差速器殼體和齒圈生產線的柔性化改造

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差速器殼體和齒圈生產線的柔性化改造簡介
     神龍汽車有限公司在現有的差速器殼體和齒圈生產線上通過對工藝、夾具、刀具和控制系統進行一系列設計改造,將原來只能生產一個系列產品的生產線改造成……
差速器殼體和齒圈生產線的柔性化改造正文
     神龍汽車有限公司在現有的差速器殼體和齒圈生產線上通過對工藝、夾具、刀具和控制系統進行一系列設計改造,將原來只能生產一個系列產品的生產線改造成了可以生產兩個系列、五個品種的柔性生產線。

神龍公司差速器殼體和齒圈生產線於1999年投產,當時生產一個系列MA三個品種的零件, 這三個品種均是PSA集團雪鐵龍公司的產品。為了提高設備的利用率,動力總成平台啟動BE鋼件項目,針對差速器殼體齒圈總成,BE的系列有兩個品種:BE差速器殼體+81齒齒圈和BE差速器殼體+74齒齒圈,這兩個品種零件是PSA集團標緻公司的產品。

雖然BE系列的產品與MA系列的產品存在較大的差異,但為了降低投資成本,總體設計方案是對MA差速器殼體和齒圈生產線進行改造,使差速器殼體和齒圈生產線柔性化,實現多品種零件的共線生產。

改造的基本原則

1. 盡量統一BE和MA差速器殼體、齒圈的加工工藝。對於BE齒圈,在熱前增加一台加工中心用於加工安裝孔,熱後生產線增加一台磨床用於內孔的磨削。對於BE差速器殼體,在精車以後增加一台加工中心用於鑽孔、攻絲及銑槽。

2. 重新設計和製造部分夾具,對機械手的卡爪、輸送滾道進行改造, 盡量減少工裝的換型。

3. 重新設計和製造部分刀具,盡量減少刀具的換型。

4. 重新編製BE零件的加工程序。

改造的關鍵

BE差速器殼體和齒圈的工藝設計是整個改造項目的關鍵,這是因為:

1. BE和MA差速器殼體的技術要求有較大的差異,MA差速器殼體與齒圈的配合是採用塗膠和壓裝的方式,而BE差速器殼體與齒圈的配合是採用8個螺紋孔連接的方式。

2. BE差速器殼體半軸孔在國外採用的是珩磨機加工,軸承頸和法蘭面採用磨床加工,而我們採用的是鏜孔、乾式車削。

3. BE差速器殼體有8個螺紋孔,法蘭面的加工是斷續切削,現有的設備是否能滿足法蘭面的加工質量,取決於工藝安排的合理性。

改造方案的技術內容

1. 自行設計的BE差速器殼體工藝方案的可行性分析

(1) MA差速器殼體和BE差速器殼體的差異(如圖1)。從表1可以看出,MA和BE差速器殼體形狀有較大的差異,而且BE差速器殼體半軸孔和軸承頸的粗糙度比MA的要求更嚴。

(2)自行設計BE差速器殼體工藝與標緻公司成熟工藝的比較。圖2為法國標緻公司的BE差速器殼體的工藝流程,圖3為我們自主設計的BE差速器殼體工藝流程。

 國外的工藝方案與我們自行設計的工藝方案的最大差別體現在4個部位:半軸孔、兩端軸承直徑和法蘭面的加工。在法國,對於半軸孔的加工採用珩磨,而對於兩端軸承頸和法蘭面的加工採用的是磨削。

① 半軸孔的加工。BE差速器殼體半軸孔產品的要求是φ260+0.033,表面粗糙度的要求是R5,相當於Ra1.6。MA差速器殼體半軸孔產品的要求為 φ250+0.033,表面粗糙度為R6.3,相當於Ra2,孔徑的公差要求基本一樣,但就表面粗糙度而言,BE差速器殼體的要求更嚴,我們分析了MA半軸孔的切削參數,n=1500r/min,ap=0.5mm,f=0.25 mm/r,更改切削參數保持n 和ap不變,減小f。我們試驗不同的切削參數,最終將MA的進給量由0.25mm降低到0.18mm時,刀具加工到壽命時表面粗糙度為R4.5,能滿足粗糙度的要求。

