S cieľom splniť požiadavku na vysokú{0}}účinnosť a vysokú{1}}presnosť obrábania profilov závitoviek C-EPS táto štúdia systematicky skúma kľúčové technické aspekty,-ako je výber procesu, optimalizácia frézovania a riadenie brúsenia-, aby sa určila optimálna schéma spracovania. Zlepšenia sa navrhujú v niekoľkých oblastiach: výber zariadenia, metódy upínania obrobku, parametre rezných nástrojov, chladiace systémy a parametre procesu. Špecifické riešenia zahŕňajú zvýšenie tuhosti vysoko{7}}presných CNC vírivých strojov, optimalizáciu účinnosti pomocou hydraulického upínania a automatizovaného nakladania/vykladania, navrhovanie parametrov pre ultra-nástroje z tvrdokovu s jemným povlakom a riadenie procesov chladenia a brúsenia profilov pri vysokom-vzduchu{10}}. Optimalizovaný proces zaisťuje stabilnú presnosť IT7 pre profil závitovky, výrazne zlepšuje kvalitu povrchu a efektivitu obrábania a podstatne znižuje výrobné náklady.
1
Úvod
Stĺpové-systémy elektrického posilňovača riadenia (C-EPS) sú široko používané v osobných vozidlách od triedy A0 po triedu B kvôli ich kompaktnej štruktúre a zvládnuteľným nákladom. Evolventná závitovka (pozri obrázok 1) slúži ako základná zložka prenášajúca krútiaci moment -C-EPS; ak chyba profilu zubov presiahne 0,01 mm, pravdepodobne sa vyskytnú problémy, ako je oneskorenie riadenia alebo abnormálny hluk [1]. V dôsledku toho si proces obrábania vyžaduje prísnu presnosť na úrovni IT7 a zároveň spĺňa požiadavky na efektívnosť hromadnej výroby.
Obrázok
Obrázok 1: Evolventný červ
Súčasné procesy závitovkového obrábania čelia trom hlavným výzvam: ① Tradičné procesy sústruženia a brúsenia trpia nízkou účinnosťou, pričom jednosmenný výkon klesá pod 500 jednotiek. ② Procesy odvalovania a valcovania prinášajú zlú konzistenciu profilu; presnosť závisí vo veľkej miere od presnosti varnej dosky a kolísanie chýb dosahuje ±0,02 mm, keď sa nástroj opotrebováva. ③ Bežné frézovacie procesy nespĺňajú požiadavky na kvalitu povrchu, čo vedie k hodnotám drsnosti povrchu (Ra) 1,6 μm alebo vyšším. Vývoj technológie závitovkového obrábania C-EPS, ktorá spája vysokú presnosť s vysokou účinnosťou, má významný praktický význam pre zvýšenie konkurencieschopnosti produktov C-EPS na trhu.
2
Súčasný stav výskumu (domáci a medzinárodný)
V medzinárodnom meradle sa snahy o zlepšenie presnosti závitovkového obrábania často opierajú o špičkové -zariadenia{1}}, ako je napríklad CNC závitovková brúska vyvinutá nemeckou spoločnosťou KAPP. Využitím technológie kompenzácie tepelnej chyby toto zariadenie riadi kumulatívnu chybu skrutkovice s presnosťou 0,005 mm; náklady na jednotku však presahujú 8 miliónov RMB, čo vytvára mimoriadne vysokú prekážku vstupu. Domáci výskum sa primárne zameral na optimalizáciu procesov; zatiaľ čo niektorí výrobcovia automobilov využívajú na sériovú výrobu závitoviek odvalovací proces-plus{7}}valcovania, presnosť obrábania dosahuje iba stupeň IT8, čo nespĺňa požiadavky pre špičkové-modely vozidiel.
Existujúci výskum ešte musí vytvoriť integrované obrábacie riešenie, ktoré kombinuje vysoko{0}}účinné hrubovanie s vysokou-presnosťou dokončovania. Na základe kombinovaného procesu vírivého a tvarového brúsenia vytvára tento dokument komplexný optimalizačný systém-zahŕňajúci vybavenie, rezné nástroje a parametre procesu-na preklenutie medzery vo vysoko{5}}účinnej, vysoko{6}}presnej technológii obrábania pre C-EPS červy.
