電機(jī)軸的最佳生產(chǎn)解決方案

　　為了使電動(dòng)汽車變速器在所有行駛條件下都能產(chǎn)生所需的高扭矩，這需要非常大的傳動(dòng)比以及高轉(zhuǎn)速。為了確保在所有速度區(qū)間都有足夠的動(dòng)力，并使駕駛員能夠在不換檔的情況下加速，電驅(qū)動(dòng)必須達(dá)到15,000轉(zhuǎn)/分，這大約是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的三倍，這給轉(zhuǎn)子軸帶來了很大的壓力。因此，轉(zhuǎn)子軸制造商面臨著新的挑戰(zhàn)，如更加嚴(yán)格的形位公差，以及更高的加工精度要求。

　　圖1：適合在DVS集團(tuán)機(jī)床上制造的電動(dòng)汽車變速箱部件

　　嚴(yán)格的形位公差以及更好的表面質(zhì)量有助于避免來自傳動(dòng)部件的振動(dòng)，從而將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的噪聲降至最低，即優(yōu)化NVH性能。由于電動(dòng)機(jī)幾乎是靜音工作的，因此其噪音排放要求比汽油或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)更為嚴(yán)苛。

　　另一個(gè)挑戰(zhàn)是：安裝空間狹小。在電動(dòng)汽車中，電池仍然占據(jù)了大部分空間。因此，電動(dòng)機(jī)中的電機(jī)軸、變速器和電力電子設(shè)備的設(shè)計(jì)必須非常緊湊。對(duì)于驅(qū)動(dòng)軸，意味著只有極小的刀具偏擺用于齒輪制造。

　　圖2：EV電機(jī)軸

　　資料來源：DVS TECHNOLOGY GROUP

　　電機(jī)軸集成化生產(chǎn)解決方案

　　為適應(yīng)嚴(yán)苛的要求, DVS TECHNOLOGY GROUP (DVS)匯集集團(tuán)在加工工藝方面具有核心競(jìng)爭(zhēng)力的數(shù)家公司,開發(fā)了一種具有前瞻性的集成生產(chǎn)解決方案，用于從原材料到成品零件的整體電機(jī)軸的交鑰匙工程。這意味著這些復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)部件的制造成本最高可節(jié)省40%。

　　帶刮齒工藝的軟加工

　　在生產(chǎn)鏈中，首先是Pittler V300，這是一種創(chuàng)新的多技術(shù)生產(chǎn)解決方案，結(jié)合了全自動(dòng)車削、銑削和鉆削工藝，以及使用高效刮齒工藝進(jìn)行齒輪切削。從而在一臺(tái)機(jī)床上只需通過兩次裝夾即可完成空心軸的熱前軟加工。減少了換型設(shè)置、工序建傳輸和等待時(shí)間，總加工時(shí)間也相應(yīng)縮短。此外，一臺(tái)機(jī)床覆蓋所有工序意味著更低的投資成本和更短的生產(chǎn)時(shí)間。

　　圖3：電機(jī)軸齒輪的刮齒

　　資料來源：Pittler T&S

　　在熱前加工中，刮齒被廣泛用于齒輪生產(chǎn)制造。該工藝以Pittler創(chuàng)始人威廉·馮·皮特勒先生于1910年提交的專利為基礎(chǔ)的齒輪切削加工方式。得益于制造技術(shù)的發(fā)展，近年來，刮齒已成為齒輪加工的一種高效而靈活的替代方案。

　　刮齒的特點(diǎn)之一是刀具軸與工件軸呈一定角度(圖3)，稱為軸交角。刀具的定位、給定的軸向進(jìn)給，以及刀具和工件的耦合速度形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)沿著主切削方向?qū)X隙從工件中“剝離”出來。

　　圖4：刮齒工藝的模擬

　　資料來源：Pittler T&S

　　當(dāng)切削點(diǎn)在刀具與工件軸的直線上時(shí)，刮削的接觸運(yùn)動(dòng)學(xué)要求刀具為錐形。為了避免這種情況，DVS集團(tuán)進(jìn)一步開發(fā)了強(qiáng)力刮齒技術(shù)：切削位置沿Y方向從連接刀具和工件軸的直線移出(圖5)。這種優(yōu)化使圓柱形刮齒刀的使用成為可能，通過定期的修磨，刀具壽命顯著延長(zhǎng)，成本大大降低。

　　圖5：計(jì)算的間隙角度與運(yùn)動(dòng)間隙角度的對(duì)比

　　資料來源：卡爾斯魯厄理工學(xué)院的wbk生產(chǎn)科學(xué)研究所

　　刮削過程中快速變化的切削力會(huì)引起機(jī)床和控制系統(tǒng)的振動(dòng)。因此刮削需要非常堅(jiān)固的機(jī)床結(jié)構(gòu)、刀具和工件托架以及高度優(yōu)化的控制電路。這正是DVS的強(qiáng)力刮齒機(jī)設(shè)計(jì)理念的根源。