② 軸承頸的加工。軸承頸的直徑MA和BE差速器殼體是一樣的產品要求,均是φ38+0.027,但是表面粗糙度的要求BE是R5,MA是R6.3,根據對半軸孔的加工試驗,軸承頸的要求是可以達到的。

③ 法蘭面的加工。加工帶8個螺紋孔的BE差速器殼體法蘭面有兩個特點,一是斷續切削,二是加工的長度長達20mm。現有的設備是卧式數控車床,且為乾式切削,於是我們設計了兩套工藝方案:第一套按常規工藝在精車前鑽孔、攻絲;第二套工藝方案是在精車后,鑽孔、攻絲。

在工藝方案的實施過程中,我們發現現有精車設備無法滿足BE差速器殼體法蘭面的質量要求,於是我們採用第二套工藝方案,將鑽孔、攻絲和銑槽移到精車后的 OP105進行加工。階梯鑽加工后,我們發現孔的入口處存在毛刺,通過在NC程序中對鑽孔增加延時程序,法蘭面的毛刺就沒有了。

通過分析和試驗證明,我們自主設計的BE差速器殼體的工藝是可行的。

2. 自行設計的BE齒圈工藝方案的可行性分析

MA 齒圈和BE齒圈外形的差異如圖4,其主要技術要求的差異如表2。從表2可以看出,MA和BE齒圈的技術參數有較大的差異,尤其是最大有效齒頂圓直徑,BE 比MA最大大29.7mm,並且直徑大於180mm,芯軸定位寬度BE與MA的齒圈相比窄15.4mm,所以BE齒圈的工藝性比MA齒圈差。

我們自主設計的BE齒圈工藝流程如圖5。國外的工藝方案與我們自行設計的工藝方案的最大差別在於:鑽孔+兩面倒角,法國安排在OP30,在滾齒前,而我們的方案是安排在OP70,在剃齒之後。因我們是通過對老線的改造來生產BE的齒圈,在車床和滾齒間沒有放設備的空間,只能放在剃齒之後。試驗證明:在方便現場物流的前提下,我們安排的工藝方案完全能保證產品的質量要求,是完全可行的。

3. 差速器殼體生產線和齒圈生產線的改造

(1)工藝設計:① 採用了圖3和圖5中自主設計的BE差速器殼體和BE齒圈的工藝。

② 數控加工程序的編製與調試:對BE差速器殼體和兩種BE齒圈各道工序的零件進行 NC程序的編製,涉及的系統有FANUC、NUM和Siemens三種;涉及數控機床12台,分別來自日本、法國和德國。

(2)夾具設計

① OP40,通過設計如圖6所示MA和BE差速器殼體共用的V型塊1、2,壓板8和V型壓塊5來實現換型后,夾具精度不用調整。僅通過更換軸向定位塊3、輪廓支承4和壓緊板6,來滿足兩種軸向尺寸、高度尺寸和輪廓差異較大的MA和BE 差速器殼體的定位和夾緊。

② OP70是差速器殼體加工的關鍵工序, 該夾具的設計採用高度集中的分佈方案,以便留出足夠的空間,使夾具6個方向能很好地布置,該設備採用的是德國ROHM公司設計的夾具。原設計僅適用 Sφ77的MA差速器殼體,而Sφ84的BE差速器殼體厚度比其大12mm,無法使用,由於國內坐標磨床的功能限制,在國內無法製造該夾具。我們通過三維模擬、重新設計OP70的夾具,在德國ROHM夾具的基礎上進行改造,將如圖7所示的夾具固定座板1的厚度減少12mm,將夾具的導向桿2延長12mm,重新設計製造導向桿2、夾緊卡爪3、滑塊4、定位塊5和夾緊塊6。

