汽車差速器半軸齒輪尺寸超差原因分析及工藝改進(jìn)

1序言某公司半軸齒輪產(chǎn)品在入廠檢驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)兩件產(chǎn)品出現(xiàn)（15.8±0.15）mm尺寸超差，半軸齒輪超差尺寸位置如圖1所示。該尺寸的作用是確定卡簧槽的軸向位置，限制半軸的軸向竄動，若該尺寸過大，則可能造成卡簧無法彈開，失去作用；若該尺寸過小，則可能造成卡簧提前彈開，裝配不到位。為了保證尺寸精度，提升半軸齒輪的工作可靠性，對尺寸超差情況進(jìn)行分析，找出原因，提出了解決辦法，經(jīng)驗(yàn)證，效果良好，為其他同類尺寸超差問題的解決提供了理論依據(jù)。圖1半軸齒輪超差尺寸位置示意2尺寸超差原因分析2.1測量系統(tǒng)分析尺寸檢測系統(tǒng)如圖2所示，采用薄片式高度尺測量頭（量儀分辨率為0.01mm），檢測塊上平面（基準(zhǔn)面）與工件被檢測平面完全貼合，測量檢測塊的基準(zhǔn)面到卡簧槽的距離。測量時，將零件放在基準(zhǔn)面上進(jìn)行測量，全過程為手動操作，人為因素存在一定的影響；同時，測量受兩個面平行度影響，每次檢測前需要核對基準(zhǔn)。測量系統(tǒng)中量具的分辨率為0.01mm，小于T/20（尺寸公差T＝0.3mm），滿足測量需求。a）檢測系統(tǒng)b)實(shí)物

c）測量頭與齒端面接觸情況圖2

尺寸檢測系統(tǒng)示意測量時清潔工件、檢測塊和標(biāo)準(zhǔn)件，放置到檢測平臺上，將高度尺測量頭下端面移動至檢測塊（檢測塊上、下面平行度要求≤0.005mm，并按照檢具周期校驗(yàn)規(guī)定校驗(yàn)）基準(zhǔn)平面上，高度尺對零，使用標(biāo)準(zhǔn)件（標(biāo)準(zhǔn)件定期檢測標(biāo)定）校準(zhǔn)，每次檢測前校驗(yàn)一次，將零件放置在基準(zhǔn)平面上，將高度尺測量頭上端面移動至卡簧槽上端面，讀數(shù)。在實(shí)際讀數(shù)的基礎(chǔ)上加上測量頭的厚度1mm，得到實(shí)測值。

2.2測量能力分析

選取自制15.8mm尺寸標(biāo)準(zhǔn)件作為樣件，使用蔡司三坐標(biāo)測量機(jī)測量（見圖3），將測量10次的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)件尺寸真值。一名檢驗(yàn)員對標(biāo)準(zhǔn)件測量相同位置50次，利用mintab軟件生成標(biāo)準(zhǔn)件測量尺寸結(jié)果運(yùn)行圖（見圖4）。量具能力Cg及能力指數(shù)Cgk計(jì)算公式分別為Cg＝KT/6S

（1）

（2）式中，K為縮小系數(shù)，一般取K＝0.2；KT為允許的測量結(jié)果分布寬度；6S為實(shí)際達(dá)到的測量結(jié)果分布寬度；T為工件被檢項(xiàng)目公差；XE為樣件的實(shí)際尺寸；為平均測量值；S為標(biāo)準(zhǔn)偏差，S＝；Xi為第i次測量值；n為測量次數(shù)。利用（1）、（2）式計(jì)算出Cg（量具能力）＝2.21，Cgk（量具能力指數(shù)）＝2.21。Cg＝Cgk，說明測量系統(tǒng)無偏倚；Cgk＞1.67，說明測量系統(tǒng)能力可以滿足使用要求。圖3

標(biāo)準(zhǔn)件使用蔡司三坐標(biāo)測量機(jī)測量圖4測量尺寸結(jié)果運(yùn)行示意2.3原始過程能力分析現(xiàn)場加工產(chǎn)品時，每半個小時（約生產(chǎn)50件）連續(xù)抽檢5件，用收集的25組數(shù)據(jù)導(dǎo)入mintab軟件，生成過程能力分析圖（見圖5），＝15.751mm，S＝0.0292mm，理論中值Tm為15.8mm。計(jì)算出Cpk＝1.17，Cp＝1.73。Cpk＜1.33，不滿足合格率要求。Cp和Cpk值差異較大，中心發(fā)生偏移0.049mm。a）樣本趨勢圖b）能力直方圖c)樣本極差控制圖

