汽車花鍵軸零件的生產(chǎn)工藝綜述

趙升噸，李泳嶧，范淑琴，孫振宇，張 琦

（西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

汽車花鍵軸零件的生產(chǎn)工藝綜述

趙升噸，李泳嶧，范淑琴，孫振宇，張 琦

（西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

簡(jiǎn)述了花鍵聯(lián)接的特點(diǎn)、花鍵軸零件在汽車底盤中的安裝部位及其在汽車工業(yè)中的重要性。根據(jù)2008～2011年我國汽車總產(chǎn)銷量分析了汽車花鍵軸零件的需求狀況。分析了目前我國汽車花鍵軸零件的生產(chǎn)工藝及供貨方式，指出強(qiáng)化我國汽車花鍵軸零件的高效、精密、節(jié)材工藝及設(shè)備研發(fā)的必要性，以及專業(yè)化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、批量化生產(chǎn)汽車花鍵軸零件的迫切性。

機(jī)械制造；花鍵軸；生產(chǎn)工藝；綜述；汽車

1 引言

汽車工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中起著舉足輕重的作用，汽車也是人們?nèi)粘３鲂兄匾慕煌üぞ?，與人們生活息息相關(guān)。汽車花鍵軸零件作為汽車整體組成中不可或缺的零件之一，其供求狀況直接決定著汽車工業(yè)的生產(chǎn)能力及發(fā)展水平。

本文首先簡(jiǎn)述了汽車的整體組成以及花鍵聯(lián)接的特點(diǎn)，明確了花鍵軸零件在汽車底盤中的安裝部位以及對(duì)汽車正常工作的重要性。其次簡(jiǎn)單分析了我國2008～2011年我國汽車產(chǎn)銷情況，并根據(jù)2011年我國汽車的產(chǎn)量指出我國2011年汽車用花鍵軸零件的需求量達(dá)55000萬件左右。最后分析了目前我國汽車花鍵軸零件的生產(chǎn)工藝，并基于四大汽車集團(tuán)（上汽、一汽、東風(fēng)、長安）簡(jiǎn)要分析了目前我國汽車花鍵軸零件兩種供貨方式的優(yōu)缺點(diǎn)，指出汽車花鍵軸零件生產(chǎn)方式的發(fā)展方向：高效、精密、節(jié)材以及專業(yè)化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、批量化。

2 汽車花鍵軸零件介紹

汽車從總體組成上包括四大部分：發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、車身、電氣設(shè)備[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的動(dòng)力裝置，作用是使燃料經(jīng)燃燒轉(zhuǎn)化為汽車的動(dòng)能。底盤是汽車的骨架，用來支承車身，接受發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，保證汽車的正常行駛。底盤又可分為傳動(dòng)系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)。車身是形成駕駛員和乘客乘坐空間和裝載貨物的裝置。電氣設(shè)備包括電源、發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)以及汽車照明等用電設(shè)備[2][3]。

花鍵軸是機(jī)械系統(tǒng)中用來傳遞軸與軸之間運(yùn)動(dòng)和扭矩的零件，花鍵聯(lián)接由軸上的外花鍵和轂孔的內(nèi)花鍵組成，如圖1所示?；ㄦI聯(lián)接作為一種聯(lián)接強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高的聯(lián)接方式，廣泛應(yīng)用在航天航空、汽車、拖拉機(jī)、船舶、機(jī)床、工程機(jī)械等領(lǐng)域?；ㄦI按照齒形的不同可分為矩形花鍵和漸開線花鍵兩大類。矩形花鍵特點(diǎn)為多齒工作、承載能力高、對(duì)中性好、導(dǎo)向性好、應(yīng)力集中小、軸與轂強(qiáng)度削弱小，加工方便；漸開線花鍵特點(diǎn)是齒廓為漸開線，受載時(shí)齒上有徑向力，能起自動(dòng)定心作用，使各齒受力均勻，強(qiáng)度高，壽命長，加工工藝與齒輪相同，易獲得較高精度和互換性[4][5]，適用于載荷較大、定心要求精度高的場(chǎng)合。