　　刮齒技術(shù)比較

　　與其他工藝相比，刮齒工藝具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

　　刮削優(yōu)勢(shì)：

　　加工時(shí)間短

　　金屬去除率高

　　刀具成本合理

　　可與其他加工方法組合使用

　　一次裝夾即可完成內(nèi)、外齒輪生產(chǎn)

　　不利因素：

　　新技術(shù)

　　圖6：刮削技術(shù)比較

　　插齒優(yōu)勢(shì)：

　　靈活

　　技術(shù)簡(jiǎn)單

　　不利因素：

　　空程導(dǎo)致加工時(shí)間長(zhǎng)(約長(zhǎng)3-8倍)

　　工件成本高

　　不能與其他加工方法組合使用

　　圖7：插齒技術(shù)比較

　　資料來源：Pittler T& S

　　滾削優(yōu)勢(shì)：

　　金屬去除率高

　　加工時(shí)間短

　　刀具成本低

　　技術(shù)成熟

　　不利因素：

　　僅適用于外置齒輪

　　需要比刮削更大的偏擺

　　圖8：插齒技術(shù)比較

　　資料來源：Pittler T& S

　　拉削優(yōu)勢(shì)：

　　生產(chǎn)率高

　　加工時(shí)間特別短

　　不利因素：

　　柔性差

　　無法補(bǔ)償，例如跨棒距等

　　刀具成本高

　　刀具交付期時(shí)間長(zhǎng)

　　無法用于受限輪廓的加工

　　無夾持

　　圖9：拉削技術(shù)比較

　　資料來源：Pittler T& S

　　采用刮削的方法在熱前加工齒輪生產(chǎn)上有著很多優(yōu)勢(shì)。兩個(gè)獨(dú)特的賣點(diǎn)是一次裝夾即可完成內(nèi)、外齒輪生產(chǎn)，以及實(shí)現(xiàn)了多合一復(fù)合加工或與其他工藝結(jié)合的加工模式。

　　Buderus 235VH/M磨削和硬車削

　　軸在熱處理之后的第一道工序就是硬精加工工序。由于所需的特性，大多數(shù)轉(zhuǎn)子軸都有類似的設(shè)計(jì)。典型的整體式電子軸由一個(gè)驅(qū)動(dòng)齒或花鍵、兩個(gè)軸承座、兩個(gè)密封面和一個(gè)轉(zhuǎn)子座組成。根據(jù)疊片鐵心的固定方式，轉(zhuǎn)子座還附加有鍵槽或者扁平鍵面。

　　圖10：帶傳動(dòng)齒、軸承座、密封面和轉(zhuǎn)子座的電機(jī)軸

　　資料來源: DVS Technology Group

　　軸承座和密封面采用切入式磨削加工(圖11)，轉(zhuǎn)子座采用剝離段差磨削或切入式磨削加工(圖12)。端面和槽口通常在同一裝夾過程中通過硬車削加工，如果需要，可以將回轉(zhuǎn)多功能刀架集成到Buderus 235VH/M中。

　　軸承座、密封面和轉(zhuǎn)子座的公差應(yīng)在微米范圍內(nèi)。經(jīng)驗(yàn)表明，圓柱度的典型公差要求為0.004-0.03 mm，圓度的公差要求為0.002-0.025 mm，同軸度的公差要求為0.005-0.08 mm，同心度的公差要求為0.008-0.1 mm。對(duì)于密封面和轉(zhuǎn)子座，還需要進(jìn)一步獲得高達(dá)1μm的精度標(biāo)準(zhǔn)。

　　使用Buderus 235VH/M只需一次裝夾即可實(shí)現(xiàn)全部磨削精度。

　　圖11：?jiǎn)未窝b夾磨削

　　資料來源:BUDERUS Schleiftechnik

　　圖12：用WMZ主軸技術(shù)實(shí)現(xiàn)單次裝夾磨削

　　資料來源:BUDERUS Schleiftechnik

　　235 VH機(jī)床的概念代表著最高的質(zhì)量、極低的單件成本和最高的柔性。創(chuàng)新的機(jī)床平臺(tái)專為加工直徑達(dá)300mm、長(zhǎng)度達(dá)1,000mm的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸部件而設(shè)計(jì)。

　　該機(jī)床可實(shí)現(xiàn)組合和同步加工過程。靈活的配置選項(xiàng)支持各種加工技術(shù)，如磨削、硬車削和珩磨和動(dòng)力刀具的使用。

　　Buderus也是中驅(qū)技術(shù)方面的專家。最新開發(fā)的235VM中心驅(qū)動(dòng)機(jī)床具有先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作速度最高可達(dá)2,500轉(zhuǎn)/分，因此還能實(shí)現(xiàn)零件的硬車削。中驅(qū)技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是只需一次裝夾即可加工內(nèi)外幾何結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)更高的精度和更高的效率。

　　珩齒——展成珩磨工藝的優(yōu)勢(shì)

　　在空心軸安裝之前，DVS工藝鏈中的最后一步是珩齒。近年來，DVS子公司Präwema進(jìn)一步開發(fā)了該項(xiàng)技術(shù)，可以降低齒輪滾動(dòng)時(shí)的摩擦損失。該“強(qiáng)力珩齒”工藝現(xiàn)已成為國(guó)際汽車行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。珩磨后的齒面對(duì)于降低電動(dòng)汽車的噪聲水平和降低能耗至關(guān)重要。

