For at imødekomme kravet om høj-effektiv bearbejdning af C-EPS snekkegearprofiler med høj-høj-høj grad, undersøger denne undersøgelse systematisk vigtige tekniske aspekter-såsom procesvalg, fræseoptimering og slibestyring-for at bestemme det optimale bearbejdningsskema. Der foreslås forbedringer på tværs af flere områder: udstyrsvalg, arbejdsholdingsmetoder, skæreværktøjsparametre, kølesystemer og procesparametre. Specifikke løsninger omfatter forbedring af stivheden af høj-præcisions CNC-hvirvelmaskiner, optimering af effektiviteten gennem hydraulisk fastspænding og automatiseret lastning/aflæsning, design af parametre for ultra-fint coated hårdmetalværktøj og styring af-højtryksluft{10}}tågeafkølings- og profilslibeprocesser. Den optimerede proces sikrer stabil IT7-grade nøjagtighed for snekkeprofilen, forbedrer overfladekvaliteten og bearbejdningseffektiviteten væsentligt og reducerer produktionsomkostningerne væsentligt.
1
Indledning
Elektriske servostyringssystemer -type (C-EPS) bruges i vid udstrækning i passagerkøretøjer lige fra klasse A0 til klasse B på grund af deres kompakte struktur og overskuelige omkostninger. Den evolvente orm (se figur 1) tjener som kernemoment-transmitterende komponent i C-EPS; hvis tandprofilfejlen overstiger 0,01 mm, vil der sandsynligvis opstå problemer såsom styreforsinkelse eller unormal støj [1]. Som følge heraf kræver bearbejdningsprocessen streng IT7-præcision, samtidig med at den opfylder effektivitetskravene til masseproduktion.
Billede
Figur 1: Involut orm
Nuværende snekkebearbejdningsprocesser står over for tre store udfordringer: ① Traditionelle drejnings- og slibeprocesser lider under lav effektivitet, hvor output på enkelt-skift falder til under 500 enheder. ② Hobbing og valseprocesser giver dårlig profilkonsistens; Nøjagtigheden afhænger i høj grad af kogepladens præcision, og fejludsving når ±0,02 mm, når værktøjet slides. ③ Konventionelle fræseprocesser opfylder ikke kravene til overfladekvalitet, hvilket resulterer i overfladeruhed (Ra) værdier på 1,6 μm eller højere. Udvikling af en C-EPS-snekkebearbejdningsteknologi, der balancerer høj præcision med høj effektivitet, er af væsentlig praktisk betydning for at forbedre markedskonkurrenceevnen for C-EPS-produkter.
2
Aktuel forskningstilstand (indenlandsk og international)
Internationalt er indsatsen for at forbedre snekkebearbejdningspræcisionen ofte afhængig af-avanceret udstyr-såsom CNC-snekkeslibemaskinen udviklet af det tyske firma KAPP. Ved at bruge termisk fejlkompensationsteknologi kontrollerer dette udstyr kumulative helixfejl til inden for 0,005 mm; men prisen pr. enhed overstiger 8 millioner RMB, hvilket skaber en ekstrem høj adgangsbarriere. Indenlandsk forskning har primært fokuseret på procesoptimering; mens nogle bilproducenter bruger en hobbing-plus-proces til masseproduktion af orme, når bearbejdningsnøjagtigheden kun IT8-graden og opfylder ikke kravene til high-bilmodeller.
Eksisterende forskning har endnu ikke etableret en integreret bearbejdningsløsning, der kombinerer høj-effektiv skrubbearbejdning med høj-bearbejdning. Baseret på en kombineret proces med hvirvling og formslibning konstruerer dette papir et omfattende optimeringssystem-som omfatter udstyr, skæreværktøjer og procesparametre-for at bygge bro mellem høj-effektiv og høj-præcisionsbearbejdningsteknologi til C-EPS-orme.