3
Výber procesu obrábania profilu závitovkového zuba
3.1 Porovnanie schém procesov
Uskutočnilo sa kvantitatívne porovnanie medzi tromi hlavnými procesmi obrábania profilu závitoviek: sústruženie plus brúsenie, odvalovacie frézovanie plus valcovanie a frézovanie (vírenie) plus brúsenie. V porovnaní sa hodnotili základné ukazovatele,-ako drsnosť povrchu, stupeň presnosti a konzistencia profilu zubov-, ako aj výrobné metriky, ako je efektivita obrábania a čas prechodu. Tabuľka 1 porovnáva hlavné ukazovatele rôznych procesov, zatiaľ čo tabuľka 2 porovnáva ich efektívnosť.
Tabuľka 1 Porovnanie základných ukazovateľov pre rôzne procesy
[obrázok]
Poznámka: Údaje odvodené zo skutočných meraní na výrobnej linke automobilky; veľkosť vzorky n=500.
Tabuľka 2 Porovnanie účinnosti pre rôzne procesy
[obrázok]
Poznámka: Jednozmenný-výstup je založený na rozmeroch závitovky φ30 mm × 120 mm; vybavenie obsahuje konfiguráciu jedného-vretena.
3.2 Stanovenie optimálneho procesu
Ako je uvedené v tabuľkách 1 a 2, proces frézovania-plus-brúsenia (vírenie na hrubovanie/polodokončovanie-nasledované dokončovaním brúsením) výrazne prevyšuje ostatné schémy v hlavných ukazovateľoch obrábania a efektívnosti výroby. Okrem toho eliminuje potrebu špeciálneho procesu odvalovacieho stroja, čím sa znížia náklady na obrábanie približne o 40 %. V dôsledku toho sa tento dokument zameriava na tento proces pre ďalší{8}}hĺbkový výskum.
4
Optimalizácia závitovkového frézovania
Frézovanie slúži ako fáza hrubovania a pol{0}}dokončovania závitovky; jeho presnosť a efektívnosť obrábania priamo určujú referenčnú kvalitu a čas výrobného cyklu pre následný proces dokončovacieho brúsenia. Táto štúdia sa zaoberá návrhom optimalizácie v piatich aspektoch: výber zariadenia, metódy uchytenia obrobku, parametre rezného nástroja, chladiace systémy a parametre procesu. 4.1 Výber zariadenia a zlepšenie tuhosti
(1) Výber vysoko presného CNC víriaceho stroja: Na splnenie požiadaviek na presnosť IT7 bol vybraný CNC víriaci stroj vybavený vysoko presným podávaním a vretenovými systémami. Hlavné technické špecifikácie sú nasledovné:
1) Systém podávania: Rozlíšenie menšie alebo rovné 0,0001 mm; presnosť polohovania s plným-zdvihom ±0,002 mm.
2) Systém vretena: Radiálne hádzanie menšie alebo rovné 0,001 mm; axiálne hádzanie menšie alebo rovné 0,0005 mm; stabilita otáčok ±5 ot./min.
Experimentálne údaje naznačujú, že keď sa presnosť polohovania obrábacieho stroja zlepšila z ±0,01 mm na ±0,002 mm, kumulatívna chyba závitovky klesla z 0,025 mm na 0,008 mm, čo predstavuje priame zlepšenie presnosti obrábania o dva stupne.
(2) Stratégia zvyšovania tuhosti obrábacieho stroja: Nedostatočná tuhosť obrábacieho stroja má tendenciu vyvolávať rezné vibrácie, čo spôsobuje viac ako 30 % nárast chýb v stope závitovkového zuba. Tuhosť obrábacieho stroja možno zvýšiť pomocou nasledujúcich dvoch opatrení:
1) Kotvenie základov: Základňa obrábacieho stroja s hrúbkou 500 mm alebo viac je odliata pomocou betónu C30 a pevne spojená s podlahou pomocou rozperných skrutiek M30; rovinnosť podkladu sa udržiava v rozmedzí 0,02 mm/m.
2) Štrukturálna optimalizácia: V spojení medzi opierkou nástroja a lôžkom stroja je použitý klinový{1}}blokovací mechanizmus, ktorý zväčšuje kontaktnú plochu o 40 % a zvyšuje statickú tuhosť obrábacieho stroja na 250 N/μm.
