Aby tato studie uspokojila požadavek na vysoce{0}}účinné, vysoce{1}}přesné obrábění profilů šnekových převodů C-EPS, systematicky zkoumá klíčové technické aspekty-, jako je výběr procesu, optimalizace frézování a řízení broušení-, aby se určilo optimální schéma zpracování. Vylepšení jsou navržena v několika oblastech: výběr zařízení, metody upínání obrobku, parametry řezných nástrojů, chladicí systémy a parametry procesu. Konkrétní řešení zahrnují zvýšení tuhosti vysoce-přesných CNC vířivých strojů, optimalizaci efektivity pomocí hydraulického upínání a automatického nakládání/vykládání, navrhování parametrů pro ultra-karbidové nástroje s jemným povlakem a řízení procesů chlazení a broušení profilů mlhou-stlačeným vzduchem{10}}. Optimalizovaný proces zajišťuje stabilní přesnost IT7 pro profil šneku, výrazně zlepšuje kvalitu povrchu a efektivitu obrábění a podstatně snižuje výrobní náklady.
1
Zavedení
Sloupové-systémy elektrického posilovače řízení (C-EPS) jsou široce používány v osobních vozidlech od třídy A0 do třídy B kvůli jejich kompaktní konstrukci a zvládnutelným nákladům. Evolventní šnek (viz obrázek 1) slouží jako základní součást -přenášející krouticí moment C-EPS; pokud chyba profilu zubu překročí 0,01 mm, pravděpodobně se vyskytnou problémy, jako je zpoždění řízení nebo abnormální hluk [1]. V důsledku toho proces obrábění vyžaduje přísnou přesnost na úrovni IT7 a zároveň splňuje požadavky na efektivitu hromadné výroby.
Obraz
Obrázek 1: Evolventní červ
Současné procesy šnekového obrábění čelí třem velkým výzvám: ① Tradiční procesy soustružení a broušení trpí nízkou účinností, přičemž jednosměnný výkon klesá pod 500 jednotek. ② Odvalovací a válcovací procesy poskytují špatnou konzistenci profilu; přesnost závisí do značné míry na přesnosti varné desky a kolísání chyb dosahuje ±0,02 mm, jak se nástroj opotřebovává. ③ Konvenční frézovací procesy nesplňují požadavky na kvalitu povrchu, což má za následek hodnoty drsnosti povrchu (Ra) 1,6 μm nebo vyšší. Vývoj technologie šnekového obrábění C-EPS, která vyvažuje vysokou přesnost a vysokou účinnost, má značný praktický význam pro zvýšení tržní konkurenceschopnosti produktů C-EPS.
2
Současný stav výzkumu (domácí a mezinárodní)
V mezinárodním měřítku se úsilí o zlepšení přesnosti šnekového obrábění často opírá o špičková -zařízení{1}}, jako je CNC šneková bruska vyvinutá německou společností KAPP. Využitím technologie kompenzace tepelné chyby toto zařízení řídí kumulativní šroubovicovou chybu s přesností 0,005 mm; náklady na jednotku však přesahují 8 milionů RMB, což vytváří extrémně vysokou překážku vstupu. Domácí výzkum se primárně zaměřil na optimalizaci procesů; zatímco někteří výrobci automobilů využívají pro hromadnou výrobu šneků odvalovací-plus{7}}proces válcování, přesnost obrábění dosahuje pouze úrovně IT8, což nesplňuje požadavky na špičkové-modely vozidel.
Stávající výzkum ještě musí vytvořit integrované obráběcí řešení, které kombinuje vysoce-účinné hrubování s vysoce-přesným dokončováním. Na základě kombinovaného procesu vířivého a tvarového broušení vytváří tento článek komplexní optimalizační systém-zahrnující zařízení, řezné nástroje a parametry procesu-k překlenutí mezery ve vysoce{5}}efektivní a vysoce{6}}přesné technologii obrábění pro C-EPS červy.
