轿车等角速万向节典型零件的制造工艺

轿车等角速万向节典型零件的制造工艺

作者：机械工业第九设计研究院鲁立明来源：AI汽车制造业

现代轿车多采取发动机前置、前轮驱动的总体布置形式，前轮既是转向轮又是驱动轮。作为转向轮，要求它能在最大转角范围内任意转动某一角度；作为驱动轮，则要求驱动轴在车轮偏转以及车轮相对于主减速器上下运动过程中，不间断地把动力从主减速器传到驱动车轮上。因此，其驱动轴不能制成整体而要分段，并且要用万向节连接，以适应行驶时驱动轴各段交角变化的需要。为保证驱动轴两端角速度变化均匀，其万向节必须能实现等速传动，即等角速万向节（CVJ）。由于现代轿车的前轮大都采用独立悬架，则靠近差速器处和靠近车轮处均需有等角速万向节，其功能是将发动机经变速器传出来的扭矩均匀地传给驱动轮，同时还要满足由于车轮跳动而引起的轴向伸缩和转向要求。

等角速万向节的分类

常用的轿车等角速万向节有两种，分别为：球笼式，即RF型，用在车轮一侧，有等速作用，无轴向滑动；筒式，即VL型，用在变速器差速器一侧，既有等速作用又能轴向滑动。

前轮驱动用的等角速万向节驱动轴（亦称半轴）位于驱动桥差速器和前轮之间，图1给出了这种传动系的构成简图。扭矩经差速器的内半轴①、VL等角速万向节②、中半轴③、RF等角速万向节④、前轮毂⑤传至驱动轮。

图1 轿车等速万向节驱动轴

典型零件的制造工艺

1．外半轴外环

（1）零件特点及毛坯加工

外半轴外环（见图2）也称外星轮、钟形壳，是一个带有花键轴的钟形零件。钟的内腔由球道和球面构成，内球面的球心为O。在A－A剖面中，球道的曲线为以A为圆心的圆弧，A与O的偏心距为l1。

图2 外半轴外环

外半轴外环的材料和毛坯为CF53，锻件，单件净质量为1.3kg。毛坯加工采用锻造方式，经过棒材切断、加热、辊锻、制坯、预锻、终锻等几道工序，然后经过正火处理和喷丸处理。

（2）机械加工工艺过程

方案一：粗、精车外轴颈及端面（CNC车床）→车内圆、端面（CNC车床）→搓花键（搓齿机）→清洗（清洗机）→铣球道（球道铣床）→感应淬火（中频感应淬火机床）→回火（回火炉）→磨端面、外圆（端面外圆磨床）→磨内球面（内球面磨床）→磨球道（球道磨床）→终检。

方案二：外表面车削（CNC车床）→内表面车削、铣球道（车铣复合设备）→搓花键（搓齿机）→清洗（清洗机）→感应淬火（中频感应淬火机床）→回火（回火炉）→内表面硬车（CNC车床）→内表面球道硬车硬铣（车铣复合设备）→探伤（探伤机）→清洗（清洗机）→终检。

（3 ）关键工艺和设备

①花键加工

因为花键模数比较小，模数为1.0583mm，故采用搓齿机搓花键，可大大提高效率，且加工质量好。

②球道加工

传统的工艺是采用球道铣床和球道磨床进行铣削和磨削加工，典型设备有原德国EX-CELL-O公司的球道铣床：XG620可同时加工两个零件，工件由液压卡盘水平卡紧，加工完一个球道后夹盘分度60°，铣削主轴固定在复合导轨上，X轴和Z轴数控；XG624采用旋转工作台，在铣削加工过程中可进行工件的装卸；XG610采用3工位，工位1装卸零件，工位2粗铣，工位3精铣。EX-CELL-O的球道磨床XG660通过B轴的摆动和X轴、Y轴的移动完成工件的磨削（见图3）。

图3 EX-CELL-O球道磨床XG660通过B轴的摆动和X轴Y轴的移动完成工件的磨削

采用意大利NOVA的4G-S M 20/130 G型内圆磨床（见图4）加工等角速万向节钟形壳的内球面。通过内插法整形，带有通过转动工作头来自动校正锥度的装置，磨头与加工区分开，可在无有害物质的环境中操作。

图4 NOVA的4G-S M 20/130 G型内圆磨床用于加工等角速万向节钟形壳的内球面

对内球面和球道除采用传统的单机分别磨削外，为保证球道与球面间的位置精度，现已可用硬车、硬铣（德国EMAG的设备）或磨削（意大利NOVA的设备）的方式在同一机床上进行加工。EX-CELL-O的等角速万向节新型加工设备XG690可将多种型号万向节零件的软、硬铣及磨削加工集于一身，更换刀具主轴便可以实现从磨削到硬表面铣削加工的转换。此外，该机床还可以配置零件自动定位、上料及夹紧。采用硬车、硬铣不仅大大提高了生产效率和零件制造质量，也有利于对环境污染的控制。

对于球道的加工无论是用CBN砂轮磨削还是用CBN球头铣刀硬铣，其加工方法都是工具高速旋转进给。一条球道一次进给加工完成，然后工件再分度逐条加工其余5道。目前，更为先进的制造技术是采用精密锻造工艺直接在毛坯上完成球道的精加工而无须磨削。

③内表面车削

内表面车削可以采用卧式车床、立式车床，也可以采用倒立车床，如EMAG的VSC200。该机床方便零件上下料，即可软车也可硬车，硬车可以以车代磨，减少对环境的污染。

2.内环

（1）零件特点及毛坯加工

内环（见图5）也叫内星轮、星形套，中间为花键孔，外表面是球心为O的球面，球体上有6个均布的球道。在A－A剖面中，球道的曲线是以B为中心的圆弧，B点偏离O点的距离l1，但与外星轮的偏离方向相反。内星轮的球面与球笼内球面相配合。因此，内星轮与球笼相对运动时只能绕着它们的公共球心O转动。

图5 内环

内环的材料和毛坯为20CoNiMa，锻件，单件净质量为0.35kg。毛坯加工采用锻造方式，热锻件经过棒材切断、加热、终锻、切边、冲孔等几道工序，然后进行正火和喷丸处理。精锻件经过棒材切断、加热、温锻、退火、磷皂化、精整等几道工序。

（2 ）机械加工工艺过程

方案一：磨削外球面（卡盘式成形磨床）→磨削环形槽（意大利MECCANDORA成形磨床）→清洗（清洗机）→终检。

方案二：车削一侧（CNC车床）→车削另一侧（CNC车床）→铣球道（球道铣床）→拉花键（拉床）→感应淬火（感应淬火机床）→回火（回火炉）→外表面硬车（CNC车床）→去毛刺（研磨机）→探伤（探伤机）→清洗（清洗机）→终检。

方案三：车削（卧式双轴数控车床）→拉花键（拉床）→铣球道（球道铣床）→渗碳淬火→磨削外球面（卡盘式成形磨床）→磨削球道（球道磨床）→清洗（清洗机）→终检。

与方案二、三采用的不同之处是，方案一采用的毛坯为冷挤压件。

（3）关键工艺和设备