4.2 Optimalizácia metód upínania a nakladania/vykladania
(1) Presné ovládanie hydraulického upínania: Tradičné manuálne upínanie má za následok chyby axiálneho polohovania až ±0,1 mm, čo spôsobuje výrazné kolísanie presnosti axiálneho polohovania profilu závitovkového zuba. Použitím hydraulického samostrediaceho skľučovadla s upínacou silou 5–8 kN-v spojení s koncovým{7}}počiatom polohovania čela a axiálnym prítlačným krúžkom- je chyba upínania riadená v rozmedzí ±0,03 mm. Tým sa trojnásobne zlepšuje axiálna polohová presnosť závitovky a poskytuje stabilný základ obrábania pre následné dokončovacie{11}}brúsne procesy. (2) Zlepšenie efektívnosti prostredníctvom automatizovaného nakladania a vykladania: Bol prijatý priehradový robot, ktorý nahradil manuálnu prácu pri automatizovanom nakladaní a vykladaní závitovkových hriadeľov [2]. Čas upnutia sa skrátil z 20 s/kus na 5 s/kus, využitie zariadenia sa zvýšilo zo 65 % na 90 % a jednozmenný výkon sa zvýšil o viac ako 300 kusov.
4.3 Návrh parametrov rezného nástroja a kontrola opotrebovania
Ako surovina pre závitovkový hriadeľ C-EPS bola vybraná vysokokvalitná legovaná oceľ, ktorá po kalení a popúšťaní dosiahla tvrdosť 28–32 HRC [3]. Na základe charakteristík materiálu sa proces návrhu zameral na výber materiálu nástroja, optimalizáciu geometrických parametrov a kontrolu opotrebovania počas inštalácie.
(1) Výber materiálu nástroja: Porovnanie rezného výkonu-rýchloreznej ocele (W18Cr4V), štandardného slinutého karbidu (WC-Co) a ultrajemno{5}}zrnitého karbidu s povlakom (séria YBG) [4] je uvedené v tabuľke 3. Ako zrnitý karbid bol nakoniec vybraný nástroj YBG ultrafine-.
Tabuľka 3 Porovnanie rezného výkonu pre rôzne materiály nástrojov
[obrázok]
Poznámka: Podmienky rezu boli rýchlosť posuvu 0,15 mm/ra hĺbka rezu 1,2 mm.
Nástroj obsahuje WC-Co substrát s pridaným nióbom (Nb) a 3–5 μm hrubý nano-povlak TiAlN. Tvrdosť povlaku dosahuje 3200 HV a tvrdosť za horúca zostáva stabilná až do 800 stupňov, čím spĺňa procesné požiadavky na vysoko-rýchlostné rezanie.
(2) Optimalizácia geometrických parametrov nástroja: Na základe charakteristík profilu evolventného zuba závitovkového hriadeľa,
špeciálne geometrické parametre boli navrhnuté pre hrubovaciu frézu (formová fréza typu ZA{0}}) a dokončovaciu frézu (formová fréza typu ZI{1}}) (pozri tabuľku 4), vyrovnávajúce rezné sily, pevnosť reznej hrany a kvalitu obrobeného povrchu.
Tabuľka 4 Návrh geometrických parametrov špecializovaného nástroja
[obrázok]
(3) Inštalácia nástroja a monitorovanie opotrebenia: Inštalácia nástroja a monitorovanie opotrebenia musí spĺňať nasledujúce technické požiadavky. 1) Konfigurácia nožovej hlavy: Používa sa presná nožová hlava so stupňom dynamického vyváženia G2,5. Ako je znázornené na obrázku 2, hlava frézy má šesť montážnych polôh usporiadaných tak, aby sa mohli striedať tri hrubovacie-frézy a tri dokončovacie-frézy. Hrubovacie-frézy siahajú o 0,12 – 0,20 mm ďalej ako dokončovacie{11}}frézy, čo umožňuje dokončenie hrubého aj polodokončovacieho{12}}obrábania jedným prechodom.
Obrázok
Obrázok 2: Schéma inštalácie nožovej hlavy
2) Prispôsobenie uhla skrutkovice: Hlava frézy sa nakloní a otáča, aby sa zarovnal uhol skrutkovice frézy s uhlom predstihu závitovky ( ). Vzorec na výpočet uhla predstihu je:
tan=Pz / (πd1) (1)
Kde je uhol stúpania (stupeň), Pz je axiálne stúpanie (mm) a d je priemer rozstupovej kružnice (mm).
3) Monitorovanie opotrebenia: Nástroj na kontrolu šnekov sa používa na monitorovanie chýb profilu zubov v-reálnom čase. Frézy sa vymenia okamžite, keď opotrebovanie dosiahne 0,005 mm; doštičky je možné po prebrúsení znovu použiť trikrát alebo štyrikrát.
