转轴的精益生产

惠建峰

摘 要：电机转轴的精益生产，对从坯料到成品中各个工序进行了专业和实际操作经验等方面的分析，提出各个工序中会出现的问题及解决办法，文章所涉及的相关专业领域包括锻造，机械加工、热处理等，所涉范围之广，篇幅所限，仅针对电机转轴在以上三个行业生产过程中所遇到的问题、原因分析以及解决方法进行探讨。

关键词：转轴；精益生产；机械加工；锻造；热处理；电机制造

转轴作为电机中最重要的零部件之一，其质量包含两个方面，一个是外形质量，直接影响转子装配精度；一个是性能质量，会对电机整体长期稳定运行起到关键作用。随着公司产能的不断加大，在持续深化的精益生产过程中，转轴质量在所涉及的锻造、机加、热处理甚至总装等各领域中，会遇到各种各样的问题，下面文章就针对转轴在这三个领域的生产过程中所遇到的问题、原因分析以及解决方法进行探讨。

1 锻造

转轴的锻造是将坯料加热到1250℃左右再按照锻造图纸尺寸要求进行锻打的过程。这个过程是特殊过程的一种，之所以称为特殊过程，是因为其整个生产过程中存在不易人为控制的影响产品质量的因素，文章后面我们提及的热处理也是其中之一。

1.1 锻造缺陷及其产生原因

1.1.1 裂纹。裂纹有很多种，分为表面横向和纵向裂纹、内部横向和纵向裂纹、表面龟裂、内部微裂纹等。

表面横向裂纹主要是由于原材料质量不好，钢锭冶金缺陷引起的。内部横向裂纹原因有两种，一种是坯料加热速度过快形成的加热裂纹，另一种是拔长低塑性材料时相对送尽量过小造成的。表面纵向裂纹产生原因可能是钢锭的冶金质量差以及墩粗低塑性钢的相对压下量过大所致。内部纵向裂纹产生原因有三个，一是缩管或二次缩孔，二是加热未烧透，中心温度过低，三是遇到低塑性高合金钢时，送给量过大或在同一部位反复翻转拔长所致。表面龟裂是由于钢中铜、锡、砷、硫的含量较多或始锻温度过高，以及开始锤击过重等引起的。内部微裂纹是由中心疏松组织未锻合而引起的，常与非金属夹杂并存，也称为杂质性裂纹。

1.1.2 局部粗晶锻件表面或内部的局部区域晶粒粗大。产生原因是加热温度偏高变形不均匀、局部变形程度（锻造比）太小所致。

1.1.3 表面折叠、凹坑是由拔长时帖子圆角过小或送进量小于压下量造成的，也有氧化皮清理不干净，随坯料一起锻打造成。

1.1.4 重心偏移。是因为加热温度不均及锻造时下压量不均导致钢锭中心与锻件中心不重合，影响锻件质量。

1.1.5 过烧。是锻造加热温度太高，使奥氏体晶界出现局部熔化或者发生氧化的现象。过烧是严重的加热缺陷，工件一旦过烧就无法补救，只能报废。

1.1.6 锻造弯曲。锻造过程中由锻打频次，锻打每锤冲击力的均匀性及设备等原因造成整体轴向明显的弯曲，彎曲量大的甚至会影响后续加工，这也是在实际生产过程中经常遇到的问题。

1.2 解决方案

1.2.1 使用质量合格的原材料，并要对其表面缺陷进行认真清除。

1.2.2 制定合理的加热、锻造及锻造后冷却工艺，选用合适的工具工装，生产过程中的每个工步都必须严格执行工艺及操作规程。

1.2.3 有内部较大裂纹、白点的锻件以及过烧的坯料只能报废，对锻件的表面缺陷在能满足后续加工的前提下，可以进行清除或返修。

1.2.4 锻造弯曲的解决首先必须排除由锤砧平整度、机械钳臂的水平度等设备原因引起的问题；再次在实际锻打过程细化操作，多转匀打，及时清除氧化皮等。

2 热处理

热处理是将钢在固态下加热到预定温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定速度冷却的一种热加工工艺。其目的是通过改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能。适当热处理可以显著提高钢的综合机械性能，延长机器零件的使用寿命，而转轴一般采用调质处理。本节针对电机转轴的热处理工艺-调质进行讨论。