由于花鍵聯(lián)接具有諸多優(yōu)點(diǎn)，花鍵軸零件被廣泛應(yīng)用在汽車工業(yè)中，主要在汽車整體組成中的底盤部分上，用來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)、變速、轉(zhuǎn)向等功能。如圖2所示，其中圈出的部位為花鍵軸零件的安裝位置。

例如：傳動(dòng)系統(tǒng)中，離合器、變速器、萬向傳動(dòng)裝置、差速器等都含有花鍵軸零件；在行駛系統(tǒng)中的前橋、后橋和驅(qū)動(dòng)橋中含有花鍵軸零件；在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向柱、制動(dòng)器等也都含有花鍵軸零件[1－3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在一輛中型卡車上含花鍵軸零件30件左右，其中典型的花鍵軸零件有差速器半軸、萬向節(jié)軸叉、轉(zhuǎn)向柱、變速器輸出軸等，如圖3所示。

以一輛中型卡車（東風(fēng)EQ140型）為例，在其汽車整體組成中花鍵軸零件的使用如下：在中間傳動(dòng)軸花鍵軸、主動(dòng)錐齒輪花鍵、后橋半軸花鍵和差速器半軸齒輪花鍵等位置通常使用漸開線花鍵，模數(shù)取2.5居多，齒數(shù)取18、20居多，材料則有40MnB15、20MnVB等。在第一軸花鍵、離合器盤轂花鍵、第二軸花鍵、傳動(dòng)軸花鍵、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸花鍵、萬向節(jié)滑動(dòng)叉花鍵、制動(dòng)凸輪花鍵等位置通常使用矩形花鍵，齒數(shù)從6到20不等，而材料則選用40MnB45、18Cr－MvTi、45等。此外，三角花鍵也有一定的采用，如在轉(zhuǎn)向搖臂軸花鍵、轉(zhuǎn)向軸花鍵等[6]。

由此可見，花鍵軸零件在汽車構(gòu)造上的應(yīng)用極其廣泛，并且在很多場(chǎng)合起著不可或缺的作用。可以說，汽車花鍵軸零件的生產(chǎn)制造能力直接影響著汽車工業(yè)的生產(chǎn)能力和發(fā)展水平。

3 中國汽車需求量分析

在我國，宏觀經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定、國家出臺(tái)的“汽車下鄉(xiāng)”、“小排量乘用車購置稅優(yōu)惠”、居民收入消費(fèi)水平的提高等多種因素保證了汽車市場(chǎng)的持續(xù)繁榮。但隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，環(huán)境、交通等方面的問題日益突出，汽車工業(yè)也出現(xiàn)了一些新的變化，例如國家的總量刺激政策逐漸向調(diào)控和結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)能和新能源汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)入實(shí)際操作階段、汽車消費(fèi)成本不斷上升、汽車市場(chǎng)在在城市地區(qū)的消費(fèi)能力逐漸飽滿，進(jìn)入了普及期，汽車需求重心將逐漸轉(zhuǎn)向二、三線城市。

從表1可以看出，2008～2011年間，中國汽車的總產(chǎn)銷量幾乎呈現(xiàn)出直線增長的規(guī)律?？梢哉f，中國汽車工業(yè)正處在全盛時(shí)期，并且將持續(xù)5～10年，每年的汽車產(chǎn)銷總量將基本維持在2000萬輛左右。汽車工業(yè)的快速發(fā)展以及汽車的龐大需求量對(duì)汽車零

表1 2008～2011年中國汽車產(chǎn)銷情況（萬輛）

部件的需求量及使用要求也將不斷提高。

4 中國汽車花鍵軸零件需求分析

按照2011年中國汽車總產(chǎn)量1841.89萬輛、每輛汽車上花鍵軸零件30件計(jì)算，忽略汽車用花鍵軸零件使用折舊方面的需求量，2011年中國汽車用花鍵軸零件數(shù)量可達(dá)55000萬件。并且在未來的5～10年內(nèi)，中國汽車工業(yè)對(duì)花鍵軸零件的需求量仍然十分龐大，基本維持在60000萬件左右。這對(duì)于目前中國汽車工業(yè)中花鍵軸零件生產(chǎn)能力提出了新的挑戰(zhàn)。

