 方案一：磨削外球面（卡盤式成形磨床）磨削環(huán)形槽（意大利MECCANDORA成形磨床）清洗（清洗機）終檢。 方案二：車削一側(cè)（CNC車床）車削另一側(cè)（CNC車床）銑球道（球道銑床）拉花鍵（拉床）感應淬火（感應淬火機床）回火（回火爐）外表面硬車（CNC車床）去毛刺（研磨機）探傷（探傷機）清洗（清洗機）終檢。

9、 方案三：車削（臥式雙軸數(shù)控車床）拉花鍵（拉床）銑球道（球道銑床）滲碳淬火磨削外球面（卡盤式成形磨床）磨削球道（球道磨床）清洗（清洗機）終檢。 與方案二、三采用的不同之處是，方案一采用的毛坯為冷擠壓件。 （3）關(guān)鍵工藝和設備 外表面車削 采用臥式數(shù)控車床。如果產(chǎn)量大，還可采用更先進的臥式雙軸數(shù)控車床，在一臺車床上同時加工兩個面。 花鍵加工 采用立式拉床，可采用雙工位或三工位，也可以用精密鍛造（方案一）的工藝方法來完成加工。 球道加工 球道加工主要有球道銑削，設備有EX-CELL-O的球道銑床XG612、XG622和XG626，加工方式和外環(huán)球道銑床相同；球道磨削設備有EX-CELL-O的XG6

10、62，加工方式和外環(huán)球道磨床XG660相同；以及意大利MECCANDORA的球道磨床。球道磨削加工有兩種方式，通常采用工件固定在專用可分度夾具上旋轉(zhuǎn)，砂輪進給同時磨削二條球道的方式進行；或者采用砂輪沿球道軌跡進給磨削的方法，球道軌跡可數(shù)控編程。 內(nèi)環(huán)的球道也可以用硬銑（方案二）和精密鍛造（方案一）的工藝方法來完成加工。 外球面加工 采用外圓磨床進行磨削，如意大利NOVA的PGE 10/70 型外圓磨床（見圖6），用于加工內(nèi)環(huán)的外球面。外球面加工也可以采用硬車，以車代磨。 圖6 NOVA的PGE 10/70 型外圓磨床用于加工內(nèi)環(huán)的外球面3. 保持架 （1）零件特點及毛坯加工 保持架也叫球籠，是

11、一個空心球體。內(nèi)外球面同心，球心為O，在球體上開有6個均布的能分別容納一個鋼球的長圓形球槽。球籠的內(nèi)球面與內(nèi)星輪的外球面相配合。外球面與外星輪的內(nèi)球面相配合，球心O是內(nèi)星輪、外星輪相對運動的公共中心。因此，球籠有兩個作用：一是使內(nèi)星輪、外星輪圍繞同一中心O轉(zhuǎn)動，二是使6顆鋼球保持在同一平面上。 保持架的材料為SAE8617A鋼管，單件凈質(zhì)量為0.28kg。毛坯加工主要采用無屑切斷、冷成形的工藝方式，也可采用割管后光飾并滾壓成形的方式。 （2）機械加工工藝過程 方案一：平端面，切斷（切斷機）壓成腰鼓（滾擠壓機）沖窗口（沖床）車外球面、內(nèi)球面（臥式雙軸數(shù)控車床）拉窗口（三工位拉床）清洗（清洗機）滲

12、碳（熱處理機床）噴丸（噴丸機）磨外球面（外圓磨床）磨內(nèi)球面（內(nèi)圓磨床）磨削窗口（窗口磨床）拋光（拋光機）清洗（清洗機）終檢。 方案二： 平端面，切斷（切斷機）壓成腰鼓（滾擠壓機）沖窗口（沖床）車內(nèi)球面（CNC車床）滲碳淬火（熱處理機床）內(nèi)表面硬車（CNC車床）銑窗口（銑床）外表面硬車、銑窗口（車銑復合設備）表面光整（研磨機）探傷（探傷機）清洗（清洗機）終檢。 （3）關(guān)鍵工藝和設備 沖窗口：工件壓成腰鼓后，用沖床沖6個窗口，典型設備如英國GEORG的PHE100S沖床、英國DUNBAR & COOK沖床。 拉窗口：采用拉床拉削保持架的窗口，有雙工位、三工位、四工位的，可同時拉削24個工件