2.1 热处理缺陷

调质也是特殊过程之一，其对设备、环境、人员技能及经验要求都是较高的。它包含淬火和高温回火，每个环节都会影响到最终的产品质量。

2.1.1过热。过热是工件淬火加热时，由于温度过高和保温时间过长造成奥氏体晶粒粗大的缺陷。过热在淬火后得到粗大马氏体组织，易于引起淬火裂纹。因此淬火过热的转轴强度和韧性明显降低，易于产生脆性断裂。

2.1.2 氧化和脱碳。淬火加热时，转轴与周围加热介质相互作用往往会产生氧化和脱碳等缺陷。氧化使工件尺寸减少，表面光洁度降低，并严重影响淬火冷却速度，进而使轴身出现软点或者硬度不足等新的缺陷。工件表面脱碳会降低淬火后钢的表面硬度、耐磨性，并显著降低其疲劳强度。因此，淬火加热时，在获取均匀化奥氏体组织的同时，必须尽量减少氧化和脱碳现象。

2.1.3 机械性能不达标。调质后的转轴性能指标达不到标准要求。包括强度指标（抗拉强度Rm、屈服强度Rel）、塑性指标（伸长率A、收缩率Z、冲击功Ak）。根据实际经验可能有以下几种原因：（1）试制阶段，工艺参数的调整；（2）不同冶炼炉号的原材料含碳量的变动；（3）冬夏季室温的较大反差引起淬火液冷却曲线的微量变动，以及淬火冷却液本身长期使用引起的冷却能力的变化；（4）由于每个人操作经验不同引起的控制预冷时间的变化。以上除原材料及工艺参数因素外，其他都较难可控，依靠个人经验成分较大，正所谓人是质量控制中最不稳定因素。

2.1.4 调质弯曲。转轴调质弯曲是在热处理过程中不可避免的现象，当弯曲量超过一定值时，会影响后续机械加工成型。在实际生产过程中，调直弯曲引起的缺陷甚至报废现象最为普遍，所以虽然不可避免，但还是在现有的条件下尽量减少。

2.2 解决方案

2.2.1 轻微的过热可以通过延长回火时间补救，严重的过热则需进行一次细化晶粒退火，然后再重新淬火。

2.2.2 定期检查设备、校核仪器仪表，保证淬火液温度符合要求，尤其是要保证冷却系统的循环冷却能力，这在连续工作的情况下较易出现循环能力不足，引起淬火不完全。

2.2.3 严格按照工艺文件执行操作，尤其要保证充足的回火保温时间以降低残余应力变形。对于加工余量较小，表面氧化脱碳又要求严格的产品可考虑使用真空炉加热。

2.2.4 性能指标中如果只是塑性（伸长率A、收缩率Z、冲击功Ak）不足，可通过适当提升回火温度进行重回火处理，如果是强度（抗拉强度Rm、屈服强度Rel）不足，只能返工，重新进行调质，调质次数不得超过三次。

2.2.5 降低调质弯曲可通过提高淬火液循环冷却能力。近年越来越多的热处理企业开始采用吊盘型装，就是将每根轴通过轴端的一个吊装孔按一定数量和排列吊挂在盘型吊具上，这样既能节省大量的吊具费用，降低能耗，又可以使转轴在调质工艺过程中充分且均匀淬火和回火，大幅提升产品性能质量，降低弯曲度。

3 机械加工

金属切削过程实质上就是产生切屑和形成已加工表面的过程。最具代表性的切削加工是车削、铣削、磨削及钻削，转轴类大多以车削、磨屑为主，下面文章主要介绍在加工中常见的以车削、磨屑为主的缺陷。

3.1 机加缺陷

3.1.1 表面粗糙、毛刺多，光洁度达不到要求。多与刀刃磨损，切削热，进给速度过快或积屑瘤及系统振动大有关。零件表面粗糙，会造成接触刚性低、耐磨性差，疲劳强度与耐腐蚀性下降，配合性质改变。

3.1.2 尺寸超差，尤其是在精车成型和精磨成型阶段，虽然现在大多成型工序都已实现数控操作，很少存在人为因素引起的不合格现象，但在实际生产中，也常会遇到由于机床故障、中心架偏差、刀片磨损、砂轮角度控制不准等原因造成的尺寸微量超差，这些问题不易发现，较难受人为控制，会引起批量质量问题，严重影响质量等级评定。

