Чтобы удовлетворить спрос на высоко-эффективную и-точную обработку профилей червячных передач из C-EPS, в этом исследовании систематически исследуются ключевые технические аспекты,-такие как выбор процесса, оптимизация фрезерования и контроль шлифования-, чтобы определить оптимальную схему обработки. Улучшения предлагаются в нескольких областях: выбор оборудования, методы крепления, параметры режущего инструмента, системы охлаждения и параметры процесса. Конкретные решения включают повышение жесткости-прецизионных вихревых станков с ЧПУ, оптимизацию эффективности за счет гидравлического зажима и автоматической загрузки/разгрузки, разработку параметров для твердосплавных инструментов со сверхтонким покрытием, а также управление процессами охлаждения воздухом под высоким-воздухом-туманом и профильного шлифования. Оптимизированный процесс обеспечивает стабильную точность профиля червяка на уровне IT7, значительно улучшает качество поверхности и эффективность обработки, а также существенно снижает производственные затраты.
1
Введение
Системы рулевого управления с электроусилителем-рулевого типа (C-EPS) широко используются в легковых автомобилях от класса A0 до класса B благодаря их компактной конструкции и управляемым затратам. Эвольвентный червяк (см. рисунок 1) служит основным компонентом C-EPS, передающим крутящий момент; если погрешность профиля зуба превышает 0,01 мм, могут возникнуть такие проблемы, как задержка рулевого управления или ненормальный шум [1]. Следовательно, процесс обработки требует строгой точности класса IT7, а также отвечает требованиям эффективности массового производства.
Изображение
Рисунок 1: Эвольвентный червяк
Современные процессы червячной обработки сталкиваются с тремя основными проблемами: ① Традиционные процессы токарной обработки и шлифования страдают от низкой эффективности, при этом производительность в одну-смену падает ниже 500 единиц. ② Процессы зубофрезерования и прокатки приводят к плохой стабильности профиля; Точность во многом зависит от точности фрезерной фрезы, а колебания погрешностей достигают ±0,02 мм по мере износа инструмента. ③ Обычные процессы фрезерования не соответствуют требованиям к качеству поверхности, в результате чего значения шероховатости поверхности (Ra) составляют 1,6 мкм или выше. Разработка червячной технологии обработки C-EPS, которая сочетает в себе высокую точность и высокую эффективность, имеет важное практическое значение для повышения рыночной конкурентоспособности продукции C-EPS.
2
Текущее состояние исследований (внутренних и международных)
Во всем мире усилия по повышению точности червячной обработки часто опираются на высокотехнологичное-оборудование-, такое как червячный шлифовальный станок с ЧПУ, разработанный немецкой компанией KAPP. Используя технологию компенсации тепловой ошибки, это оборудование контролирует совокупную погрешность спирали с точностью до 0,005 мм; однако стоимость единицы продукции превышает 8 миллионов юаней, что создает чрезвычайно высокий барьер для входа. Отечественные исследования в основном сосредоточены на оптимизации процессов; хотя некоторые автопроизводители используют для массового производства червяков технологию червячной обработки-плюс-обработки, точность обработки достигает лишь уровня IT8, что не соответствует требованиям, предъявляемым к моделям автомобилей высокого-класса.
Существующие исследования еще не позволили создать интегрированное решение для обработки, сочетающее в себе высокоэффективную-черновую обработку и высокоточную-чистовую обработку. В этой статье, основанной на комбинированном процессе вихревого и формового шлифования, создана комплексная система оптимизации,-включающая оборудование, режущие инструменты и параметры процесса,-чтобы заполнить пробел в высоко-эффективной и высокоточной-технологии обработки червяков из C-EPS.
3
Выбор процесса обработки профиля зуба червяка
3.1 Сравнение технологических схем
Количественное сравнение было проведено между тремя основными процессами обработки профиля зубьев червяка: точение плюс шлифование, червячная обработка плюс прокатка и фрезерование (вихревое вращение) плюс шлифование. В ходе сравнения оценивались основные показатели,-такие как шероховатость поверхности, класс точности и однородность профиля зубьев,-а также производственные показатели, такие как эффективность обработки и время переналадки. В Таблице 1 сравниваются основные показатели различных процессов, а в Таблице 2 сравнивается их эффективность.
Таблица 1. Сравнение основных показателей для различных процессов
[Изображение]
Примечание. Данные получены в результате фактических измерений на производственной линии автопроизводителя; размер выборки n=500.
Таблица 2. Сравнение эффективности различных процессов
[Изображение]
Примечание. Производительность в одну-смену основана на измерениях червяка диаметром 30 × 120 мм; оборудование имеет конфигурацию с одним-шпинделем.