3
Výběr procesu obrábění profilu šnekového zubu
3.1 Porovnání procesních schémat
Bylo provedeno kvantitativní srovnání tří hlavních procesů pro obrábění profilu šnekových zubů: soustružení plus broušení, odvalovací frézování plus válcování a frézování (víření) plus broušení. V porovnání byly hodnoceny základní ukazatele,-jako je drsnost povrchu, stupeň přesnosti a konzistence profilu zubů-a také výrobní metriky, jako je efektivita obrábění a doba přechodu. Tabulka 1 porovnává hlavní ukazatele různých procesů, zatímco tabulka 2 porovnává jejich účinnost.
Tabulka 1 Porovnání základních ukazatelů pro různé procesy
[Obraz]
Poznámka: Údaje odvozené ze skutečných měření na výrobní lince automobilky; velikost vzorku n=500.
Tabulka 2 Srovnání účinnosti pro různé procesy
[Obraz]
Poznámka: Jednosměnný výstup je založen na měření šneku φ30 mm × 120 mm; zařízení nabízí konfiguraci s jedním vřetenem-.
3.2 Stanovení optimálního procesu
Jak je znázorněno v tabulkách 1 a 2, proces frézování-plus{3}}broušení (víření pro hrubování/polodokončování-následované dokončovacím broušením) výrazně překonává ostatní schémata jak v hlavních ukazatelích obrábění, tak v efektivitě výroby. Kromě toho eliminuje potřebu speciálního procesu odvalovací frézky a snižuje náklady na obrábění přibližně o 40 %. Tento dokument se proto zaměřuje na tento proces pro další-hloubkový výzkum.
4
Optimalizace šnekového frézování
Frézování slouží jako hrubovací a{0}}dokončovací fáze pro šnek; jeho přesnost a efektivita obrábění přímo určují referenční kvalitu a dobu výrobního cyklu pro následný proces dokončovacího broušení. Tato studie provádí návrh optimalizace v pěti aspektech: výběr zařízení, metody upínání obrobku, parametry řezného nástroje, chladicí systémy a parametry procesu. 4.1 Výběr zařízení a vylepšení tuhosti
(1) Výběr vysoce-přesného CNC vířivého stroje: Pro splnění požadavků na přesnost IT7 byl vybrán CNC vířivý stroj vybavený vysoce-přesnými systémy posuvu a vřeten. Hlavní technické specifikace jsou následující:
1) Systém posuvu: Rozlišení menší nebo rovno 0,0001 mm; přesnost polohování s plným-zdvihem ±0,002 mm.
2) Systém vřetena: Radiální házení Menší nebo rovno 0,001 mm; axiální házení Menší nebo rovno 0,0005 mm; stabilita otáček ±5 ot./min.
Experimentální data naznačují, že když se přesnost polohování obráběcího stroje zlepšila z ±0,01 mm na ±0,002 mm, kumulativní chyba šroubovice šneku se snížila z 0,025 mm na 0,008 mm, což představuje přímé zlepšení přesnosti obrábění o dva stupně.
(2) Strategie zvýšení tuhosti obráběcího stroje: Nedostatečná tuhost obráběcího stroje má tendenci vyvolávat řezné vibrace, což způsobuje nárůst chyb stopování šneku o více než 30 %. Tuhost obráběcího stroje lze zvýšit pomocí následujících dvou opatření:
1) Kotvení základu: Základna obráběcího stroje o tloušťce větší nebo rovné 500 mm je odlita pomocí betonu C30 a pevně připojena k podlaze pomocí rozpěrných šroubů M30; rovinnost podkladu je udržována v rozmezí 0,02 mm/m.
2) Strukturální optimalizace: Ve spojení mezi opěrou nástroje a ložem stroje je použit klínový blokovací mechanismus, který zvyšuje kontaktní plochu o 40 % a zvyšuje statickou tuhost obráběcího stroje na 250 N/μm.
