Tässä tutkimuksessa tutkitaan systemaattisesti keskeisiä teknisiä näkökohtia,-kuten prosessin valintaa, jyrsinnän optimointia ja hionnan ohjausta-optimaalisen työstöjärjestelmän määrittämiseksi, jotta voidaan vastata C-EPS-kierukkapyöräprofiilien korkean-tarkkuuden ja työstön tarpeisiin. Parannuksia ehdotetaan useilla osa-alueilla: laitteiden valinta, työskentelytavat, leikkaustyökalun parametrit, jäähdytysjärjestelmät ja prosessiparametrit. Erityisiä ratkaisuja ovat korkean -tarkkuus-CNC-pyörrekoneiden jäykkyyden parantaminen, tehokkuuden optimointi hydraulisten kiinnitysten ja automatisoidun lastauksen ja purkamisen avulla, parametrien suunnittelu erittäin-hienopinnoitetuille kovametallityökaluille sekä korkean-paineilman{10}sumujäähdytys- ja profiilihiontaprosessien hallinta. Optimoitu prosessi varmistaa vakaan IT7-luokan tarkkuuden matoprofiilille, parantaa merkittävästi pinnan laatua ja koneistustehokkuutta sekä alentaa merkittävästi tuotantokustannuksia.
1
Johdanto
Pylväs-tyyppisiä sähköisiä ohjaustehostinjärjestelmiä (C-EPS) käytetään laajalti henkilöautoissa luokista A0 luokkaan B niiden kompaktin rakenteen ja hallittavien kustannusten ansiosta. Evoluuttinen mato (katso kuva 1) toimii C-EPS:n vääntömomenttia{5}}välittävänä komponenttina; jos hampaan profiilivirhe ylittää 0,01 mm, ongelmia, kuten ohjausviivettä tai epänormaalia melua, esiintyy todennäköisesti [1]. Tästä johtuen koneistusprosessi vaatii tiukkaa IT7-luokan tarkkuutta ja täyttää samalla massatuotannon tehokkuusvaatimukset.
Kuva
Kuva 1: Evoluutiomato
Nykyiset kierukkatyöstöprosessit kohtaavat kolme suurta haastetta: ① Perinteiset sorvaus- ja hiontaprosessit kärsivät alhaisesta hyötysuhteesta, ja yhden{0}}vuoron teho laskee alle 500 yksikön. ② Hobbing- ja valssausprosessit tuottavat huonon profiilin yhtenäisyyden; tarkkuus riippuu suuresti keittotason tarkkuudesta, ja virhevaihtelut saavuttavat ±0,02 mm työkalun kuluessa. ③ Perinteiset jyrsintäprosessit eivät täytä pinnan laatuvaatimuksia, jolloin pinnan karheus (Ra) on 1,6 μm tai suurempi. C-EPS-matokoneistustekniikan kehittäminen, joka tasapainottaa korkean tarkkuuden ja korkean hyötysuhteen, on erittäin tärkeää käytännön kannalta C-EPS-tuotteiden kilpailukyvyn parantamiseksi markkinoilla.
2
Tutkimuksen nykytila (kotimainen ja kansainvälinen)
Kansainvälisesti ponnistelut kierukkakoneistuksen tarkkuuden parantamiseksi perustuvat usein korkealuokkaisiin-laitteisiin-, kuten saksalaisen KAPP-yrityksen kehittämään CNC-kierukkahiomakoneeseen. Hyödyntämällä lämpövirheen kompensointitekniikkaa tämä laite ohjaa kumulatiivista heliksivirhettä 0,005 mm:n tarkkuudella; Yksikkökohtainen hinta kuitenkin ylittää 8 miljoonaa RMB, mikä luo erittäin korkean markkinoille pääsyn esteen. Kotimainen tutkimus on keskittynyt ensisijaisesti prosessien optimointiin; Vaikka jotkin autonvalmistajat käyttävät hobbing-plus--rullausprosessia matojen massatuotantoon, koneistustarkkuus saavuttaa vain IT8-luokan, mikä ei täytä huippuluokan ajoneuvomallien vaatimuksia.