3.2 Определение оптимального процесса
Как показано в таблицах 1 и 2, процесс фрезерования-плюс-шлифования (вихревое вращение для черновой/получистовой-чистовой обработки с последующим чистовым шлифованием) значительно превосходит другие схемы как по показателям обработки стержня, так и по эффективности производства. Кроме того, это устраняет необходимость в специальном червячном станке, что снижает затраты на обработку примерно на 40%. Следовательно, данная статья посвящена этому процессу для дальнейшего-углубленного исследования.
4
Оптимизация червячного фрезерования
Фрезерование служит черновой и получистовой-стадией червяка; точность и эффективность его обработки напрямую определяют эталонное качество и продолжительность производственного цикла для последующего процесса чистового шлифования. В этом исследовании проводится оптимизация проектирования по пяти аспектам: выбор оборудования, методы крепления, параметры режущего инструмента, системы охлаждения и параметры процесса.. 4.1 Выбор оборудования и повышение жесткости.
(1) Выбор высокоточного-вихревого станка с ЧПУ. Чтобы соответствовать требованиям точности IT7, был выбран вихревой станок с ЧПУ, оснащенный высокоточными-системами подачи и шпинделя. Основные технические характеристики следующие:
1) Система подачи: Разрешение меньше или равно 0,0001 мм; точность позиционирования полного-хода ±0,002 мм.
2) Шпиндельная система: Радиальное биение меньше или равно 0,001 мм; осевое биение Менее или равно 0,0005 мм; стабильность скорости вращения ±5 об/мин.
Экспериментальные данные показывают, что когда точность позиционирования станка увеличилась с ± 0,01 мм до ± 0,002 мм, совокупная ошибка спирали червяка уменьшилась с 0,025 мм до 0,008 мм, что представляет собой прямое улучшение точности обработки на два класса.
(2) Стратегия повышения жесткости станка. Недостаточная жесткость станка приводит к возникновению вибраций при резании, что приводит к увеличению ошибок следа червячных зубьев более чем на 30%. Жесткость станка можно повысить за счет следующих двух мер:
1) Анкеровка фундамента: основание станка толщиной более или равной 500 мм отливается из бетона C30 и жестко соединяется с полом с помощью дюбелей M30; ровность основания выдерживается в пределах 0,02 мм/м.
2) Оптимизация конструкции: в соединении между подручником и станиной станка используется механизм блокировки клинового- типа, увеличивающий площадь контакта на 40 % и повышающий статическую жесткость станка до 250 Н/мкм.
4.2 Оптимизация методов зажима и загрузки/разгрузки
(1) Точное управление гидравлическим зажимом. Традиционный ручной зажим приводит к ошибкам осевого позиционирования до ±0,1 мм, что приводит к значительным колебаниям точности осевого позиционирования профиля зуба червяка. Благодаря использованию гидравлического самоцентрирующегося-патрона с усилием зажима 5–8 кН-в сочетании с торцовой-базой позиционирования торца и осевым упорным кольцом-погрешность позиционирования зажима контролируется в пределах ±0,03 мм. Это повышает точность осевого позиционирования червяка в три раза, обеспечивая стабильную исходную точку обработки для последующих процессов чистового-шлифования. (2) Повышение эффективности за счет автоматической загрузки и разгрузки: ферменный робот был принят для замены ручного труда при автоматической загрузке и разгрузке червячных валов [2]. Время зажима сократилось с 20 с/штук до 5 с/штук, загрузка оборудования увеличилась с 65% до 90%, а производительность в одну-смену увеличилась более чем на 300 штук.
4.3 Определение параметров режущего инструмента и контроль износа
В качестве сырья для червячного вала C-EPS была выбрана высококачественная легированная сталь, твердость которой после закалки и отпуска достигала 28–32 HRC [3]. Основываясь на характеристиках материала, процесс проектирования включал выбор материала инструмента, оптимизацию геометрических параметров и контроль износа во время установки.
(1) Выбор материала инструмента. Сравнение характеристик резания быстрорежущей стали - быстрорежущей стали (W18Cr4V), стандартного цементированного твердого сплава (WC-Co) и ультрамелкозернистого-твердого сплава с покрытием (серия YBG) [4] показано в Таблице 3. В качестве основы инструмента в конечном итоге был выбран ультрамелкозернистый-твердый сплав YBG с покрытием.
Таблица 3. Сравнение производительности резания для различных инструментальных материалов
[Изображение]
Примечание. Условия резания: скорость подачи 0,15 мм/об и глубина резания 1,2 мм.
Инструмент имеет подложку WC-Co с добавлением ниобия (Nb) и нано-покрытием TiAlN толщиной 3–5 мкм. Твердость покрытия достигает 3200 HV, а твердость в горячем состоянии остается стабильной до 800 градусов, что соответствует технологическим требованиям для высокоскоростной-резки.