d）正態(tài)開率圖e)尺寸分布圖

f）加工過程能力結(jié)果圖5過程能力分析示意圖為了保證尺寸精度，確保產(chǎn)品合格率，一是需要將均值移至中差位置。尺寸的正態(tài)分布如圖6所示，如保證Cpk＞1.67，需將均值保證在15.792～15.808mm，均值u需向右移動，移動范圍0.041～0.057mm；二是需要標(biāo)準(zhǔn)差不變。依據(jù)均值的活動范圍，建立控制線，上控制線（u＋4δ）最大為15.80＋4×0.0292≈15.92mm，下控制線（u－4δ）≈15.68mm，即產(chǎn)品加工尺寸控制在15.68～15.92mm。圖6尺寸的正態(tài)分布2.4熱處理變形影響分析因產(chǎn)品經(jīng)過熱處理，軸向變形可能會導(dǎo)致尺寸測量基準(zhǔn)位置發(fā)生變化。從20件工件的安裝距和15.8mm尺寸前后變化量的檢測數(shù)據(jù)來看，熱處理對安裝距存在少量的影響，分析主要是由于齒形方向存在變化，因此影響了齒形定位檢測安裝距，但誤差不超過0.01mm，對15.8mm尺寸的影響可忽略不計(jì)。2.5工藝過程分析半軸齒輪加工工藝流程為：下料→制坯→鍛壓→機(jī)械加工（熱處理前）→熱處理→機(jī)械加工（熱處理后）。因?yàn)?5.8mm尺寸測量超差的兩個面均是在熱處理后機(jī)械加工完成的，所以應(yīng)重點(diǎn)對機(jī)械加工（熱處理后）工序進(jìn)行分析。圖7為熱處理后精車加工圖樣。精車工序在數(shù)控車床上完成，采用人工手動上、下工件。加工時，將工件裝入齒形定位塊，工件齒槽對準(zhǔn)定位塊齒形，以齒面定位。在同一次裝夾中，按照圖樣要求對安裝距34mm和卡簧槽寬度2.2mm尺寸進(jìn)行加工，加工面為圖7b中的安裝面和卡簧槽右端面，分別由兩把車刀（外圓車刀和內(nèi)孔車刀）完成。兩個尺寸加工完成后，即形成了15.8mm尺寸的兩個測量面。a）加工尺寸b）尺寸與基準(zhǔn)圖7熱處理后精車加工圖樣卡簧槽右端面為熱處理前加工，均以齒形定位?？ɑ刹塾叶嗣嫖恢糜蔁崽幚砬皺C(jī)械加工時的15.8mm尺寸控制（卡簧槽左端面為槽寬2.2mm尺寸的加工基準(zhǔn)，其位置由15.8mm尺寸確定），而熱處理前15.8mm尺寸因受刀具磨損和機(jī)床、夾具系統(tǒng)的影響，存在一定的公差；另外，熱處理前2.2mm槽寬加工也受到刀具磨損影響，因此卡簧槽右端面的絕對位置存在變化，熱處理后加工時以其作為槽寬的加工基準(zhǔn)，用于確定卡簧槽左端面的加工尺寸，存在較大的誤差。經(jīng)過對測量系統(tǒng)、測量能力、原始過程能力、熱處理變形影響及工藝過程等5個方面的分析，可以判斷出要解決15.8mm尺寸超差問題，應(yīng)從工藝控制方法上進(jìn)行改進(jìn)。3熱處理前后尺寸中值變化計(jì)算圖8為熱處理前機(jī)械加工圖樣，對槽寬2.2mm、安裝距34mm尺寸的要求如圖8a所示，轉(zhuǎn)換后的中間尺寸換算如圖8b所示，結(jié)合圖7a熱處理后的尺寸精度要求，對安裝距34mm和槽寬2.2mm尺寸在熱處理前后的中間尺寸及公差變化進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表1。a）工藝尺寸b）中間尺寸換算圖8