Nykyisellä tutkimuksella ei ole vielä luotu integroitua koneistusratkaisua, jossa yhdistyy tehokas{0}}rouhinta ja korkea-tarkka viimeistely. Tämä paperi rakentaa pyörteen ja muotohiontaan yhdistettyyn prosessiin perustuvan kattavan optimointijärjestelmän-, joka sisältää laitteet, leikkaustyökalut ja prosessiparametrit-, jotta voidaan kuroa umpeen C-EPS-madojen korkean-tehokkuuden ja{6}}tarkkuustyöstöteknologian ero.
3
Kierukkahammasprofiilin työstöprosessin valinta
3.1 Prosessikaavioiden vertailu
Kvantitatiivinen vertailu suoritettiin kolmen kierukkahammasprofiilin koneistuksen pääprosessin välillä: sorvaus plus hionta, hobbing plus valssaus ja jyrsintä (pyörretys) plus hionta. Vertailussa arvioitiin ydinindikaattoreita,-kuten pinnan karheutta, tarkkuusluokkaa ja hampaiden profiilin yhtenäisyyttä-sekä tuotantomittareita, kuten koneistuksen tehokkuutta ja vaihtoaikaa. Taulukossa 1 verrataan eri prosessien ydinindikaattoreita ja taulukossa 2 niiden tehokkuutta.
Taulukko 1 Eri prosessien ydinindikaattoreiden vertailu
[Kuva]
Huomautus: tiedot, jotka on saatu todellisista mittauksista autonvalmistajan tuotantolinjalla; näytekoko n=500.
Taulukko 2 Eri prosessien tehokkuuden vertailu
[Kuva]
Huomautus: Yksi{0}}vuoron lähtö perustuu φ30 mm × 120 mm:n madon mittauksiin; laitteissa on yksi-karakokoonpano.
3.2 Optimaalisen prosessin määrittäminen
Kuten taulukoista 1 ja 2 käy ilmi, jyrsintä-plus-hiontaprosessi (pyöritys rouhintaa/puoliviimeistelyä varten ja sen jälkeen viimeistelyhionta) on huomattavasti muita menetelmiä parempi sekä ytimen koneistusindikaattoreiden että tuotannon tehokkuuden suhteen. Lisäksi se eliminoi erillisen keittokoneprosessin tarpeen, mikä vähentää koneistuskustannuksia noin 40 %. Tästä syystä tässä artikkelissa keskitytään tähän prosessiin-syvempaa syvällistä tutkimusta varten.
4
Kierukkajyrsinnän optimointi
Jyrsintä toimii madon rouhinta- ja puoli{0}}viimeistelyvaiheena. sen koneistustarkkuus ja tehokkuus määräävät suoraan viitelaadun ja tuotantosyklin ajan myöhempää viimeistelyhiontaprosessia varten. Tässä tutkimuksessa optimoidaan viisi näkökohtaa: laitteiden valinta, työstömenetelmät, leikkuutyökalun parametrit, jäähdytysjärjestelmät ja prosessiparametrit. 4.1 Laitteiden valinta ja jäykkyyden parantaminen
(1) Korkean -tarkkuuden CNC-pyörrekoneen valinta: IT7-tarkkuusvaatimusten täyttämiseksi valittiin CNC-pyörrekone, joka on varustettu erittäin-tarkkuussyöttö- ja karajärjestelmillä. Tärkeimmät tekniset tiedot ovat seuraavat:
1) Syöttöjärjestelmä: Resoluutio pienempi tai yhtä suuri kuin 0,0001 mm; täysi -iskun paikannustarkkuus ±0,002 mm.
2) Karajärjestelmä: Säteittäinen juoksu Vähäinen tai yhtä suuri kuin 0,001 mm; aksiaalinen juoksu Vähäinen tai yhtä suuri kuin 0,0005 mm; pyörimisnopeuden vakaus ±5 r/min.