5 我國汽車花鍵軸零件生產(chǎn)工藝及供貨方式分析

目前，花鍵軸零件的生產(chǎn)工藝主要有傳統(tǒng)的切削加工工藝和塑性成形工藝兩種方式[8]。切削加工工藝可分為仿形法和展成法兩種。仿形法是利用與花鍵軸齒廓曲線相同的成形刀具在機(jī)床上直接切出齒槽而成形花鍵軸零件。通常在臥式銑床或?qū)Ｓ没ㄦI軸零件銑床上完成，刀具通用性差，生產(chǎn)效率低，加工精度達(dá)6～7級(jí)，適合單件小批量生產(chǎn)。展成法分為插齒和滾齒兩種，在插齒加工花鍵軸零件工藝中，需使用專用的與花鍵軸齒廓相同的插齒刀完成花鍵軸零件的加工，生產(chǎn)效率低，加工精度達(dá)6～7級(jí)；而在滾齒加工花鍵軸零件工藝中，滾齒刀具的軸向截面齒廓為精確的直線齒廓，刀具在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)相當(dāng)于齒條在移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)花鍵軸零件的連續(xù)切削?；ㄦI軸的展成法生產(chǎn)需在專用的插齒機(jī)或滾齒機(jī)上完成，生產(chǎn)效率高，加工精度達(dá)6～7級(jí)，適合大批量生產(chǎn)，但設(shè)備成本較高。

汽車花鍵軸零件的塑性成形工藝?yán)昧私饘僭诔叵戮哂幸欢ㄋ苄缘奶攸c(diǎn)，在模具的作用下使毛坯產(chǎn)生塑性變形而形成漸開線花鍵軸。根據(jù)成形原理的不同可分為擠壓、滾軋、滾打等[8－11]。

花鍵軸零件的擠壓工藝較為常見。毛坯在壓力機(jī)作用下通過具有與花鍵軸零件參數(shù)相同的內(nèi)花鍵模具，毛坯在軸向送進(jìn)的同時(shí)在徑向逐漸發(fā)生塑性變形，從而在毛坯表層擠壓出花鍵結(jié)構(gòu)。擠壓生產(chǎn)方式機(jī)床簡(jiǎn)單，但模具容易磨損，僅適于加工齒數(shù)和模數(shù)較小的花鍵軸零件，不能加工細(xì)長類花鍵零件，生產(chǎn)效率較高，成形花鍵軸零件表面質(zhì)量可達(dá)Ra0.8，抗彎扭能力強(qiáng)。

花鍵軸零件的滾軋工藝中，滾軋模具在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)壓入毛坯，使毛坯表層金屬產(chǎn)生塑性變形，從而形成花鍵軸零件的齒廓結(jié)構(gòu)?？煞譃辇X輪形模具滾軋和齒條形模具滾軋兩種。滾軋生產(chǎn)方式需專用機(jī)床，設(shè)備成本高，可加工小模數(shù)、階梯類花鍵軸零件，生產(chǎn)效率高，成形花鍵軸零件表面質(zhì)量可達(dá)Ra0.4～1.6，使用性能好。如法國Escofier公司的Flex 40 syncroll型號(hào)的花鍵軸滾軋機(jī)，加工毛坯直徑可達(dá)130mm，最大模數(shù)可達(dá)2.5，加工長度可達(dá)400mm，滾軋時(shí)間為6～12s。

花鍵軸的滾打工藝中，用一對(duì)與花鍵軸零件齒廓一致的滾輪作為模具，滾輪在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)打擊工件，使工件產(chǎn)生塑性變形而成形花鍵結(jié)構(gòu)。滾打生產(chǎn)方式需專用機(jī)床，且滾輪制作困難，可加工大模數(shù)花鍵軸零件，但不能加工階梯類花鍵軸零件，生產(chǎn)效率比切削生產(chǎn)方式高，但略低于擠壓及滾軋生產(chǎn)方式，成形花鍵軸零件表面質(zhì)量可達(dá)Ra0.4～0.8，使用性能好。如瑞士GROB公司的ZRMe12花鍵冷滾打機(jī)，加工毛坯直徑可達(dá)340mm，加工長度可達(dá)1000mm。