13、，典型設備如德國HOFFMANN 拉床。 內(nèi)、外球面磨削：采用內(nèi)、外圓磨床磨削內(nèi)外球面，典型設備有美國BRYANT公司的磨床；意大利NOVA（諾瓦）外圓磨床，用于加工保持架外球面?，F(xiàn)在，內(nèi)、外球面的加工還可采用硬車加工。 窗孔磨削：采用6支臥置的CBN砂輪同時進給，先磨下窗孔，再磨上窗孔。在磨削的同時，工件進行圓周小幅擺動。典型設備有EX-CELL-O的XG650窗口磨床，該機床對保持架窗口上下面磨削，使用六軸對保持架的6個窗口同時進行磨削，如圖7所示，可以保證保持架窗口的平行度要求。 圖7 EX-CELL-O的XG650窗口磨床，使用六軸對保持架的6個窗口同時進行磨削， 可以保證保持架窗口的

14、平行度要求對于窗孔精度要求相對較低的可軸向移動的球籠式萬向節(jié)保持架，也可采用拉削后控制熱處理變形的方法而不進行窗孔磨削加工。 4. 半軸 （1）零件特點及毛坯加工 半軸分成兩類，一類為實心半軸，另一類為空心半軸。實軸毛坯用棒材?？招妮S管部分用鋼管，二端花鍵軸一般用冷擠壓鍛件，空心軸也可用鋼管懸壓鍛造的方式來直接制成毛坯。半軸的材料和毛坯為SAE1050棒料，左半軸單件凈質(zhì)為0.6kg，右半軸單件凈質(zhì)為2.0kg?？招陌胼S為管料和棒料，空心軸凈質(zhì)量為1.7kg。 （2）機械加工工藝過程 方案一：平端面，切斷（鋸床）打頂尖孔、車外圓、滾花鍵（六軸自動車床）車中間部（CNC臥式車床）感應淬火（感應淬

15、火機床）校直（油壓機）磁力探傷（磁力探傷機）噴粉（涂裝設備）終檢。 方案二： 空心管下料（切斷機）銑焊接平面（銑床）焊接（焊機）軸兩端車加工成形（車床）搓花鍵（搓齒機）精車（車床）去毛刺（去毛刺設備）清洗（清洗機）淬火、回火、檢查（淬火機床）校直（校直機）探傷（探傷機）清洗（清洗機）終檢。 實心軸下料與空心管下料步驟基本相同，只是銑端面后無需進行焊接，直接進行軸兩端的車加工成形。 （3） 關(guān)鍵工藝和設備 花鍵加工：花鍵加工一般采用搓齒工藝（方案二），關(guān)鍵設備為搓齒機。方案一為在六軸自動車床上與外圓一起加工，但也有采用模具進行冷擠壓成形的制造工藝。 淬火加工：中頻淬火通常采取掃描式和整體式淬火。

16、整體式淬火的生產(chǎn)效率很高，適合于單品種、大批量生產(chǎn)，而掃描式淬火則較適合于多品種、小批量生產(chǎn)。 5. VL外環(huán) （1）零件特點及毛坯加工 VL外環(huán)（見圖8）又稱外星輪、筒形殼，其內(nèi)圓柱面上有6條與內(nèi)星輪球道傾斜角度（15）相同，并且相鄰二條球道傾斜方向相反的直球道。 圖8 VL外環(huán)VL外環(huán)的材料為CF53，鍛件，單件凈質(zhì)量為0.7kg，采用鍛造方式，工序流程基本同內(nèi)環(huán)熱鍛件。 （2）機械加工工藝過程 方案一：車削（CNC雙軸臥式車床）拉球道（兩工位拉床）中頻淬火（淬火設備）回火（回火設備）鉆6孔（鉆孔機床）噴丸（噴丸機）清洗（清洗機）分檔。 方案二： 車削一側(cè)（CNC車床）車削另一側(cè)（CNC車床）銑球道（球道銑床）中頻淬火（淬火設備）回火（回火設備）鉆6孔（鉆孔機床）表面光整（研磨機）探傷（探傷機）清洗（清洗機）終檢。 （3）關(guān)鍵