4.2 Optimalizace metod upínání a nakládání/vykládání
(1) Přesné řízení hydraulického upínání: Tradiční ruční upínání má za následek chyby axiálního polohování až ±0,1 mm, což způsobuje výrazné kolísání axiální polohové přesnosti profilu šnekového zubu. Použitím hydraulického samostředícího sklíčidla s upínací silou 5–8 kN-ve spojení s koncovou-počáteční polohou čela a axiálním přítlačným kroužkem- je chyba upínání řízena v rozmezí ±0,03 mm. To trojnásobně zlepšuje axiální polohovou přesnost šneku a poskytuje stabilní základ obrábění pro následné dokončovací-procesy broušení. (2) Zlepšení účinnosti díky automatizovanému nakládání a vykládání: Byl přijat příhradový robot, který nahradil manuální práci pro automatizované nakládání a vykládání šnekových hřídelí [2]. Doba upínání se zkrátila z 20 s/kus na 5 s/kus, využití zařízení se zvýšilo z 65 % na 90 % a jednosměnný výkon se zvýšil o více než 300 kusů.
4.3 Návrh parametrů řezného nástroje a kontrola opotřebení
Jako surovina pro šnekový hřídel C-EPS byla vybrána vysoce kvalitní legovaná ocel, která po kalení a popouštění dosáhla tvrdosti 28–32 HRC [3]. Na základě vlastností materiálu se proces návrhu zabýval výběrem materiálu nástroje, optimalizací geometrických parametrů a kontrolou opotřebení během instalace.
(1) Výběr materiálu nástroje: Porovnání řezného výkonu rychlořezné oceli (W18Cr4V), standardního slinutého karbidu (WC-Co) a ultrajemnozrnného karbidu s povlakem (řada YBG) [4] je uvedeno v tabulce 3. Jako substrát s povlakem byl nakonec vybrán YBG ultrajemný-karbid.
Tabulka 3 Porovnání řezného výkonu pro různé nástrojové materiály
[Obraz]
Poznámka: Řezné podmínky byly rychlost posuvu 0,15 mm/ra hloubka řezu 1,2 mm.
Nástroj je vybaven WC-Co substrátem s přidaným niobem (Nb) a 3–5 μm silným TiAlN nano-potahem. Tvrdost povlaku dosahuje 3200 HV a tvrdost za horka zůstává stabilní až do 800 stupňů, čímž splňuje procesní požadavky na vysokorychlostní obrábění-.
(2) Optimalizace geometrických parametrů nástroje: Na základě charakteristik profilu evolventního zubu hřídele šneku,
byly navrženy speciální geometrické parametry pro hrubovací frézu (typ ZA-formová fréza) a dokončovací frézu (formová fréza typu ZI-) (viz tabulka 4), vyvažování řezných sil, pevnost řezné hrany a kvalita obrobeného povrchu.
Tabulka 4 Návrh geometrických parametrů specializovaných nástrojů
[Obraz]
(3) Instalace nástroje a sledování opotřebení: Instalace nástroje a sledování opotřebení musí splňovat následující technické požadavky. 1) Konfigurace řezací hlavy: Je použita přesná řezná hlava s dynamickou vyvážeností G2,5. Jak je znázorněno na obrázku 2, hlava frézy má šest montážních poloh uspořádaných tak, aby se střídaly tři hrubovací-frézy a tři dokončovací-frézy. Hrubovací-frézy se rozšiřují o 0,12–0,20 mm dále než dokončovací{11}frézy, což umožňuje hrubovací i polodokončovací{12}}obrábění dokončit jedním průchodem.
Obraz
Obrázek 2: Schéma instalace nožové hlavy
2) Přizpůsobení úhlu šroubovice: Hlava frézy se nakloní a otáčí, aby se vyrovnal úhel šroubovice frézy s úhlem stoupání šneku ( ). Vzorec pro výpočet úhlu náběhu je:
opálení=Pz / (πd1) (1)
Kde je úhel stoupání (stupeň), Pz je axiální stoupání (mm) a d je průměr roztečné kružnice (mm).
3) Monitorování opotřebení: Nástroj na kontrolu šneků se používá ke sledování chyb profilu zubů v reálném-čase. Frézy jsou vyměněny okamžitě, jakmile opotřebení dosáhne 0,005 mm; břitové destičky lze po přebroušení znovu použít třikrát nebo čtyřikrát.
