Kako bi se zadovoljila potražnja za visoko-učinkovitom, visoko{1}}preciznom obradom C-EPS profila pužnog zupčanika, ova studija sustavno istražuje ključne tehničke aspekte-kao što su odabir procesa, optimizacija mljevenja i kontrola brušenja-kako bi se odredila optimalna shema obrade. Poboljšanja se predlažu u nekoliko područja: odabir opreme, metode držanja, parametri alata za rezanje, sustavi hlađenja i parametri procesa. Specifična rješenja uključuju povećanje krutosti visoko-preciznih CNC vrtložnih strojeva, optimiziranje učinkovitosti putem hidrauličkog stezanja i automatiziranog utovara/istovara, projektiranje parametara za ultra-alate od karbida s finim premazom i kontrolu procesa hlađenja -zrakom-maglom pod visokim-tlakom i brušenja profila. Optimizirani proces osigurava stabilnu točnost IT7 stupnja za profil puža, značajno poboljšava kvalitetu površine i učinkovitost strojne obrade te značajno smanjuje troškove proizvodnje.
1
Uvod
Sustavi električnog servoupravljača-tipa (C-EPS) naširoko se koriste u putničkim vozilima u rasponu od klase A0 do klase B zbog svoje kompaktne strukture i prihvatljivih troškova. Evolventni puž (vidi sliku 1) služi kao komponenta C-EPS-a za-prijenos jezgre okretnog momenta; ako pogreška profila zuba prelazi 0,01 mm, vjerojatno će se pojaviti problemi kao što su zaostajanje pri upravljanju ili abnormalna buka [1]. Posljedično, proces strojne obrade zahtijeva strogu preciznost IT7 razreda, a istovremeno ispunjava zahtjeve učinkovitosti masovne proizvodnje.
Slika
Slika 1: Evolventni puž
Trenutačni procesi strojne obrade puža suočavaju se s tri glavna izazova: ① Tradicionalni procesi tokarenja i brušenja pate od niske učinkovitosti, s učinkom u jednoj-smjeni ispod 500 jedinica. ② Procesi glodanja i valjanja daju lošu konzistentnost profila; točnost se uvelike oslanja na preciznost ploče za kuhanje, a fluktuacije pogreške dosežu ±0,02 mm kako se alat troši. ③ Konvencionalni procesi mljevenja ne ispunjavaju zahtjeve kvalitete površine, što rezultira vrijednostima površinske hrapavosti (Ra) od 1,6 μm ili više. Razvoj C-EPS tehnologije strojne obrade puža koja uravnotežuje visoku preciznost s visokom učinkovitošću od velike je praktične važnosti za povećanje tržišne konkurentnosti C-EPS proizvoda.
2
Trenutno stanje istraživanja (domaće i međunarodno)
Na međunarodnoj razini, napori da se poboljša preciznost pužne obrade često se oslanjaju na vrhunsku-opremu-kao što je CNC pužna brusilica koju je razvila njemačka tvrtka KAPP. Korištenjem tehnologije kompenzacije toplinske pogreške, ova oprema kontrolira kumulativnu pogrešku spirale unutar 0,005 mm; međutim, cijena po jedinici premašuje 8 milijuna RMB, stvarajući izuzetno visoku prepreku ulasku. Domaća istraživanja prvenstveno su usmjerena na optimizaciju procesa; dok neki proizvođači automobila koriste proces glodanja-plus-valjanja za masovnu proizvodnju puža, točnost strojne obrade doseže samo ocjenu IT8, ne ispunjavajući zahtjeve za-vrhunske modele vozila.
Postojeća istraživanja tek trebaju uspostaviti integrirano rješenje za strojnu obradu koje kombinira visoko-učinkovitu grubu obradu s visoko-preciznom završnom obradom. Na temelju kombiniranog procesa vrtložnog brušenja i brušenja oblika, ovaj rad konstruira sveobuhvatan sustav optimizacije-koji obuhvaća opremu, alate za rezanje i procesne parametre-kako bi se premostio jaz u visoko-učinkovitoj, visoko{6}}preciznoj tehnologiji obrade za C-EPS puževe.
3
Izbor postupka obrade profila pužnog zuba
3.1 Usporedba procesnih shema
Provedena je kvantitativna usporedba između tri glavna procesa za strojnu obradu profila pužnog zuba: tokarenje plus brušenje, glodanje plus valjanje i glodanje (vrtjelo) plus brušenje. Usporedbom su procijenjeni ključni pokazatelji-kao što su hrapavost površine, stupanj točnosti i konzistentnost profila zuba-kao i metrika proizvodnje poput učinkovitosti obrade i vremena promjene. Tablica 1 uspoređuje temeljne pokazatelje različitih procesa, dok tablica 2 uspoređuje njihovu učinkovitost.