熱處理前機(jī)械加工圖樣表1

熱處理前后安裝距34mm和槽寬2.2mm的中間尺寸及公差變化計(jì)算結(jié)果15.8mm尺寸熱處理前控制尺寸為（15.825±0.025）mm，結(jié)合表1數(shù)據(jù)，熱處理后精加工時，因受安裝距34mm和槽寬2.2mm尺寸變化的影響，其中間尺寸變化為15.825－0.145＋0.095＝15.775（mm），實(shí)際公差變化為（±0.025）＋（±0.045）＋（±0.075）＝±0.145（mm），即實(shí)際精加工后，得到的尺寸為（15.775±0.145）mm，與圖7精加工要求的（15.8±0.15）mm比較，其中值出現(xiàn)0.025mm偏差，極限狀態(tài)下的加工尺寸為15.63～15.92mm（圖樣要求極限尺寸為15.65～15.95mm），可能會出現(xiàn)超差現(xiàn)象。4工藝改進(jìn)15.8mm尺寸的兩個面在熱處理前、后加工時，均是在一次裝夾中同時加工完成，沒有固定的基準(zhǔn)面，且不能形成封閉的尺寸鏈，造成該尺寸控制困難；因在加工時，均以齒形定位，為了形成封閉的尺寸鏈，將15.8mm尺寸中卡簧槽左面檢測基準(zhǔn)變更，檢測其到錐點(diǎn)的距離，基本尺寸為18.18mm。工藝改進(jìn)后的尺寸鏈如圖9所示。圖9

工藝改進(jìn)后的尺寸鏈按照加工尺寸鏈設(shè)置原則，15.8mm尺寸為18.18mm尺寸和34mm尺寸加工后自然形成的尺寸，應(yīng)為封閉環(huán)；在其他尺寸不變的情況下，18.18mm尺寸的增大會使15.8mm尺寸減小，其為減環(huán)；34mm尺寸增大會使15.8mm尺寸增大，其為增環(huán)。將數(shù)據(jù)代入（3）、（4）式可計(jì)算出18.18mm尺寸的公差為±0.13mm，即加工時18.18mm尺寸加工精度達(dá)到（18.2±0.13）mm時，可保證（15.8±0.15）mm尺寸不出現(xiàn)超差。式中，n為增環(huán)數(shù)目；M為組成環(huán)數(shù)目；ES0、EI0分別為封閉環(huán)的上、下偏差；ESz、EIz分別為增環(huán)的上、下偏差；ESj、EIj分別為減環(huán)的上、下偏差。結(jié)合批量加工時工序能夠達(dá)到的經(jīng)濟(jì)精度和提高加工可靠性兩個方面考慮，將熱處理前后機(jī)械加工時的18.18mm尺寸加工公差全部提升為±0.02mm，設(shè)置精加工時的加工余量為0.1mm，即熱處理前的工序尺寸為（18.28±0.02）mm，此時精加工出的15.8mm尺寸精度為（15.8±0.04）mm，滿足圖樣（15.8±0.15）mm的技術(shù)要求。采用新工藝后，2.2mm槽寬會受到18.2mm尺寸控制，18.2mm尺寸熱處理前后加工的公差對其會產(chǎn)生影響。表2為熱處理前后加工18.18mm尺寸的中間尺寸及公差變化數(shù)據(jù)。如圖8所示，熱處理前槽寬工序尺寸為（2.175±0.025）mm，引入18.18mm尺寸對其的影響后，熱處理后精車工序其基本尺寸為2.175+0.1＝2.275mm，公差為（±0.025）+（±0.04）＝±0.065（mm）。根據(jù)尺寸計(jì)算結(jié)果，采用該方式將基準(zhǔn)轉(zhuǎn)化以后，槽寬尺寸控制在（2.275±0.065）mm，滿足圖樣（2.27±0.1）mm的技術(shù)要求。表2

熱處理前后加工18.18mm尺寸的中間尺寸及公差變化數(shù)據(jù)工藝改進(jìn)后熱處理前后機(jī)械加工工序如圖10所示。

a）熱處理前加工工序b)熱處理后加工工序圖10

工藝改進(jìn)后熱處理前后機(jī)械加工工序5工藝改進(jìn)（基準(zhǔn)轉(zhuǎn)化）后15.8mm尺寸Cpk驗(yàn)證確認(rèn)設(shè)備、夾具和刀具精度滿足技術(shù)要求后，工件幾何公差調(diào)整至合格，連續(xù)加工5件，檢測尺寸穩(wěn)定后，再連續(xù)加工，每半小時（約生產(chǎn)50件）抽檢連續(xù)加工的5件工件，用收集的125組數(shù)據(jù)導(dǎo)入mintab軟件生成過程能力分析圖。圖11為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)化后加工15.8mm尺寸過程能力分析圖，實(shí)際均值為15.8mm（工藝改進(jìn)前為15.751mm），Cp＝3.19（工藝改進(jìn)前為1.73），Cpk＝3.18（工藝改進(jìn)前為1.17），均值在中差，無明顯偏移，尺寸調(diào)整有效，過程能力非常好。

a）樣本趨勢圖

b）能力直方圖

c）樣本極差控制圖

d）正態(tài)概率圖

e）尺寸分布圖

f）加工過程能力結(jié)果圖11