4.4 Optimalizace chladicího systému a parametrů procesu
(1) Konstrukce vysokotlakého-vzduchového-mlhového chlazení: Řezná rychlost pro vířivé frézování dosahuje 260–360 m/min, přičemž teploty v řezné zóně rostou na 600–800 stupňů . Je použit vysokotlaký vzduchový-mlhový chladicí systém [5] pracující při 0,80–1,38 MPa. Chladicí médium se skládá ze směsi 5% emulze extrémního-tlaku a stlačeného vzduchu, dodávané čtyřmi symetricky uspořádanými vějířovitými- tryskami (průměr 1,5 mm) k přímému proplachování řezné zóny. Tento systém zlepšuje účinnost chlazení o 60 % ve srovnání s tradičním záplavovým chlazením a snižuje míru zbytků třísek pod 0,5 %.
(2) Optimalizace parametrů frézování: Metoda ortogonálního testu se používá k určení optimální kombinace procesních parametrů pro šnekové frézování, vyvážení efektivity obrábění s kvalitou obrábění. 1) Hloubka řezu: Celková hloubka řezu pro frézování ozubení se vypočítá na základě plné výšky zubu, *h*:
*h*=[(d1 + 2mx) - (d1 - 2.4mx)] / 2 (2)
Kde *h* je celková výška zubu (mm), představující celkovou hloubku řezu; *d1* je průměr roztečné kružnice ozubeného kola (mm); *m* je axiální modul (mm); koeficient 2 ve "2m" odpovídá součiniteli sčítání (standardní součet je 1*m*, takže obě strany celkem 2*m**x*); a 2,4 je koeficient související s dedendem- (standardní dedendum je 1,2*m*, takže obě strany celkem 2,4*m*).
2) Rychlost posuvu: Rychlost posuvu je 0,13–0,20 mm/r, dynamicky se nastavuje na základě tvrdosti materiálu.
3) Rychlost otáčení: Rychlost vřetena obrobku je 12–18 ot/min a rychlost frézovací hlavy je 6000–8000 ot/min (lineární rychlost řezání 300–400 m/min).
4) Přídavek na dokončovací broušení: Přídavek je 0,5–0,7 mm, vyrovnává účinnost broušení s konečnou přesností obrábění.
Při použití výše uvedených parametrů dosahuje doba výrobního cyklu pro jeden vířivý stroj 90–105 kusů/h; drsnost povrchu (Ra) šneku po frézování je 0,8–1,2 μm a chyba profilu zubu je ±0,004 mm [6].
5
Řízení broušení profilu šnekových zubů
Broušení je dokončovací proces pro šnek C-EPS a přímo určuje konečnou přesnost obrábění. Tato studie zavádí procesní řízení týkající se výběru brusného zařízení/brusného kotouče a parametrů broušení/řízení chlazení, aby bylo zajištěno, že přesnost šneku trvale odpovídá jakosti IT7.
5.1 Výběr brusného zařízení a brusných kotoučů
Je vybrána CNC šneková bruska s funkcí automatického-vyrovnání zubů; přesnost polohování stroje je ±0,001 mm. Používá se metoda tvarového broušení [7], při níž se brusný kotouč orovná do evolventního tvaru, který odpovídá šneku, pomocí CNC orovnávače, čímž je zajištěna konzistentnost při obrábění profilu zubů. Je vybrán brusný kotouč z bílého taveného oxidu hlinitého (WA), vyznačující se tvrdostí H5, zrnitostí F80 a pryskyřičným pojivem (nabízející vynikající odolnost proti nárazu); průměr kola je 405 mm a provozní lineární rychlost je 45 m/s. Bílé kotouče z taveného oxidu hlinitého mají dobré{10}}samoostřící vlastnosti a účinně minimalizují tvorbu tepla při broušení{11}}produkují méně tepla než kotouče z karbidu křemíku{12}}, čímž zabraňují popálení obrobku při broušení.
5.2 Parametry broušení a řízení chlazení
(1) Parametry procesu broušení: Na základě referenčního údaje stanoveného po šnekovém frézování a požadavků na konečnou přesnost byly optimální parametry broušení stanoveny následovně:
1) Rychlost otáčení: Rychlost vřetena obrobku je 5–8 ot/min; rychlost brusného kotouče je 1800–2000 ot/min (lineární rychlost kotouče je 2289–2543 m/min).