　　高工件質(zhì)量是通過獨(dú)特的珩齒加工特性來實(shí)現(xiàn)的。例如，由于切割速度不超過12米/分鐘，因此不會(huì)造成磨削燒傷，而磨削燒傷通常是由于切割速度過高而導(dǎo)致的幾乎看不見的磨削附帶結(jié)果。較高的感應(yīng)表面張力還可以延長(zhǎng)齒輪的使用壽命，降低點(diǎn)狀腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。此外，整個(gè)齒面寬度采用切入法同步加工，軸向和徑向都有切削速度，工件表面紋路呈魚骨狀，以提高靜音運(yùn)行。

　　此外，節(jié)拍短、刀具成本低，且可加工不能用蝸桿砂輪磨削的緊湊齒輪，使珩齒工藝極具經(jīng)濟(jì)性。

　　極其高效的工藝可實(shí)現(xiàn)齒輪質(zhì)量IT 低于6 的超精密加工和Rz 低于1的超精細(xì)表面。為了獲得最佳的NVH性能，特定的微觀幾何形狀(例如，齒廓角和齒廓形狀偏差)將被應(yīng)用在驅(qū)動(dòng)齒上。

　　測(cè)試結(jié)果可根據(jù)要求提供。

　　珩齒的刀具解決方案

　　另一個(gè)重要的因素是刀具及其幾何結(jié)構(gòu)和材料。針對(duì)各自工藝量身定做的刀具解決方案確保了齒形部件的表面和輪廓達(dá)到最高質(zhì)量水平。DVS刀具的產(chǎn)品范圍涵蓋了所有的珩齒刀具。主要產(chǎn)品包括PRÄWEMA ORIGINAL 原裝珩磨輪圖12)和VarioSpeedDresser(VSD)多樣修形輪(圖14)。

　　為獲得高精度的加工結(jié)果，在珩齒過程中所施加的力是巨大的。這些力與部件特定的影響相結(jié)合，可能會(huì)在加工過程中產(chǎn)生不必要的振動(dòng)，因此必須吸收這些振動(dòng)以防止出現(xiàn)誤差。這就是為什么PRÄWEMA ORIGINAL?原裝珩磨輪有兩個(gè)磨料區(qū)域：帶齒加工區(qū)域外部是另外一層叫做緩沖區(qū)的材料，即緩沖區(qū)。該外部區(qū)域緩解了加工引起的震動(dòng)，確保震動(dòng)不會(huì)傳遞到珩磨頭和機(jī)床。

　　預(yù)開齒的PRÄWEMA珩磨輪的齒形質(zhì)量與大批量生產(chǎn)的最終珩磨輪齒形非常接近，而這通常只有在加工過程中進(jìn)行齒形修整后才能實(shí)現(xiàn)。我們通過VarioSpeedProfiling®(簡(jiǎn)稱VSP)仿形加工來實(shí)現(xiàn)極高的齒距精度和齒廓形狀質(zhì)量，同時(shí)確保整個(gè)珩磨輪始終保持高質(zhì)量。

　　圖13：Präwema珩磨輪

　　最新一代PRÄWEMA SynchroFine®珩齒機(jī)床使用VSD技術(shù)來修整珩磨刀具。“VSD”代表Vario Speed Dressing®多樣修形輪，其切削刀刃的幾何精度可以被定義的修整工藝，修整過程采用修整刀具的前刀刃進(jìn)入珩磨輪。與傳統(tǒng)的金剛石修整齒輪相比，VSD修整刀具實(shí)現(xiàn)了以前無法達(dá)到的輪廓形狀和精度。粗糙度從2.0 µm改進(jìn)到1.3-1.4µm。通過在VarioSpeedDresser上使用我們專有的DVS LaserCut激光切割精加工技術(shù)，可以進(jìn)一步提高齒形部件的表面質(zhì)量和齒廓質(zhì)量。在特殊的振動(dòng)過程中，使用精密的VarioSpeedDresser和特殊晶粒的珩磨輪，粗糙度從1.3-1.4 µm改進(jìn)到0.8µm。珩磨時(shí)間僅增加3-5秒。

　　圖14：VarioSpeedDresser修整器組

　　資料來源: Präwema Antriebstechnik

　　經(jīng)濟(jì)性與可靠性兼顧

　　DVS TECHNOLOGY GROUP開發(fā)的一體化生產(chǎn)方案，能通過對(duì)所有工藝環(huán)節(jié)的精確協(xié)調(diào)，生產(chǎn)出高質(zhì)量轉(zhuǎn)子軸，滿足電動(dòng)汽車傳動(dòng)的全部要求。通過這一系列獨(dú)特的工藝解決方案，DVS集團(tuán)不僅實(shí)現(xiàn)了高效生產(chǎn)，同時(shí)顯著降低了單件成本。在某些情況下，與傳統(tǒng)生產(chǎn)相比，成本最高可降低40%。