Kokeelliset tiedot osoittavat, että kun työstökoneen paikannustarkkuus parani ±0,01 mm:stä ±0,002 mm:iin, matokierteen kumulatiivinen virhe pieneni 0,025 mm:stä 0,008 mm:iin, mikä edustaa suoraa parannusta koneistuksen tarkkuuteen kahdella asteikolla.
(2) Työstökoneiden jäykkyyden parantamisstrategia: Työstökoneen riittämätön jäykkyys aiheuttaa yleensä leikkausvärähtelyjä, mikä aiheuttaa yli 30 %:n kasvun matohampaan jälkivirheissä. Työstökoneiden jäykkyyttä voidaan parantaa seuraavilla kahdella toimenpiteellä:
1) Perustuksen ankkurointi: Työstökoneen alusta, jonka paksuus on suurempi tai yhtä suuri kuin 500 mm, valetaan C30-betoniin ja liitetään jäykästi lattiaan M30-laajennuspulteilla; alustan tasaisuus säilyy 0,02 mm/m sisällä.
2) Rakenteen optimointi: Kiila{1}}tyyppistä lukitusmekanismia käytetään työkalun alustan ja konealustan välisessä liitoksessa, mikä lisää kosketuspinta-alaa 40 % ja nostaa työstökoneen staattisen jäykkyyden arvoon 250 N/μm.
4.2 Kiinnitys- ja lastaus-/purkausmenetelmien optimointi
(1) Hydraulisen kiinnityksen tarkkuussäätö: Perinteinen manuaalinen kiinnitys johtaa jopa ±0,1 mm:n aksiaaliseen kohdistusvirheeseen, mikä aiheuttaa merkittäviä vaihteluita kierukkahammasprofiilin aksiaalisen asennon tarkkuudessa. Käyttämällä hydraulista itse-keskittävää istukkaa, jonka puristusvoima on 5–8 kN-, yhdessä pääty-pinta-asemointipisteen ja aksiaalisen työntörenkaan- kanssa, kiristysasemointivirhe säädetään ±0,03 mm:n tarkkuudella. Tämä parantaa kierteen aksiaalisen paikannustarkkuutta kolminkertaisesti ja tarjoaa vakaan työstön peruspisteen myöhempiä viimeistely{11}}hiontaprosesseja varten. (2) Tehokkuuden parantaminen automatisoidun lastauksen ja purkamisen avulla: Kierukka-akselien automaattista lastaamista ja purkamista varten otettiin käyttöön ristikkorobotti. Puristusaikaa lyhennettiin 20 s/kpl 5 s/kpl, laitteiden käyttöaste nousi 65 %:sta 90 %:iin ja yhden vuoron tuotanto lisääntyi yli 300 kappaleella.
4.3 Leikkuutyökalun parametrien suunnittelu ja kulumisen hallinta
Laadukas-seosteräs valittiin C-EPS-kierukkaakselin raaka-aineeksi, ja sen kovuus oli 28–32 HRC karkaisun ja karkaisun jälkeen [3]. Materiaalin ominaisuuksien perusteella suunnitteluprosessissa käsiteltiin työkalun materiaalin valintaa, geometristen parametrien optimointia ja kulumisen hallintaa asennuksen aikana.
(1) Työkalun materiaalin valinta: Taulukossa 3 on esitetty nopean -nopeateräksen (W18Cr4V), vakiosementoidun kovametallin (WC-Co) ja ultrahieno-rakeisen päällystetyn kovametallin (YBG-sarja) [4] leikkaustehokkuuden vertailu.
Taulukko 3 Eri työkalumateriaalien leikkaustehon vertailu
[Kuva]
Huomautus: Leikkausolosuhteet olivat syöttönopeus 0,15 mm/r ja leikkaussyvyys 1,2 mm.
Työkalussa on WC{0}}Co-substraatti, johon on lisätty niobiumia (Nb) ja 3–5 μm paksu TiAlN nano-pinnoite. Pinnoitteen kovuus saavuttaa 3 200 HV, ja kuumakovuus pysyy vakaana 800 asteeseen asti, mikä täyttää nopean{7}}leikkauksen prosessivaatimukset.
