主离合器轴是拖拉机上的一个关键传动零件，其零件结构特点为: 中空、薄壁，通孔贯通整个零件，单边壁厚5mm左右，带外花键，长径比达10左右，其结构如图1所示。采用实心毛坯制造时去除材料比例较大，内孔去除材料占40%以上，毛坯总去除材料约50%。此类零件加工时外圆采用车削进行加工，生产效率高; 通孔通常采用深孔钻进行加工，加工效率极低，加工成本高，一直是此类零件的生产瓶颈，而且整个通孔是靠钻削的方法加工出来的，内孔的粗糙度较差，加工应力较大，热处理时零件变形大，产品质量难以有效控制，导致产品质量无法达到设计要求。
图 1 某主离合器轴结构图
为了解决此类零件内孔加工效率低、成本高、热处理变形大、质量不达标的问题，经过调研和实际加工验证，从零件毛坯的结构以及后序机械加工工艺流程的优化等方面进行研究，使这一问题得到了有效解决。
1 毛坯结构优化
通过进行市场调研，查阅相关资料，与毛坯供货厂家沟通协商等，经过反复论证，最终确定对毛坯结构进行优化。通过将毛坯结构改为空心结构，取代了原来的实心毛坯，这样不仅节省了材料，也减少了后续的深孔加工的瓶颈工序。将通孔在毛坯制造时完成，通过热轧及冷拔等手段批量生产加工通孔，生产效率极高。这样在后续的机加工过程中减少了通孔加工及辅助工序这些环节，必然会极大的提升生产效率; 由于零件内孔不再加工，内应力降低，零件在热处理时相应的变形也会减小。
毛坯通孔加工方法:
(1)将热轧圆钢棒料加热至1100℃, 利用专用模具冲头等，将圆钢轧制成空心管料。再将其加热至850℃,退火去应力，降低硬度。通过加热穿管轧制的方法可以细化钢材的晶粒，并消除显微组织的缺陷，从而使钢材组织密实，力学性能得到改善，原材料中的气泡、裂纹和疏松等缺陷，也可在高温和压力作用下被焊合，从而提升了毛坯的组织和机械性能。且此种空心管料已经标准化，市场采购较易获得，热轧毛坯管料如图2所示。
图 2 热轧毛坯管料
(2)在常温下，将合适的空心管料使用专用模具冷压辊制成空心毛坯料。冷压辊制时，先进行磷化、皂化等预处理，增加润滑性，降低辊制时的摩擦力。空心管料外径和孔径经过冷压辊制后变小,最终成型时与毛坯要求尺寸一致。将其加热至400～500℃进行中温回火去应力和降低硬度。通过该方法可以进一步提高钢管的尺寸精度和表面光洁度，改善材质的机械性能等。
(3)根据毛坯图要求的长度进行锯床下料，将下好的毛坯料加热至900℃ ,进行正火处理，进一步细化组织，控制硬度; 然后进行喷砂、酸洗、中和、除锈防锈等，再进行校直、检验等，最后成为合格毛坯。酸洗工序如图3所示，校直工序如图4所示。
图 3 酸洗后的管料
图 4 毛坯校直
2 机械加工工艺优化
毛坯问题解决后，如何加工又成为新的难题，原实心毛坯的工艺方案是铣两端面后，开始打中心孔，再以中心孔定位车削外圆、外倒角等，并磨削外圆基准，以外圆和端头外倒角定位加工通孔; 而新毛坯为空心管，首先无法做出中心孔，工艺安排不当时，会造成零件同轴度误差较大，严重时影响装配使用。新的毛坯形状需要使用新的合理的加工工艺方案，新方案的实施，首先必须保证产品的质量，还需要提升生产效率。空心毛坯到货后，首先使用的是铣打两端面，然后采用立式钻床加工60°定位中心孔，再以中心内孔为基准加工其它部位，这也是常规的加工方法，但此种加工方法在铣打两端面时，会造成端面及内孔里存有翻边毛刺，而这种毛刺往往不易去除，加工中心孔时容易偏心，如果再以中心孔为基准，必然影响后续加工质量，造成底孔与定位外圆的同轴度差。经过实践验证，此种方案存在较大问题，在整机试验中主离合器轴与其通孔中装配的副离合器轴干涉，造成副离合器分离的状态下，动力输出部分不停转，需要经常进行拆车换件。而拆车换件过程也很繁琐，需要将整个壳体从中间断开，耗时耗力，还极易造成轴承和密封圈的损坏，拆车的综合成本非常高，须尽快进行整改。通过仔细分析毛坯锻打和冷加工的工艺过程，以基准一致为原则，保证内孔与外圆的同轴度为核心，进行工艺方案的改进调整。打破常规的先铣两端面方案，改为先加工外圆及外倒角后再铣两端面的方案，通过工艺改进，调整加工的先后顺序，避免了人工去除毛刺的质量不稳定因素。使用毛坯两端通孔的尖角作为粗基准，使用仿形车两顶尖定位加工外圆及外倒角，端面铣床再以加工过的外圆为基准加工两端面，由于对外圆预先进行了倒角加工，且倒角的长度比铣端面的余量大1～2mm，毛刺不会翻到外圆上，不影响后续数控车加工定位，虽然内孔在加工端面时会残留毛刺，但不影响后续加工的定位基准和镗孔加工。改进后的定位及加工方案如图5所示。