3
Valg af bearbejdningsproces for ormetandprofil
3.1 Sammenligning af processkemaer
En kvantitativ sammenligning blev udført mellem tre mainstream-processer til bearbejdning af snekketandprofiler: drejning plus slibning, hobbing plus valsning og fræsning (hvirvling) plus slibning. Sammenligningen evaluerede kerneindikatorer-såsom overfladeruhed, nøjagtighedsgrad og tandprofilkonsistens-såvel som produktionsmålinger som bearbejdningseffektivitet og omstillingstid. Tabel 1 sammenligner kerneindikatorerne for de forskellige processer, mens tabel 2 sammenligner deres effektivitet.
Tabel 1 Sammenligning af kerneindikatorer for forskellige processer
[Billede]
Bemærk: Data afledt af faktiske målinger på en bilproducents produktionslinje; prøvestørrelse n=500.
Tabel 2 Sammenligning af effektivitet for forskellige processer
[Billede]
Bemærk: Enkelt-skift output er baseret på målinger af en φ30 mm × 120 mm orm; udstyr har en enkelt-spindelkonfiguration.
3.2 Bestemmelse af den optimale proces
Som vist i tabel 1 og 2 overgår fræse--plus-slibningsprocessen (hvirvling til skrub-/halvslibning efterfulgt af færdigslibning) betydeligt bedre end de andre skemaer i både kernebearbejdningsindikatorer og produktionseffektivitet. Desuden eliminerer det behovet for en dedikeret kogemaskineproces, hvilket reducerer bearbejdningsomkostningerne med cirka 40 %. Derfor fokuserer dette papir på denne proces for yderligere-dybdegående forskning.
4
Optimering af ormefræsning
Fræsning fungerer som skrub- og semi-bearbejdningsstadiet for ormen; dens bearbejdningsnøjagtighed og effektivitet bestemmer direkte referencekvaliteten og produktionscyklustiden for den efterfølgende færdigslibeproces. Denne undersøgelse udfører optimeringsdesign på tværs af fem aspekter: udstyrsvalg, arbejdsholdemetoder, skæreværktøjsparametre, kølesystemer og procesparametre. 4.1 udstyrsvalg og stivhedsforbedring
(1) Valg af høj-præcisions-CNC-hvirvelmaskine: For at opfylde IT7-præcisionskravene blev der valgt en CNC-hvirvelmaskine udstyret med høj-fremførings- og spindelsystemer. De vigtigste tekniske specifikationer er som følger:
1) Fødesystem: Opløsning Mindre end eller lig med 0,0001 mm; fuld-positioneringsnøjagtighed på ±0,002 mm.
2) Spindelsystem: Radial udløb Mindre end eller lig med 0,001 mm; aksial udløb Mindre end eller lig med 0,0005 mm; rotationshastighedsstabilitet på ±5 r/min.
Eksperimentelle data indikerer, at når værktøjsmaskinens positioneringsnøjagtighed blev forbedret fra ±0,01 mm til ±0,002 mm, faldt den kumulative fejl af snekkespiralen fra 0,025 mm til 0,008 mm, hvilket repræsenterer en direkte forbedring i bearbejdningspræcision med to grader.
(2) Strategi for forbedring af maskinværktøjsstivhed: Utilstrækkelig maskinværktøjsstivhed har en tendens til at fremkalde skærevibrationer, hvilket forårsager en stigning på over 30 % i sporingsfejl i ormetand. Værktøjsmaskinens stivhed kan forbedres gennem følgende to foranstaltninger:
1) Fundamentforankring: En værktøjsmaskinebase med en tykkelse større end eller lig med 500 mm støbes med C30-beton og stift forbundet med gulvet via M30 ekspansionsbolte; basens planhed holdes inden for 0,02 mm/m.
2) Strukturel optimering: En låsemekanisme af kiletype- anvendes ved forbindelsen mellem værktøjsstøtten og maskinlejet, hvilket øger kontaktarealet med 40 % og hæver maskinens statiske stivhed til 250 N/μm.