可見，花鍵軸零件的塑性成形生產(chǎn)方式較切削加工具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高、產(chǎn)品使用性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，符合汽車輕量化的生產(chǎn)目標(biāo)，將會(huì)逐漸取代傳統(tǒng)的切削方式，成為汽車花鍵軸零件的主要生產(chǎn)方式。但從以上花鍵軸零件在汽車整體組成中的應(yīng)用情況可以看出，花鍵軸零件種類多，且花鍵軸零件的生產(chǎn)工藝中多需用專用的切削或成形設(shè)備，生產(chǎn)成本高，因而目前基本沒有任何一家汽車企業(yè)擁有生產(chǎn)所有汽車花鍵軸零件的設(shè)備。

隨著經(jīng)濟(jì)全球化和生產(chǎn)全球化的迅猛發(fā)展，很多企業(yè)的生產(chǎn)組織形式都一定程度上受到了影響。生產(chǎn)全球化的生產(chǎn)組織模式有以下優(yōu)點(diǎn)：加強(qiáng)企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，提高企業(yè)靈活性和抗風(fēng)險(xiǎn)能力，降低市場(chǎng)交易成本[12]。目前，中國汽車工業(yè)中花鍵軸零件的供貨方式主要有兩種，一是汽車企業(yè)自主生產(chǎn)供貨，二是由專門的汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)供貨。第一種供貨方式計(jì)劃性強(qiáng)，但生產(chǎn)成本大，生產(chǎn)周期長，通常存在于一些傳統(tǒng)的汽車企業(yè)；第二種供貨方式雖計(jì)劃性差，但生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)周期短，且生產(chǎn)靈活性強(qiáng)，通常存在于合資類汽車企業(yè)。結(jié)合2008～2011年中國汽車企業(yè)銷量排名分析，前4位均由上汽、一汽、東風(fēng)、長安四大汽車集團(tuán)占據(jù)，而這四大汽車集團(tuán)均為合資企業(yè)，自主企業(yè)中奇瑞、比亞迪、江淮、吉利等位列7～10位[7]。在這四大汽車集團(tuán)中，上汽主要從事乘用車、商用車和汽車零部件的生產(chǎn)、銷售、開發(fā)、投資及相關(guān)的汽車服務(wù)貿(mào)易和金融業(yè)務(wù)。一汽主營業(yè)務(wù)板塊按領(lǐng)域劃分為研發(fā)、乘用車、商用車、毛坯零部件、輔助和衍生經(jīng)濟(jì)等六大體系。東風(fēng)主營業(yè)務(wù)包括全系列商用車、乘用車、發(fā)動(dòng)機(jī)及汽車零部件等。長安主營業(yè)務(wù)包括長安牌微型汽車、長安鈴木、長安福特馬自達(dá)汽車的開發(fā)、制造和銷售，同時(shí)制造和銷售用于微型汽車系列產(chǎn)品的各種型號(hào)的江陵牌發(fā)動(dòng)機(jī)。

從四大汽車集團(tuán)的主營業(yè)務(wù)可以看出，這些大型汽車集團(tuán)都從事汽車零部件生產(chǎn)業(yè)務(wù)，具有一定的汽車零部件生產(chǎn)能力，也即屬于汽車花鍵軸零件自主生產(chǎn)供貨范疇。例如在上汽集團(tuán)，其離合器由其旗下的上海薩克斯動(dòng)力總成部件系統(tǒng)有限公司負(fù)責(zé)供應(yīng)。在一汽集團(tuán)，變速箱由其旗下的一汽解放汽車有限公司變速箱分公司負(fù)責(zé)生產(chǎn)，車橋則由一汽解放汽車有限公司車橋分公司負(fù)責(zé)供應(yīng)，而富奧汽車零部件有限公司則主要生產(chǎn)供應(yīng)汽車的轉(zhuǎn)向及傳動(dòng)系統(tǒng)。在東風(fēng)汽車集團(tuán)，其變速器由東風(fēng)汽車變速箱有限公司負(fù)責(zé)供應(yīng)，車橋總成由東風(fēng)車橋股份有限公司負(fù)責(zé)供應(yīng)，離合器由東風(fēng)汽車傳動(dòng)軸有限公司負(fù)責(zé)供應(yīng)。但是，花鍵軸零件由專門的汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)供應(yīng)的方式也同樣存在于上述四大汽車集團(tuán)中，例如上汽集團(tuán)，其轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是由上海采埃孚轉(zhuǎn)向機(jī)有限公司負(fù)責(zé)供應(yīng)，而等速萬向節(jié)傳動(dòng)軸、十字萬向節(jié)傳動(dòng)軸等零部件由上海納鐵福傳動(dòng)軸有限公司供應(yīng)?？梢?，由于汽車花鍵軸零件的生產(chǎn)特點(diǎn)以及受生產(chǎn)全球化的影響，目前中國大部分汽車企業(yè)在汽車花鍵軸零件的供貨上多采用由專門的汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)供貨的方式。