Tablica 1. Usporedba ključnih pokazatelja za različite procese
[Slika]
Napomena: Podaci izvedeni iz stvarnih mjerenja na proizvodnoj liniji proizvođača automobila; veličina uzorka n=500.
Tablica 2. Usporedba učinkovitosti za različite procese
[Slika]
Napomena: izlaz za jednu-smjenu temelji se na mjerenjima puža φ30mm × 120mm; oprema ima konfiguraciju s jednim-vretenom.
3.2 Određivanje optimalnog procesa
Kao što je prikazano u tablicama 1 i 2, proces glodanja-plus-brušenja (vrtjelo za grubu/polu-završnu obradu nakon čega slijedi završno brušenje) značajno nadmašuje ostale sheme i u pokazateljima osnovne strojne obrade i u učinkovitosti proizvodnje. Nadalje, eliminira potrebu za posebnim postupkom stroja za glodanje, smanjujući troškove strojne obrade za približno 40%. Stoga se ovaj rad usredotočuje na ovaj proces za daljnje-dubinsko istraživanje.
4
Optimizacija pužnog glodanja
Glodanje služi kao faza grube i polu{0}}završne obrade puža; njegova točnost i učinkovitost strojne obrade izravno određuju referentnu kvalitetu i vrijeme proizvodnog ciklusa za kasniji proces završnog brušenja. Ova studija provodi dizajn optimizacije kroz pet aspekata: izbor opreme, metode držanja, parametri alata za rezanje, sustavi hlađenja i parametri procesa. 4.1 Odabir opreme i povećanje krutosti
(1) Odabir visoko{1}}preciznog CNC vrtložnog stroja: Za ispunjavanje IT7 zahtjeva preciznosti odabran je CNC vrtložni stroj opremljen visoko-preciznim sustavima dodavanja i vretena. Ključne tehničke specifikacije su sljedeće:
1) Sustav dovoda: Rezolucija manja ili jednaka 0,0001 mm; točnost pozicioniranja punog-hoda od ±0,002 mm.
2) Sustav vretena: radijalno odstupanje manje od ili jednako 0,001 mm; aksijalno odstupanje Manje od ili jednako 0,0005 mm; stabilnost brzine vrtnje od ±5 o/min.
Eksperimentalni podaci pokazuju da kada se točnost pozicioniranja alatnog stroja poboljšala s ±0,01 mm na ±0,002 mm, kumulativna pogreška spirale puža smanjila se s 0,025 mm na 0,008 mm, što predstavlja izravno poboljšanje preciznosti obrade za dva stupnja.
(2) Strategija povećanja krutosti alatnog stroja: Nedovoljna krutost alatnog stroja ima tendenciju induciranja vibracija pri rezanju, uzrokujući povećanje od preko 30% grešaka u tragovima zuba puža. Čvrstoća alatnog stroja može se povećati kroz sljedeće dvije mjere:
1) Sidrenje temelja: baza alatnog stroja debljine veće od ili jednake 500 mm izlivena je pomoću betona C30 i kruto povezana s podom pomoću ekspanzijskih vijaka M30; Ravnost podloge održava se unutar 0,02 mm/m.
2) Strukturna optimizacija: klinasti-mehanizam za zaključavanje koristi se na spoju između postolja alata i postolja stroja, povećavajući kontaktnu površinu za 40% i podižući statičku krutost alatnog stroja na 250 N/μm.
4.2 Optimizacija stezanja i metoda utovara/istovara
(1) Precizna kontrola hidrauličkog stezanja: Tradicionalno ručno stezanje rezultira pogreškama aksijalnog pozicioniranja do ±0,1 mm, uzrokujući značajne fluktuacije u točnosti aksijalnog položaja profila pužnog zuba. Upotrebom hidrauličke samo{3}}stezne glave sa silom stezanja od 5–8 kN-u kombinaciji s krajnjom-osnovom za pozicioniranje i aksijalnim potisnim prstenom-pogreška pozicioniranja stezanja kontrolira se unutar ±0,03 mm. To trostruko poboljšava točnost aksijalnog položaja puža, pružajući stabilnu referentnu točku obrade za naknadne procese završnog-brusenja. (2) Poboljšanje učinkovitosti kroz automatizirani utovar i istovar: Robot za rešetke je usvojen da zamijeni ručni rad za automatizirani utovar i istovar pužnih osovina [2]. Vrijeme stezanja smanjeno je s 20 s/kom na 5 s/kom, iskorištenost opreme povećana je sa 65% na 90%, a proizvodnja u jednoj-smjeni povećana je za više od 300 komada.
4.3 Dizajn parametara alata za rezanje i kontrola trošenja
Visoko{0}}kvalitetni legirani čelik odabran je kao sirovina za C-EPS pužno vratilo, postižući tvrdoću od 28-32 HRC nakon kaljenja i popuštanja [3]. Na temelju karakteristika materijala, proces projektiranja bavio se odabirom materijala alata, optimizacijom geometrijskih parametara i kontrolom trošenja tijekom ugradnje.