4.2 Optimering af fastspænding og læsse/tømningsmetoder
(1) Præcisionskontrol af hydraulisk fastspænding: Traditionel manuel fastspænding resulterer i aksiale positioneringsfejl på op til ±0,1 mm, hvilket forårsager betydelige udsving i den aksiale positionsnøjagtighed af snekketandprofilen. Ved at bruge en hydraulisk selv-centrerende borepatron med en spændekraft på 5–8 kN-sammen med et ende-positioneringsdatum og en aksial trykring- kontrolleres spændepositioneringsfejlen inden for ±0,03 mm. Dette forbedrer snekkens aksiale positionsnøjagtighed tredobbelt, hvilket giver et stabilt bearbejdningsdatum for efterfølgende finish{11}}slibeprocesser. (2) Effektivitetsforbedring gennem automatiseret lastning og losning: En truss-robot blev vedtaget til at erstatte manuelt arbejde til automatiseret lastning og losning af snekkeaksler [2]. Spændetiden blev reduceret fra 20 s/styk til 5 s/styk, udstyrsudnyttelsen steg fra 65 % til 90 %, og enkeltskifts output steg med over 300 styk.
4.3 Skæreværktøjsparameterdesign og slidkontrol
Legeret stål af høj-kvalitet blev valgt som råmateriale til C-EPS-snekkeakslen, hvilket opnåede en hårdhed på 28-32 HRC efter bratkøling og anløbning [3]. Baseret på materialets egenskaber omhandlede designprocessen valg af værktøjsmateriale, geometrisk parameteroptimering og slidkontrol under installationen.
(1) Valg af værktøjsmateriale: En sammenligning af skæreydelsen af høj-hastighedsstål (W18Cr4V), standard cementeret hårdmetal (WC-Co) og ultrafin-kornet coated carbid (YBG-serien) [4] er vist i tabel 3. YBG ultrafine coated carbide blev valgt som ultimativt coated carbigra.
Tabel 3 Sammenligning af skæreydelse for forskellige værktøjsmaterialer
[Billede]
Bemærk: Skæreforholdene var en tilspændingshastighed på 0,15 mm/r og en skæredybde på 1,2 mm.
Værktøjet har et WC-Co-substrat tilsat niobium (Nb) og en 3-5 μm tyk TiAlN nano-belægning. Belægningens hårdhed når 3200 HV, og den varme hårdhed forbliver stabil op til 800 grader, hvilket opfylder proceskravene til høj-skæring.
(2) Værktøjsgeometriske parameteroptimering: Baseret på de evolvente tandprofilkarakteristika for snekkeakslen,
specialiserede geometriske parametre blev designet til råfræseren (ZA-type formfræser) og finishfræseren (ZI-type formfræser) (se tabel 4), der balancerer skærekræfter, skærekantstyrke og bearbejdet overfladekvalitet.
Tabel 4 Design af specialiserede værktøjs geometriske parametre
[Billede]
(3) Værktøjsinstallation og slidovervågning: Værktøjsinstallation og slidovervågning skal overholde følgende tekniske krav. 1) Kutterhovedkonfiguration: Der anvendes et præcisionsskærehoved med en dynamisk balancegrad på G2,5. Som vist i figur 2 har skærehovedet seks monteringspositioner arrangeret til at veksle mellem tre ru-fræsere og tre finish-fræsere. De rå-fræsere strækker sig 0,12-0,20 mm længere end{11}}finishfræserne, hvilket gør det muligt at fuldføre både ru- og halvfinishbearbejdning i en enkelt arbejdsgang.
Billede
Figur 2: Skematisk installation af skærehoved
2) Tilpasning af spiralvinkel: Kutterhovedet vippes og drejes for at justere skærets skruevinkel med snekkens forspringsvinkel ( ). Formlen til beregning af ledningsvinklen er:
tan=Pz / (πd1) (1)
Hvor er ledningsvinklen ( grad ), Pz er den aksiale ledning (mm), og d er stigningscirkeldiameteren (mm).
3) Slidovervågning: Et ormeinspektionsinstrument bruges til at overvåge tandprofilfejl i realtid. Fræsere udskiftes omgående, når sliddet når 0,005 mm; skærene kan genbruges tre eller fire gange efter genslibning.