(3)刀具設計

① OP40的刀具設計:OP40是一台三工位的數控組合機床,分別為011/012/013工位。013工位是球面加工工位,刀具採用的結構是曲柄連桿機構,當刀桿上的旋轉點下降到球心的位置后,通過機床伺服電機推動刀具的曲柄連桿機構運動,完成球面的粗加工(如圖8)。我們重新設計了如圖9所示的共用的刀體,簡化了換型,不同品種間僅更換不同的刀夾即可。

② OP70的刀具設計:在保證Z軸工作行程不變的前提下,使傳動楔塊的角度由原來的18°增大到21°43′,使其工作時的徑向行程由15.5mm增大到 19mm,剩下的3.5 mm由BE鏜刀頭來補償,即將BE刀頭比MA的刀頭徑向尺寸大1.75mm, 實現了MA和BE差速器殼體的共刀體生產(如圖10)。

(4)自動化設計

① FANUC系統:FANUC0i系統採用直接選擇加工程序的方式實現不同品種零件控制程序的選擇,FANUC18i系統採用旋鈕開關選擇加工程序的方式實現不同品種零件控制程序的選擇。

② Siemens840D系統:Siemens840D系統分別採用直接選擇加工程序的方式和用旋鈕開關實現不同品種零件控制程序的選擇。

③ NUM1060系統:OP40/70
採用的是通過MA或BE按鈕通知PLC所選擇的品種。

OP80採用由交換區的E參數通知NC在執行程序時進行相應的跳轉。

技術創新

在工藝方面,我們首先制定了兩個系列產品在同一生產線上通過的工藝合併原則,做到加工工藝方法儘可能一致,提出並實現了鏜孔代替珩磨、精車代替磨削,合理調整了加工工藝順序。

在夾具方面,我們對原有十多套夾具進行了重新設計和改造,滿足了不同產品零件定位和夾緊功能的需要。

在刀具方面,我們重新設計和改造了球面鏜刀平衡體的楔形機構、刀體和刀頭。通過試驗優化,選擇了以鏜代珩磨、以車代磨的高效高精度刀具。

在電氣控制系統方面,對NUM1060數控的刀具管理程序進行了二次開發,擴展了刀組和自動對刀與自動補償功能。

與此同時,我們還取消了差殼和齒圈的配車,並對MECALIX測量系統進行了改造。

在整個改造過程中,我們進行的主要技術創新如下:

1. 自主設計了BE差速器殼體和BE齒圈兩種零件的工藝方案,沒有採用國外成熟的工藝。利用工藝合併的原則,利用現有MA的設備,通過對夾具、刀具和控制系統進行的一系列設計改造,合理地安排工藝,滿足了BE產品要求,實現了由原來只能生產一個系列產品改造成可以通過兩個系列、五個品種的柔性生產線。

2. 在工藝方面,改變了法國成熟的珩磨半軸孔、精磨軸承外徑的工藝方案,通過合理分配加余量,選擇合適的高效刀具和匹配的加工參數,實現了鏜孔代替珩磨、以精車代替磨削的工藝。

3. 對NUM1060數控系統進行二次開發,擴展了刀組、自動對刀與自動補償功能。刀組數由4個擴充到了5個,使機床實現5個刀組的刀具壽命管理、自動對刀和自動補償。

4. 通過三維模擬重新設計OP70的夾具,在德國ROHM夾具的基礎上進行改造,克服了由於國內坐標磨床無法加工長200mm和直徑大於φ50的孔的難題,實現了利用一套夾具加工內球面直徑相差7mm且形狀差異很大的兩個系列的差速器殼體。

結語

該項目總體技術改造方案設計合理、功能完善,項目實施后運行可靠,實現了柔性化生產,取得了顯著的經濟效益和社會效益,其技術處於國內同行業領先水平。不僅如此,此次90%的夾具設計、所有設備的自動化改造、加工程序編製、主動測量的改造以及設備的調試都是我們自主獨立完成的。這種依靠自己力量改造國外設備的範例值得推廣。

      
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