2) Rychlost posuvu: Rychlost posuvu při hrubém broušení je 180–200 mm/min; rychlost posuvu pro dokončovací broušení je 50–80 mm/min.
3) Cyklus orovnávání kotouče: Brusný kotouč se orovnává po každých 5–8 šnecích, aby byla zajištěna přesnost profilu kotouče.
(2) Řízení chlazení broušení: Jako chladicí médium se používá řezný olej pro extrémní{1}}tlak s viskozitou 20–30 mm²/s při 40 stupních. Nuceného chlazení je dosaženo pomocí 2 MPa vysokotlakého-čerpadla s průtokem větším nebo rovným 50 l/min [7]. To zajišťuje dostatečné chlazení brusné zóny a účinně odstraňuje brusné třísky, čímž zabraňuje ucpávání brusného zrna, které by mohlo ohrozit kvalitu obrábění.
5.3 Ověření výsledků broušení
Inspekce pomocí vysoce{0}}přesného šnekového testeru potvrzuje, že šneky obrobené procesem broušení optimalizovaným tvarem- dosahují stabilní přesnosti profilu zubu třídy IT7, drsnosti povrchu (Ra) 0,2–0,4 μm a chyby vyrovnání zubů menší nebo rovné 0,008 mm. Doba výrobního cyklu je 60–72 ks/hod, splňující procesní požadavky pro hromadnou výrobu C-EPS červů. Orovnávací profil a zachování profilu brusného kotouče jsou kritickými kontrolními body v procesu broušení; jakákoli odchylka v profilu kola přímo vede k nadměrným chybám v profilu šneku a zubu. Proto musí být orovnávání a kontrola kol přísně prováděna v souladu s požadavky procesu.
6
Závěr
Tento dokument zavádí vysoce{0}}účinný, vysoce{1}}přesný výrobní technologický systém pro C-EPS červy prostřednictvím optimalizace procesů a více-dimenzionálních parametrů, což přináší následující klíčové výsledky výzkumu:
1) Kombinace víření (pro hrubování/polo{1}}dokončování) a tvarového broušení (pro dokončování) byla identifikována jako optimální výrobní proces pro C-EPS šneky. Ve srovnání s tradičními metodami soustružení a broušení tento přístup zvyšuje efektivitu 10–13krát, dosahuje přesnosti obrábění na úrovni IT7 a snižuje výrobní náklady přibližně o 40 %.
2) Bylo navrženo schéma zvýšení tuhosti a strategie hydraulického upínání pro vysoce přesné- CNC vířivé stroje; tato opatření zvýšila statickou tuhost obráběcího stroje na 250 N/μm a snížila chybu polohování upnutí z ±0,1 mm na ±0,03 mm.
3) Byly vyvinuty ultra-nástroje z karbidu s jemným povlakem YBG (vhodné pro šneky z legované oceli) a vysokotlaký (0,80–1,38 MPa) vzduch{5}}mlžný chladicí systém, který umožňuje řezání vysokou-rychlostí při 300–400 m/min a dosažení drsnosti povrchu rovného frézování menší než 0{8{9} μm.
4) Parametry procesu tvarového broušení byly optimalizovány a stanovily se interval orovnávání kotouče na 5–8 dílů. Drsnost povrchu po broušení byla snížena na Ra 0,2–0,4 μm a chyba olova byla udržována na hodnotě menší nebo rovné 0,008 mm, což splňuje požadavky na přesnost a stabilitu pro sériovou výrobu.
Budoucí výzkum by mohl integrovat technologie umělé inteligence k realizaci inteligentní výroby červů C-EPS: využití systémů strojového vidění ke sledování opotřebení nástrojů v reálném čase-a modely hlubokého učení k dynamickému nastavení řezných parametrů; a vývoj algoritmů tepelné kompenzace chyb pro obráběcí stroje pro další zlepšení přesnosti šnekového broušení na stupeň IT6. Tato vylepšení by poskytla technickou podporu pro výzkum a vývoj a výrobu špičkových-C-produktů EPS a rozšířila jejich tržní uplatnění.