4.4 Optimering af kølesystem og procesparametre
(1) Høj-luft--tågekøledesign: Skærehastigheden for hvirvelfræsning når 260-360 m/min, med temperaturer i skærezonen, der stiger til 600-800 grader. Der anvendes et høj-luft--tågekølesystem [5], der arbejder ved 0,80-1,38 MPa. Kølemediet består af en blanding af 5 % ekstrem-trykemulsion og trykluft, leveret via fire symmetrisk arrangerede blæserformede-dyser (1,5 mm diameter) for direkte at skylle skærezonen. Dette system forbedrer køleeffektiviteten med 60 % sammenlignet med traditionel oversvømmelseskøling og reducerer mængden af spånerester til under 0,5 %.
(2) Fræseparameteroptimering: Den ortogonale testmetode bruges til at bestemme den optimale kombination af procesparametre for snekkefræsning, balancering af bearbejdningseffektivitet med bearbejdningskvalitet. 1) Skæringsdybde: Den samlede spåndybde for tandhjulsfræsning beregnes ud fra den fulde tandhøjde, *h*:
*h*=[(d1 + 2mx) - (d1 - 2.4mx)] / 2 (2)
Hvor *h* er den fulde tandhøjde (mm), der repræsenterer den samlede skæredybde; *d1* er tandhjulets cirkeldiameter (mm); *m* er det aksiale modul (mm); faktoren 2 i "2m" svarer til addendumskoefficienten (standardtillæg er 1*m*, så begge sider i alt 2*m**x*); og 2,4 er den dedendum-relaterede koefficient (standard dedendum er 1,2*m*, så begge sider i alt 2,4*m*).
2) Tilspændingshastighed: Tilspændingen er 0,13–0,20 mm/r, justeret dynamisk baseret på materialets hårdhed.
3) Rotationshastighed: Arbejdsstykkets spindelhastighed er 12–18 r/min, og skærehovedets hastighed er 6000–8000 r/min (lineær skærehastighed på 300–400 m/min).
4) Tillæg for færdigslibning: Tillægget er 0,5–0,7 mm, hvilket afbalancerer slibeeffektiviteten med den endelige bearbejdningsnøjagtighed.
Ved at bruge parametrene ovenfor når produktionscyklustiden for en enkelt hvirvelmaskine 90-105 stykker/t; snekkens overfladeruhed (Ra) efter fræsning er 0,8-1,2 μm, og tandprofilfejlen er ±0,004 mm [6].
5
Kontrol af ormetandprofilslibning
Slibning er efterbehandlingsprocessen for C-EPS-ormen og bestemmer direkte den endelige bearbejdningsnøjagtighed. Denne undersøgelse implementerer proceskontrol vedrørende slibeudstyr/slibeskivevalg og slibeparametre/kølekontrol for at sikre, at ormens nøjagtighed konsekvent opfylder IT7-kvaliteten.
5.1 Valg af slibeudstyr og slibeskiver
Der er valgt en CNC-slibemaskine med en automatisk tand-justeringsfunktion; maskinens positioneringsnøjagtighed er ±0,001 mm. En formslibemetode [7] anvendes ved at bruge en CNC-kommode til at klæde slibeskiven til en evolvent form, der matcher ormen, og derved sikre ensartethed i tandprofilbearbejdning. Der vælges en hvid smeltet aluminiumoxid (WA) slibeskive med en hårdhed på H5, en kornstørrelse på F80 og en harpiksbinding (som giver fremragende slagfasthed); hjuldiameteren er 405 mm, og den lineære driftshastighed er 45 m/s. Hvide smeltede aluminiumoxidskiver har gode selv-slibende egenskaber og minimerer effektivt slibevarmegenerering-frembringer mindre varme end siliciumcarbidskiver-og derved forhindrer slibeforbrændinger på emnet.
5.2 Slibeparametre og kølekontrol
(1) Slibeprocesparametre: Baseret på referencedatumet fastsat efter snekkefræsning og de endelige præcisionskrav blev de optimale slibeparametre bestemt som følger:
1) Rotationshastighed: Arbejdsstykkets spindelhastighed er 5–8 r/min; slibeskivehastigheden er 1800–2000 r/min (hjulets lineære hastighed er 2289–2543 m/min).