但是，目前我國專門的汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)中，存在花鍵軸零件生產(chǎn)水平參差不齊，生產(chǎn)方式多以傳統(tǒng)的切削加工為主等問題，不利于我國汽車工業(yè)零部件制造水平的提高和汽車輕量化生產(chǎn)目標(biāo)的實(shí)施。因此，強(qiáng)化我國汽車花鍵軸零件高效、精密、節(jié)材的生產(chǎn)工藝及設(shè)備研發(fā)，建立汽車零部件專業(yè)化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、批量化的生產(chǎn)方式就顯得非常必要和迫切。

6 結(jié)論

（1）由于花鍵聯(lián)接具有聯(lián)接強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，花鍵軸零件被廣泛應(yīng)用在汽車的底盤構(gòu)造中，通常每輛汽車的整體組成中約含30個(gè)左右花鍵軸零件。

（2）目前我國汽車工業(yè)處于全盛時(shí)期，并且在未來5～10年，我國汽車每年的總產(chǎn)銷量預(yù)計(jì)將維持在2000萬輛左右，對(duì)汽車花鍵軸零件的需求量達(dá)60000萬件左右，這對(duì)我國汽車工業(yè)中花鍵軸零件的生產(chǎn)能力提出了新的挑戰(zhàn)。

（3）汽車花鍵軸零件的生產(chǎn)工藝包括切削加工和塑性成形兩種。其中切削加工工藝包括銑削、插齒和滾齒，塑性成形工藝包括擠壓、滾軋和滾打等。

（4）目前我國汽車工業(yè)中大部分汽車企業(yè)在花鍵軸零件生產(chǎn)供貨方式上采用由專門的汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)供應(yīng)的方式。該方式生產(chǎn)成本低、周期短、靈活性強(qiáng)。

（5）強(qiáng)化我國汽車花鍵軸零件高效、精密、節(jié)材的生產(chǎn)工藝及設(shè)備研發(fā)，建立汽車零部件專業(yè)化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、批量化的生產(chǎn)方式對(duì)提高我國汽車零部件制造水平以及實(shí)現(xiàn)汽車輕量化生產(chǎn)非常必要和迫切。

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Overview about production process of spline shaft part for automobile

ZHAO Shengdun,LI Yongyi,FAN Shuqin,SUN Zhenyu,ZHANG Qi
（School of Mechanical Engineering,Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049,Shanxi China）

The integrated composition of automobile,characteristic of spline connection and the installation position of spline shaft part on automobile chassis have been introduced in the text.The importance of spline parts to the operation of the automobile has been put forward.The total national production&sales and the demanding of the spline parts from 2008 to 2011 have been simply described.The current production process and supply mode of automotive spline shaft part in China have been analyzed.The necessity of intensifying efficient,precise&materialsaving process and R&D of equipment has been pointed out,as well as the professional,serial,standard,and batch needs to the spline parts.

Spline shaft part;Production process;Overview;Automobile

TG376

B

1672－0121（2012）03－0074－04

2012－01－05

趙升噸（1962－），男，教授，博導(dǎo)，從事先進(jìn)材料成形技術(shù)、復(fù)雜機(jī)電液系統(tǒng)研究