图 5 改进后的定位及加工方案简图
采用带中心架的数控车床精车一端加工时，卡盘一端夹持外圆，中心架夹持另一端外圆，加工端面及内外倒角，内孔处的上道工序留下的翻边毛刺自然会被加工掉，60°内倒角为后续加工精基准，然后尾座顶尖顶到倒角上，松开中心架夹持，把一端外圆加工到合适的位置，精车一端简图如图6所示。
图 6 精车一端简图
掉头精车另一端，卡盘一端夹持精加工后的外圆，中心架夹持另一端外圆，加工端面、内孔及内倒角，同样的这一端内孔的毛刺也会被加工掉，然后尾 座顶尖顶到内倒角上，松开中心架夹持，把这一端外圆加工到与另一端外圆接通的位置。再把中心架夹持上，移开尾座顶尖，把端头孔精加工完成，精车另一端简图如图7所示。
图 7 精车另一端简图
批量检验结果，毛坯通孔与外圆的壁厚差稳定控制在0.1mm以内，外圆的相对于中心孔的同轴度在0.05mm以内，整个零件的尺寸和形位公差均高于原图纸设计要求。在此过程中需注意，毛坯通孔与端面垂直度误差不允许超出一定的值，一般要求控制0.15mm以内，否则会造成零件外圆与通孔的同轴度误差较大，不满足产品要求。为此还设计制作了毛坯通孔检验量棒，用于控制毛坯内孔的直线度和椭圆度。
实心毛坯及空心毛坯的主要加工方案如下:
(1)实心毛坯工艺方案
主要工序: 铣两端面及打中心孔-粗车齿坯一端-粗车齿坯另一端-磨加工通孔基准-加工通孔-精车齿坯一端-精车齿坯另一端-铣一端花键-铣另一端花键-磨校直外圆-热处理 (渗碳淬火+校直) -研磨中心孔-磨外圆等。
(2)空心毛坯工艺方案
主要工序:粗车齿坯一端-粗车齿坯另一端-铣两端面-精车齿坯一端-精车齿坯另一端-铣一端花键-铣另一端花键-磨校直外圆-热处理 (渗碳淬火+校直)-研磨中心孔-磨外圆等。
3 热处理工序的验证
通过实心和空心毛坯在热处理后的情况对比，热处理理化指标无大的差异，均能满足工艺的要求，但空心毛坯加工的零件在热处理变形控制上有较好的提升。花键M值热后变化量对比: 使用空心轴类毛坯加工零件，变化较少。使用实心轴类毛坯加工零件，变化较大，证明零件在热处理后使用空心毛坯的圆度变形较小。花键径跳热后变化量对比: 使用空心轴类毛坯加工零件，热后校直更加容易，弯曲变形相对较小。使用实心轴类毛坯加工零件，变化较大，且无规律。零件的整体强度对比:空心毛坯加工的零件比实心毛加工的零件的整体抗扭强度高出近10% 。
4 成品检验及装车验证
针对装车干涉问题，为此专门设计了模仿装配的综合检具，跟踪验证阶段，100%进行检验，零件检测结论为合格率100%。此专用检验夹具，工艺稳定后不再100%进行检验，只用作抽检。通过首次50台的装车验证，未有1台发生干涉的情况。接着又试装了200台车，仍然未发生一台干涉的情况。累积跟踪验证1000台的装车，未发生一台次干涉造成副离合器分离的状态下，动力输出部分不停转的情况。
5 结论
(1)毛坯选择从实心毛坯改为空心管料毛坯，毛坯重量减少，节省了原材料20%以上。还减少了通孔加工环节，及其辅助工序，解决了此零件加工的最大生产瓶颈，一共减少了3道工序，极大提升了生产效率，整体加工效率约为原来的3倍。
(2)加工质量方面，对比实心毛坯及空心毛坯的热处理前后的实测数据，花键的M值、径向跳动及齿向等花键精度都有较大提升。
(3)推广应用方面，采用空心毛坯及新工艺方案的实施，产品的加工效率及质量均得到提升，按此工艺方案推广到其它同类零件上，并推广到不同材料的零件，如40Cr，42CrMo等材料。带通孔薄壁花键轴类零件的制造工艺革新，解决了轴类零件通孔加工瓶颈，热处理易变形等诸多问题; 新类型毛坯使用的新型加工方法解决了零件上翻边毛刺去除难，定位基准容易出现偏差的定位不准问题，同时最大限度的修正了内孔相对于外圆的同轴度; 且广泛推广到同类型零件上，为公司取得了极好的成效。经过验证，用空心轴类毛坯制造的零件，各方面的成品精度都优于实心轴类毛坯制造的零件，是值得推广的新行工艺方法。
参考文献 :略