2) Tilspændingshastighed: Tilspænding til grovslibning er 180–200 mm/min; tilspændingshastighed for færdigslibning er 50–80 mm/min.
3) Hjulbehandlingscyklus: Slibeskiven behandles efter hver 5-8 snekke for at sikre nøjagtigheden af hjulprofilen.
(2) Slibekølekontrol: Ekstremt-skæringsolie med en viskositet på 20–30 mm²/s ved 40 grader bruges som kølemedium. Tvungen afkøling opnås via en 2 MPa høj-højtrykspumpe med en flowhastighed på større end eller lig med 50 l/min [7]. Dette sikrer tilstrækkelig afkøling af slibezonen og fjerner effektivt slibespåner, hvilket forhindrer tilstopning af slibende korn, der kan kompromittere bearbejdningskvaliteten.
5.3 Verifikation af sliberesultater
Inspektion ved hjælp af en høj-nøjagtig snekketester bekræfter, at snekke, der er bearbejdet med den optimerede form-slibeproces, opnår en stabil tandprofilnøjagtighed af IT7-kvalitet, en overfladeruhed (Ra) på 0,2-0,4 μm og en tandjusteringsfejl på mindre end eller lig med 0,008 mm. Produktionscyklustiden er 60-72 stykker/time, hvilket opfylder proceskravene til masseproduktion af C-EPS-orme. Forbindingsprofilen og profilfastholdelsen af slibeskiven er kritiske kontrolpunkter i slibningsprocessen; enhver afvigelse i hjulprofilen fører direkte til for store fejl i snekkens ledning og tandprofil. Derfor skal hjulafdækning og inspektion udføres strengt i overensstemmelse med proceskravene.
6
Konklusion
Dette papir etablerer et høj-effektivt,-fremstillingsteknologisystem med høj præcision for C-EPS-orme gennem optimering af processer og multi-dimensionelle parametre, hvilket giver følgende vigtige forskningsresultater:
1) Kombinationen af hvirvling (til skrub/halv-bearbejdning) og formslibning (til efterbehandling) blev identificeret som den optimale fremstillingsproces for C-EPS-orme. Sammenlignet med traditionelle dreje- og slibemetoder øger denne tilgang effektiviteten med 10-13 gange, opnår IT7-bearbejdningsnøjagtighed og reducerer produktionsomkostningerne med cirka 40 %.
2) Et skema til forbedring af stivheden og en hydraulisk fastspændingsstrategi for CNC-hvirvelmaskiner med høj-præcision blev foreslået; disse foranstaltninger øgede værktøjsmaskinens statiske stivhed til 250 N/μm og reducerede fastspændingspositioneringsfejl fra ±0,1 mm til ±0,03 mm.
3) YBG ultra-finbelagt hårdmetalværktøj (velegnet til snekke af legeret stål) og et højt-tryk (0,80-1,38 MPa) luft-tågekølesystem blev udviklet, hvilket muliggør skæring med høj-hastighed ved 300-400 m/min. til 0,8 μm.
4) Formslibningsprocessens parametre blev optimeret, idet der blev etableret et hjulbehandlingsinterval på 5-8 dele. Efter-slibningsoverfladeruhed blev reduceret til Ra 0,2-0,4 μm, og blyfejl blev holdt på Mindre end eller lig med 0,008 mm, hvilket opfylder kravene til nøjagtighed og stabilitet for masseproduktion.
Fremtidig forskning kunne integrere kunstig intelligens-teknologier for at realisere intelligent fremstilling til C-EPS-orme: ved at bruge machine vision-systemer til at overvåge værktøjsslid i realtid og deep learning-modeller til dynamisk at justere skæreparametre; og udvikling af termiske fejlkompensationsalgoritmer til værktøjsmaskiner for yderligere at forbedre snekkeslibningsnøjagtigheden til IT6-kvalitet. Disse fremskridt ville give teknisk support til R&D og produktion af high-C-EPS-produkter og udvide deres markedsapplikationer.