(2) Työkalun geometristen parametrien optimointi: Perustuu kierukka-akselin kierrehammasprofiilin ominaisuuksiin,
karkeajyrsimelle (ZA-tyyppinen muotojyrsin) ja viimeistelyjyrsimelle (ZI-tyyppinen muotojyrsin) (katso taulukko 4) suunniteltiin erikoiset geometriset parametrit, jotka tasapainottavat leikkausvoimia, leikkuureunan lujuutta ja koneistetun pinnan laatua.
Taulukko 4 Erikoistyökalujen geometristen parametrien suunnittelu
[Kuva]
(3) Työkalun asennus ja kulumisen valvonta: Työkalun asennuksessa ja kulumisen valvonnassa on noudatettava seuraavia teknisiä vaatimuksia. 1) Leikkuupään kokoonpano: Käytetään tarkkuusleikkuripäätä, jonka dynaaminen tasapainoluokka on G2.5. Kuten kuvasta 2 näkyy, teräpäässä on kuusi asennusasentoa, jotka on järjestetty vuorotellen kolmen karkean-jyrsimen ja kolmen viimeistely-jyrsimen välillä. Karkeat-jyrsimet ulottuvat 0,12–0,20 mm pidemmälle kuin viimeistellyt{11}}jyrsimet, mikä mahdollistaa sekä karkean että puoliviimeistelyn koneistuksen yhdellä ajolla.
Kuva
Kuva 2: Kaavio teräpään asennuksesta
2) Kierrekulman sovitus: Leikkurin päätä kallistetaan ja kierretään, jotta leikkurin kierrekulma on kohdistettu madon johtokulmaan ( ). Kaava johtokulman laskemiseksi on:
tan=Pz / (πd1) (1)
Missä on etäkulma ( aste ), Pz on aksiaalinen johto (mm) ja d on jakoympyrän halkaisija (mm).
3) Kulumisen valvonta: Mattojen tarkastuslaitetta käytetään hampaiden profiilivirheiden tarkkailuun-reaaliajassa. Leikkurit vaihdetaan välittömästi, kun kuluminen saavuttaa 0,005 mm; terät voidaan käyttää uudelleen kolme tai neljä kertaa uudelleenhionnan jälkeen.
4.4 Jäähdytysjärjestelmän ja prosessiparametrien optimointi
(1) Korkean -paineilman-sumun jäähdytysrakenne: Pyörrejyrsinnän leikkausnopeus on 260–360 m/min, lämpötilan leikkausalueella noustessa 600–800 asteeseen. Käytössä on korkeapaineinen-paineilma-sumujäähdytysjärjestelmä [5], joka toimii 0,80–1,38 MPa:lla. Jäähdytysväliaine koostuu 5 %:n äärimmäisen -paineemulsion ja paineilman seoksesta, joka toimitetaan neljän symmetrisesti järjestetyn tuulettimen muotoisen suuttimen kautta (halkaisija 1,5 mm) huuhtelemaan suoraan leikkausaluetta. Tämä järjestelmä parantaa jäähdytystehokkuutta 60 % verrattuna perinteiseen tulvajäähdytykseen ja vähentää hakkeen jäännösmäärän alle 0,5 %.
(2) Jyrsintäparametrien optimointi: Ortogonaalista testimenetelmää käytetään prosessiparametrien optimaalisen yhdistelmän määrittämiseen kierukkajyrsintää varten, mikä tasapainottaa koneistuksen tehokkuuden ja koneistuksen laadun. 1) Leikkaussyvyys: Hammasjyrsinnän kokonaisleikkaussyvyys lasketaan koko hampaan korkeuden perusteella, *h*:
*t*=[(d1 + 2mx) - (d1 - 2.4mx)] / 2 (2)
missä *h* on koko hampaan korkeus (mm), joka edustaa kokonaisleikkaussyvyyttä; *d1* on hammaspyörän ympyrän halkaisija (mm); *m* on aksiaalinen moduuli (mm); kerroin 2 "2m":ssä vastaa lisäyskerrointa (vakiolisä on 1*m*, joten molemmat puolet ovat yhteensä 2*m**x*); ja 2,4 on dedendumiin - liittyvä kerroin (vakiodedendum on 1,2*m*, joten molempien puolten yhteismäärä on 2,4*m*).