3.1.3 不同轴：当工件加工柱面时，由于工艺要求两次装夹后，同轴线的柱面不同部分或不同柱面加工完后的不同轴现象，主要是二次装夹时未找正回转轴中心。

3.1.4 加工长轴圆柱度超差。在实际生产中尤其是加工稍长轴的过程发现，加工出来的工件会出现一定的锥度，加工的余量越大，锥度越明显，往往会使工件的圆柱度超差，通过分析得知，产生这一现象的原因是机床主轴与机床尾座的刚度不同造成的，尾座的刚度比较弱，在加工的过程中，刀具距离尾座越近工件向后退让的距离越大，导致工件的尾端尺寸增大，造成工件的圆柱度误差。

3.2 解决方案

3.2.1 控制机械加工的主轴转速，使用较高或者较低的转速，避开产生积屑瘤的速度范围。

3.2.2 适当加大刀具前角，减小进给量、提高刀具表面刀磨质量、选用润滑性良好的切削液。

3.2.3 定期檢查设备和工装，校对基准，在生产过程中，做到检查每根转轴的每个工序所涉及的每个尺寸，加强和细化自检互检终检工作，发现误差及时纠正，使不合格现象能在本单位甚至本工序得到及时发现和纠正。

3.2.4 在精加过程中做好顶尖孔和夹位的修正，保证基准精度。这是后续精车成型和精磨成型的基础。

3.2.5 长轴圆柱度超差可以通过多次走刀，减少精加工余量的办法解决；也可以通过安装中心架来提高工件的刚度解决，但这两种方法在实际批量生产中都会降低生产效率。为了不影响机床的生产效率，作者利用了数控机床本身的特点，提出了更加有效的解决办法。具体做法是：先试切几个轴，然后测出所加工圆柱面的两端直径差，再把加工程序改成与试件锥度相反的加工锥面的程序就可解决问题。

4 其他因素

（1）产品在生产的各工序之间流转，不可避免地出现一些磕碰伤、压痕等缺陷。这些缺陷虽然微小，而且大多不影响使用，但从对产品质量负责，从对公司品牌形象影响的角度考虑，再微小的缺陷也是不被允许的。这些缺陷可通过工艺流程的合理安排，尽量减少产品的流转次数，各类工装做好防磕碰处理，流转过程中尽量轻拿轻放等预防性措施。对已经出现的小磕碰伤可人工打磨擦拭干净。

（2） 标识也是转轴质量的一个非常重要的环节，在不断深化的精益生产过程中，标识的流转打印都显得越来越重要，它是每根转轴的身份证，具有唯一性，可识别性，可追溯性。根据实际经验，要实现每根轴一个标识卡，成品转轴实现轴端钢印标识，标识卡等控制文件保存十年以上等，以此实现产品质量可控可追溯的目的。

（3）如今的各大生产企业为了降低生产成本，减少不必要的库存浪费，都会采用拉动式生产管理。这种管理方式要求按订单生产，在实际生产中，往往由于订单数量增多、生产周期的缩短，导致对转轴这种生产中包含了多种特殊过程的产品没有充足自然时效时间，影响内部应力的释放。在实际生产中也多次发现转子已经装配好后出现弯曲的现象，影响整个电机的装配质量。这与生产周期的缩短是有冲突之处的。所以我们必须保证生产周期的合理性，不然只能增加去应力回火工序，通过人工时效减少内应力以降低弯曲，这也势必会造成生产成本的增加。

5 结束语

转轴的生产在技术和工艺越来越成熟的今天，对细节的把控显得越来越重要。2014年在对我公司生产的某内燃机车和某动车电机用的两种转轴的生产统计发现，全年造成的各类缺陷遍布锻造机加热处理等各个工序。其中原因包括材料缺陷、工艺试制时的调整、人为因素、设备及工具工装等问题。除去原材料缺陷，大多因素都是可控可避免的。所以转轴的精益生产不只是依靠先进的设计理念和生产技术，不只是提升工艺水平和设备能力等，还要有更创新的管理理念和持续的改进机制，要有每个人对工作执着的信念和对自身素养不断的追求。在我们主要靠人生产的现阶段，离像德国那样的高自动化生产还有很长的一段路要走。

参考文献

[1]锻造学[Z].

[2]金属热处理[Z].

[3]机械加工手册[Z].