(2) Оптимизация геометрических параметров инструмента: на основе характеристик эвольвентного профиля зуба червячного вала,
для черновой фрезы (формовочная фреза типа ZA-) и чистовой фрезы (формовочная фреза типа ZI-) были разработаны специальные геометрические параметры (см. Таблицу 4), обеспечивающие баланс сил резания, прочности режущей кромки и качества обрабатываемой поверхности.
Таблица 4 Расчет геометрических параметров специализированного инструмента
[Изображение]
(3) Установка инструмента и контроль износа. Установка инструмента и контроль износа должны соответствовать следующим техническим требованиям. 1) Конфигурация режущей головки: используется прецизионная режущая головка с классом динамической балансировки G2,5. Как показано на рисунке 2, режущая головка имеет шесть монтажных положений, позволяющих поочередно использовать три черновых-фрезы и три чистовых-фрезы. Черновые-фрезы выступают на 0,12–0,20 мм дальше, чем чистовые-фрезы, что позволяет выполнять как черновую, так и получистовую обработку за один проход.
Изображение
Рисунок 2: Схема установки режущей головки.
2) Согласование угла спирали: режущая головка наклоняется и вращается, чтобы совместить угол спирали фрезы с углом подъема червяка ( ). Формула расчета угла подъема:
tan=Pz / (πd1) (1)
Где — угол подъема (градусы), Pz — осевой шаг (мм), а d — диаметр делительной окружности (мм).
3) Мониторинг износа. Прибор для проверки червяков используется для отслеживания ошибок профиля зубьев в-режиме реального времени. Резцы своевременно заменяются при износе до 0,005 мм; вставки можно использовать повторно три или четыре раза после переточки.
4.4 Оптимизация системы охлаждения и технологических параметров
(1) Конструкция охлаждения воздухом-воздухом-туманом высокого давления: скорость резания при вихревом фрезеровании достигает 260–360 м/мин, при этом температура в зоне резания повышается до 600–800 градусов. Применяется система охлаждения воздухом-туманом высокого-давления [5], работающая при давлении 0,80–1,38 МПа. Охлаждающая среда состоит из смеси 5 % эмульсии предельного-давления и сжатого воздуха, подаваемого через четыре симметрично расположенных веерных-форсунки (диаметром 1,5 мм) для непосредственной промывки зоны резания. Эта система повышает эффективность охлаждения на 60% по сравнению с традиционным охлаждением потоком и снижает процент остатка стружки до уровня ниже 0,5%.
(2) Оптимизация параметров фрезерования: метод ортогональных испытаний используется для определения оптимального сочетания параметров процесса червячного фрезерования, балансирования эффективности обработки с качеством обработки.. 1) Глубина резания: общая глубина резания при зубофрезеровании рассчитывается на основе полной высоты зуба, *h*:
*h*=[(d1 + 2mx) - (d1 - 2.4mx)] / 2 (2)
Где *h* — полная высота зуба (мм), представляющая общую глубину резания; *d1* — диаметр делительной окружности шестерни (мм); *м* — осевой модуль (мм); коэффициент 2 в «2m» соответствует дополнительному коэффициенту (стандартное дополнение — 1*m*, поэтому сумма обеих сторон равна 2*m**x*); и 2,4 — коэффициент, связанный с дедендумом- (стандартный дедендум равен 1,2*м*, поэтому сумма обеих сторон равна 2,4*м*).
2) Скорость подачи: Скорость подачи составляет 0,13–0,20 мм/об и регулируется динамически в зависимости от твердости материала.
3) Скорость вращения: скорость шпинделя заготовки составляет 12–18 об/мин, скорость режущей головки 6000–8000 об/мин (линейная скорость резания 300–400 м/мин).
4) Припуск на чистовое шлифование: припуск составляет 0,5–0,7 мм, обеспечивая баланс между эффективностью шлифования и точностью окончательной обработки.
При использовании вышеуказанных параметров время производственного цикла одной вихревой машины достигает 90–105 шт./ч; шероховатость поверхности (Ra) червяка после фрезерования составляет 0,8–1,2 мкм, погрешность профиля зуба ±0,004 мм [6].
5
Контроль шлифовки профиля зубьев червяка
Шлифование — это чистовая обработка червяка C-EPS, от которой напрямую зависит конечная точность обработки. В этом исследовании реализован контроль процесса в отношении выбора шлифовального оборудования/шлифовального круга и параметров шлифования/контроля охлаждения, чтобы гарантировать, что точность червяка постоянно соответствует классу IT7.