2) Syöttönopeus: Syöttönopeus on 0,13–0,20 mm/r, säädettävissä dynaamisesti materiaalin kovuuden perusteella.
3) Pyörimisnopeus: Työkappaleen karan nopeus on 12–18 r/min ja jyrsimen pään nopeus 6000–8000 r/min (lineaarinen leikkausnopeus 300–400 m/min).
4) Viimeistelyhiontavara: Varaus on 0,5–0,7 mm, mikä tasapainottaa hiontatehokkuuden lopputyöstötarkkuudella.
Yllä olevia parametreja käyttäen yksittäisen pyörrekoneen tuotantosyklin aika on 90–105 kpl/h; madon pinnan karheus (Ra) jyrsinnän jälkeen on 0,8–1,2 μm ja hampaan profiilivirhe ±0,004 mm [6].
5
Maton hampaiden profiilin hionnan hallinta
Hionta on C-EPS-madon viimeistelyprosessi, ja se määrittää suoraan lopullisen koneistustarkkuuden. Tämä tutkimus toteuttaa hiomalaitteiden/hiomalaikan valintaa ja hiomaparametreja/jäähdytyksen ohjausta koskevaa prosessinohjausta, jotta madon tarkkuus vastaa jatkuvasti IT7-luokkaa.
5.1 Hiomalaitteiden ja hiomalaikkojen valinta
CNC-kierukkahiomakone, jossa on automaattinen hampaiden{0}}kohdistustoiminto, on valittu. koneen paikannustarkkuus on ±0,001 mm. Käytetään muotohiontamenetelmää [7], jossa käytetään CNC-kaappia hiomalaikan muovaamiseksi kierrettä vastaavaan muotoon, mikä varmistaa hampaiden profiilin koneistuksen johdonmukaisuuden. Valitaan valkoinen sulatettu alumiinioksidi (WA) hiomalaikka, jonka kovuus on H5, karkeuskoko F80 ja hartsisidos (tarjoaa erinomaisen iskunkestävyyden); pyörän halkaisija on 405 mm ja käyttönopeus 45 m/s. Valkoisilla sulatetuilla alumiinioksidilaikoilla on hyvät itsestään-teroittumisominaisuudet ja ne minimoivat tehokkaasti hiontalämmön kehittymisen-tuottavat vähemmän lämpöä kuin piikarbidilaikat-täten estävät työkappaleen hiontapalovammoja.
5.2 Hiontaparametrit ja jäähdytyksen ohjaus
(1) Hiontaprosessin parametrit: Kierukkajyrsinnän jälkeen määritetyn vertailupisteen ja lopullisten tarkkuusvaatimusten perusteella optimaaliset jauhatusparametrit määritettiin seuraavasti:
1) Pyörimisnopeus: Työkappaleen karan nopeus on 5–8 r/min; hiomalaikan nopeus on 1800–2000 r/min (pyörän lineaarinen nopeus on 2289–2543 m/min).
2) Syöttönopeus: Karkeahionnan syöttönopeus on 180–200 mm/min; viimeistelyhiontasyöttönopeus on 50–80 mm/min.
3) Pyörän viimeistelyjakso: Hiomalaikka puhdistetaan 5–8 madon välein pyörän profiilin tarkkuuden varmistamiseksi.