4.4 Optimalizácia chladiaceho systému a parametrov procesu
(1) Konštrukcia chladenia vysoko-vzduchom-hmlou: Rýchlosť rezania pri vírivom frézovaní dosahuje 260 – 360 m/min, pričom teploty v zóne rezu stúpajú na 600 – 800 stupňov . Používa sa vysokotlakový vzduchový-chladiaci systém [5] s tlakom 0,80 – 1,38 MPa. Chladiace médium pozostáva zo zmesi 5 % emulzie extrémneho-tlaku a stlačeného vzduchu, ktorý sa dodáva prostredníctvom štyroch symetricky usporiadaných vejárovitých-dýz (priemer 1,5 mm) na priame preplachovanie reznej zóny. Tento systém zlepšuje účinnosť chladenia o 60 % v porovnaní s tradičným chladením zaplavením a znižuje podiel zvyškov čipov pod 0,5 %.
(2) Optimalizácia parametrov frézovania: Metóda ortogonálneho testu sa používa na určenie optimálnej kombinácie parametrov procesu pre závitovkové frézovanie, vyváženie efektivity obrábania s kvalitou obrábania. 1) Hĺbka rezu: Celková hĺbka rezu pre frézovanie ozubených kolies sa vypočíta na základe plnej výšky zuba, *h*:
*h*=[(d1 + 2mx) - (d1 - 2.4mx)] / 2 (2)
Kde *h* je celková výška zuba (mm), predstavujúca celkovú hĺbku rezu; *d1* je priemer rozstupovej kružnice (mm); *m* je axiálny modul (mm); koeficient 2 v „2m“ zodpovedá súčiniteľu súčtu (štandardný prídavok je 1*m*, teda obe strany spolu 2*m**x*); a 2,4 je koeficient súvisiaci s dedendom- (štandardný dedendum je 1,2*m*, takže obe strany spolu 2,4*m*).
2) Rýchlosť posuvu: Rýchlosť posuvu je 0,13–0,20 mm/r, dynamicky sa nastavuje na základe tvrdosti materiálu.
3) Rýchlosť otáčania: Rýchlosť vretena obrobku je 12–18 ot./min a rýchlosť reznej hlavy 6000–8000 ot./min. (lineárna rýchlosť rezu 300–400 m/min.).
4) Prídavok na dokončovacie brúsenie: Prídavok je 0,5–0,7 mm, čím sa vyrovná účinnosť brúsenia s konečnou presnosťou obrábania.
Pri použití vyššie uvedených parametrov dosahuje čas výrobného cyklu jedného vírivého stroja 90–105 kusov/h; drsnosť povrchu (Ra) závitovky po frézovaní je 0,8–1,2 μm a chyba profilu zuba je ±0,004 mm [6].
5
Ovládanie brúsenia profilu závitovkového zuba
Brúsenie je konečný proces pre závitovku C-EPS a priamo určuje konečnú presnosť obrábania. Táto štúdia implementuje procesnú kontrolu týkajúcu sa výberu brúsneho zariadenia/brúsneho kotúča a parametrov brúsenia/regulácie chladenia, aby sa zabezpečilo, že presnosť závitovky bude konzistentne spĺňať stupeň IT7.
5.1 Výber brúsneho zariadenia a brúsnych kotúčov
Je vybratá CNC závitovková brúska s funkciou automatického{0}}zarovnávania zubov; presnosť polohovania stroja je ±0,001 mm. Používa sa metóda tvarového brúsenia [7] s použitím CNC orovnávača na úpravu brúsneho kotúča do evolventného tvaru zodpovedajúceho závitovke, čím sa zabezpečí konzistentnosť pri obrábaní profilu zubov. Je zvolený brúsny kotúč z bieleho taveného oxidu hlinitého (WA) s tvrdosťou H5, zrnitosťou F80 a živicovým spojivom (ponúkajúcim vynikajúcu odolnosť proti nárazu); priemer kolesa je 405 mm a prevádzková lineárna rýchlosť je 45 m/s. Kotúče z bieleho taveného oxidu hlinitého majú dobré{10}}samoostriace vlastnosti a účinne minimalizujú tvorbu tepla pri brúsení{11}}produkujú menej tepla ako kotúče z karbidu kremíka{12}}, čím zabraňujú popáleniu obrobku pri brúsení.