5.1 Выбор шлифовального оборудования и шлифовальных кругов
Выбран червячный шлифовальный станок с ЧПУ и функцией автоматического выравнивания зубьев-; Точность позиционирования станка составляет ±0,001 мм. Применяется метод формового шлифования [7], в котором используется правящий станок с ЧПУ для придания шлифовальному кругу эвольвентной формы, соответствующей червяку, тем самым обеспечивая постоянство обработки профиля зуба. Выбирается шлифовальный круг из белого плавленого оксида алюминия (WA) с твердостью H5, размером зерна F80 и связкой из смолы (обеспечивающей превосходную ударопрочность); диаметр колеса 405 мм, рабочая линейная скорость 45 м/с. Круги из белого плавленого оксида алюминия обладают хорошими-свойствами самозатачивания и эффективно минимизируют выделение тепла при шлифовании-выделяют меньше тепла, чем круги из карбида кремния-, тем самым предотвращая ожоги заготовки при шлифовании.
5.2 Параметры измельчения и контроль охлаждения
(1) Параметры процесса шлифования: На основании исходных данных, установленных после червячного фрезерования, и конечных требований к точности, оптимальные параметры шлифования были определены следующим образом:
1) Скорость вращения: Скорость шпинделя заготовки составляет 5–8 об/мин; Скорость шлифовального круга 1800–2000 об/мин (линейная скорость круга 2289–2543 м/мин).
2) Скорость подачи: Скорость подачи чернового шлифования составляет 180–200 мм/мин; Скорость подачи чистового шлифования 50–80 мм/мин.
3) Цикл правки круга: шлифовальный круг правят после каждых 5–8 червяков, чтобы обеспечить точность профиля круга.
(2) Контроль охлаждения шлифования: в качестве охлаждающей среды используется масло для резки под экстремальным- давлением с вязкостью 20–30 мм²/с при 40 градусах. Принудительное охлаждение достигается с помощью насоса высокого давления-давлением 2 МПа со скоростью потока не менее 50 л/мин [7]. Это обеспечивает адекватное охлаждение зоны шлифования и эффективно удаляет шлифовальную стружку, предотвращая засорение абразивного зерна, которое может снизить качество обработки.
5.3 Проверка результатов шлифования
Проверка с помощью высокоточного-измерителя червяков подтверждает, что червяки, обработанные с использованием оптимизированной формы-процесса шлифования, достигают стабильной точности профиля зуба класса IT7, шероховатости поверхности (Ra) 0,2–0,4 мкм и погрешности соосности зубьев менее или равной 0,008 мм. Продолжительность производственного цикла составляет 60–72 шт./час, что соответствует технологическим требованиям массового производства червей C-EPS. Профиль правки и удержание профиля шлифовального круга являются важными контрольными точками в процессе шлифования; любое отклонение профиля колеса напрямую приводит к чрезмерным погрешностям хода червяка и профиля зубьев. Поэтому правка и проверка кругов должны выполняться строго в соответствии с технологическими требованиями.
6
Заключение
В этом документе создана высоко-эффективная и-точная технологическая система производства червей C-EPS за счет оптимизации процессов и много-параметров, что дает следующие ключевые результаты исследования:
1) Сочетание вихревого вращения (для черновой/полу-чистовой обработки) и фасонного шлифования (для чистовой обработки) было определено как оптимальный производственный процесс для червяков из C-EPS. По сравнению с традиционными методами токарной обработки и шлифования этот подход повышает эффективность в 10–13 раз, обеспечивает точность обработки уровня IT7 и снижает производственные затраты примерно на 40%.
2) Предложены схема повышения жесткости и стратегия гидравлического зажима для высокоточных вихревых станков с ЧПУ; Эти меры увеличили статическую жесткость станка до 250 Н/мкм и уменьшили погрешность позиционирования зажима с ±0,1 мм до ±0,03 мм.
3) Были разработаны твердосплавные инструменты YBG со сверхтонким-покрытием (подходят для червяков из легированной стали) и система охлаждения воздухом-туманом под высоким-давлением (0,80–1,38 МПа), обеспечивающая высокую-скорость резки со скоростью 300–400 м/мин и достигающую после-шероховатости поверхности Ra менее или равной 0,8 мкм.
4) Оптимизированы параметры процесса формового шлифования, установив интервал правки круга в 5–8 деталей. Шероховатость поверхности после-шлифования была снижена до Ra 0,2–0,4 мкм, а погрешность удержания сохранялась на уровне менее или равной 0,008 мм, что соответствует требованиям точности и стабильности для массового производства.
Будущие исследования могут интегрировать технологии искусственного интеллекта для реализации интеллектуального производства червей C-EPS: использование систем машинного зрения для мониторинга износа инструмента в-режиме реального времени и моделей глубокого обучения для динамической регулировки параметров резания; и разработку алгоритмов компенсации термической погрешности для станков с целью дальнейшего повышения точности червячного шлифования до уровня IT6. Эти достижения обеспечат техническую поддержку исследований, разработок и производства высококачественных продуктов C-EPS, а также расширят их рыночное применение.