(2) Hiontajäähdytyksen ohjaus: Jäähdytysväliaineena käytetään äärimmäistä-paineleikkausöljyä, jonka viskositeetti on 20–30 mm²/s 40 asteessa. Pakkojäähdytys saavutetaan 2 MPa:n korkeapainepumpulla, jonka virtausnopeus on suurempi tai yhtä suuri kuin 50 l/min [7]. Tämä varmistaa hiontavyöhykkeen riittävän jäähdytyksen ja poistaa tehokkaasti hiomalastut, mikä estää hiomarakeiden tukkeutumisen, joka voi heikentää koneistuksen laatua.
5.3 Hiontatulosten tarkastus
Tarkastus käyttämällä -tarkkaa matotesteriä vahvistaa, että optimoidun muodon-hiontaprosessilla koneistetut matot saavuttavat vakaan IT7-luokan hammasprofiilin tarkkuuden, pinnan karheuden (Ra) 0,2–0,4 μm ja hampaiden kohdistusvirheen, joka on pienempi tai yhtä suuri kuin 000 mm 0. Tuotantosykliaika on 60–72 kpl/tunti, mikä täyttää C-EPS-matojen massatuotannon prosessivaatimukset. Hiomalaikan viimeistelyprofiili ja profiilin pysyvyys ovat kriittisiä ohjauspisteitä hiontaprosessissa; kaikki poikkeamat pyörän profiilissa johtavat suoraan liiallisiin virheisiin madon johto- ja hammasprofiilissa. Siksi pyörän pinnoitus ja tarkastus on suoritettava tiukasti prosessivaatimusten mukaisesti.
6
Johtopäätös
Tässä artikkelissa luodaan korkea-tehokas-tarkkuusvalmistustekniikkajärjestelmä C-EPS-madoille optimoimalla prosesseja ja moniulotteisia parametreja-, mikä tuottaa seuraavat keskeiset tutkimustulokset:
1) Pyörteen (rouhinta/puoli{1}}viimeistely) ja muotohiontaan (viimeistely) yhdistelmä todettiin optimaaliseksi valmistusprosessiksi C-EPS-madoille. Perinteisiin sorvaus- ja hiontamenetelmiin verrattuna tämä lähestymistapa lisää tehokkuutta 10–13 kertaa, saavuttaa IT7-luokan koneistustarkkuuden ja alentaa tuotantokustannuksia noin 40 %.
2) Ehdotettiin jäykkyyden parantamisjärjestelmää ja hydraulista kiinnitysstrategiaa erittäin -tarkkoihin CNC-pyörrekoneisiin. nämä toimenpiteet lisäsivät työstökoneen staattista jäykkyyttä arvoon 250 N/μm ja pienensivät kiinnitysasennon virhettä ±0,1 mm:stä ±0,03 mm:iin.
3) YBG ultra-hienopinnoitetut kovametallityökalut (sopii seosteräsmatoille) ja korkean-paineen (0,80–1,38 MPa) ilma-sumujäähdytysjärjestelmä, joka mahdollistaa nopean-leikkauksen nopeudella 300-400 m/min ja karkeus{100}{101} tai yhtä suuri kuin 0,8 μm.
4) Muotohiontaprosessin parametrit optimoitiin, jolloin pyörän hiontaväliksi saatiin 5–8 osaa. Hionnan jälkeinen pinnan karheus laskettiin arvoon Ra 0,2–0,4 μm, ja lyijyvirhe pidettiin enintään 0,008 mm:ssä, mikä täytti massatuotannon tarkkuus- ja vakausvaatimukset.
Tulevaisuuden tutkimuksessa voitaisiin integroida tekoälytekniikoita älykkään valmistuksen toteuttamiseksi C-EPS-matoille: konenäköjärjestelmien avulla työkalujen kulumisen seurantaan reaaliajassa-ja syväoppimismalleja leikkausparametrien dynaamiseen säätämiseen. ja lämpövirheen kompensointialgoritmien kehittäminen työstökoneille parantaakseen entisestään kierukkahiontatarkkuutta IT6-luokkaan. Nämä edistysaskeleet tarjoaisivat teknistä tukea korkealaatuisten -C-EPS-tuotteiden T&K- ja tuotantoon sekä laajentaisivat niiden markkinasovelluksia.