5.2 Parametre mletia a riadenie chladenia
(1) Parametre procesu brúsenia: Na základe referenčného údaja stanoveného po závitovom frézovaní a konečných požiadaviek na presnosť boli optimálne parametre brúsenia určené takto:
1) Rýchlosť otáčania: Rýchlosť vretena obrobku je 5–8 ot./min.; rýchlosť brúsneho kotúča je 1800–2000 ot./min (lineárna rýchlosť kotúča je 2289–2543 m/min.).
2) Rýchlosť posuvu: Rýchlosť posuvu pri hrubom brúsení je 180–200 mm/min; rýchlosť posuvu pri dokončovacom brúsení je 50–80 mm/min.
3) Cyklus orovnávania kotúča: Brúsny kotúč sa orovnáva po každých 5–8 závitovkách, aby sa zabezpečila presnosť profilu kotúča.
(2) Riadenie chladenia pri brúsení: Ako chladiace médium sa používa extrémne-rezný olej s viskozitou 20–30 mm²/s pri 40 stupňoch. Nútené chladenie sa dosahuje pomocou 2 MPa vysokotlakového-čerpadla s prietokom väčším alebo rovným 50 l/min [7]. To zaisťuje dostatočné chladenie brúsnej zóny a efektívne odstraňuje brúsne triesky, čím zabraňuje upchávaniu abrazívneho zrna, ktoré by mohlo ohroziť kvalitu obrábania.
5.3 Overenie výsledkov brúsenia
Kontrola pomocou vysoko{0}}precízneho testovača závitoviek potvrdzuje, že závitovky opracované procesom brúsenia optimalizovaným tvarom- dosahujú stabilnú presnosť profilu zubov triedy IT7, drsnosť povrchu (Ra) 0,2 – 0,4 μm a chybu zarovnania zubov 0,008 mm alebo menej. Čas výrobného cyklu je 60–72 kusov/hodinu, čo zodpovedá procesným požiadavkám na hromadnú výrobu C-EPS červov. Profil orovnávania a zachovanie profilu brúsneho kotúča sú kritickými kontrolnými bodmi v procese brúsenia; akákoľvek odchýlka v profile kolesa priamo vedie k nadmerným chybám v profile závitu a závitu. Orovnávanie a kontrola kolies sa preto musia vykonávať prísne v súlade s požiadavkami procesu.
6
Záver
Tento dokument zavádza vysoko{0}}účinný, vysoko{1}}precízny technologický technologický systém pre C-EPS červy prostredníctvom optimalizácie procesov a viac{3}}dimenzionálnych parametrov, čo prináša nasledujúce kľúčové výsledky výskumu:
1) Kombinácia vírenia (na hrubovanie/polo{1}}dokončovanie) a tvarového brúsenia (na konečnú úpravu) bola identifikovaná ako optimálny výrobný proces pre C-EPS červy. V porovnaní s tradičnými metódami sústruženia a brúsenia tento prístup zvyšuje efektivitu 10–13-krát, dosahuje presnosť obrábania na úrovni IT7 a znižuje výrobné náklady približne o 40 %.
2) Bola navrhnutá schéma zvýšenia tuhosti a stratégia hydraulického upínania pre vysoko presné CNC vírivé stroje; tieto opatrenia zvýšili statickú tuhosť obrábacieho stroja na 250 N/μm a znížili chybu polohovania upnutia z ±0,1 mm na ±0,03 mm.
2 μm.
4) Parametre procesu tvarového brúsenia boli optimalizované, čím sa stanovil interval orovnávania kotúča 5–8 dielov. Drsnosť povrchu po brúsení sa znížila na Ra 0,2 – 0,4 μm a chyba olova sa udržala na úrovni 0,008 mm alebo menej, čo spĺňa požiadavky na presnosť a stabilitu pre sériovú výrobu.
Budúci výskum by mohol integrovať technológie umelej inteligencie na realizáciu inteligentnej výroby pre červy C-EPS: využitie systémov strojového videnia na monitorovanie opotrebovania nástrojov v reálnom čase-a modely hlbokého učenia na dynamickú úpravu rezných parametrov; a vývoj algoritmov kompenzácie tepelnej chyby pre obrábacie stroje na ďalšie zlepšenie presnosti závitovkového brúsenia na stupeň IT6. Tieto vylepšenia by poskytli technickú podporu pre výskum a vývoj a výrobu špičkových-C-produktov EPS a rozšírili ich trhové aplikácie.