(1) Odabir materijala alata: Usporedba performansi rezanja brzo{1}}brznog čelika (W18Cr4V), standardnog cementnog karbida (WC-Co) i ultrafinog-zrnatog karbida (YBG serija) [4] prikazana je u tablici 3. YBG ultrafino{8}}zrnati karbid obložen na kraju je odabran kao podloga za alat.
Tablica 3 Usporedba performansi rezanja za različite materijale alata
[Slika]
Napomena: Uvjeti rezanja bili su posmak od 0,15 mm/r i dubina rezanja od 1,2 mm.
Alat ima WC-Co supstrat s dodanim niobijem (Nb) i TiAlN nano{3}}prevlakom debljine 3–5 μm. Tvrdoća premaza doseže 3200 HV, a vruća tvrdoća ostaje stabilna do 800 stupnjeva, ispunjavajući procesne zahtjeve za rezanje velikom-brzinom.
(2) Optimizacija geometrijskih parametara alata: Na temelju karakteristika evolventnog profila zuba pužnog vratila,
dizajnirani su specijalizirani geometrijski parametri za grubo glodalo (za-tip glodala) i završno glodalo (ZI-tip glodalo) (vidi tablicu 4), balansirajući sile rezanja, čvrstoću oštrice i kvalitetu obrađene površine.
Tablica 4 Dizajn geometrijskih parametara specijaliziranog alata
[Slika]
(3) Instalacija alata i praćenje istrošenosti: Instalacija alata i praćenje istrošenosti moraju se pridržavati sljedećih tehničkih zahtjeva. 1) Konfiguracija glave rezača: koristi se precizna glava rezača sa stupnjem dinamičke ravnoteže G2,5. Kao što je prikazano na slici 2, glava rezača ima šest položaja za ugradnju raspoređenih naizmjenično između tri gruba-glodala i tri završna-glodala. Gruba-glodala pružaju se 0,12–0,20 mm dalje od završnih-glodala, omogućujući da se i gruba i polu{12}}završna obrada završe u jednom prolazu.
Slika
Slika 2: Shema instalacije glave rezača
2) Usklađivanje kuta zavojnice: glava rezača se naginje i rotira kako bi se poravnao kut zavojnice rezača s prednjim kutom puža ( ). Formula za izračunavanje prednjeg kuta je:
tan=Pz / (πd1) (1)
Gdje je prednji kut (stupnjevi), Pz je aksijalni odvod (mm), a d je promjer podeone kružnice (mm).
3) Praćenje istrošenosti: instrument za inspekciju puža koristi se za praćenje grešaka u profilu zuba u stvarnom-vremenu. Rezači se odmah mijenjaju kada istrošenost dosegne 0,005 mm; umeci se mogu ponovno koristiti tri ili četiri puta nakon ponovnog brušenja.
4.4 Optimizacija rashladnog sustava i procesnih parametara
(1) Visok{1}}dizajn hlađenja-maglom zraka pod visokim{1}}tlakom: Brzina rezanja za vrtložno glodanje doseže 260–360 m/min, s temperaturama u zoni rezanja koje se penju na 600–800 stupnjeva. Koristi se visokotlačni-sustav hlađenja-maglom [5] koji radi na 0,80–1,38 MPa. Rashladni medij sastoji se od mješavine 5% emulzije pod-ekstremnim{15}}tlakom i komprimiranog zraka, koji se isporučuje preko četiri simetrično raspoređene mlaznice u obliku-oblika lepeze (promjera 1,5 mm) za izravno ispiranje zone rezanja. Ovaj sustav poboljšava učinkovitost hlađenja za 60% u usporedbi s tradicionalnim potopnim hlađenjem i smanjuje stopu ostatka strugotine na ispod 0,5%.
(2) Optimizacija parametara glodanja: Metoda ortogonalnog ispitivanja koristi se za određivanje optimalne kombinacije parametara procesa za pužno glodanje, uravnotežujući učinkovitost obrade s kvalitetom obrade. 1) Dubina rezanja: Ukupna dubina rezanja za glodanje zupčanika izračunava se na temelju pune visine zuba, *h*:
*h*=[(d1 + 2mx) - (d1 - 2.4mx)] / 2 (2)
Gdje je *h* puna visina zuba (mm), koja predstavlja ukupnu dubinu rezanja; *d1* je promjer dionice zupčanika (mm); *m* je aksijalni modul (mm); faktor 2 u "2m" odgovara koeficijentu dodatka (standardni dodatak je 1*m*, tako da obje strane ukupno iznose 2*m**x*); a 2,4 je dedendum-koeficijent (standardni dedendum je 1,2*m*, tako da obje strane ukupno iznose 2,4*m*).
2) Brzina napredovanja: Brzina napredovanja je 0,13–0,20 mm/r, dinamički prilagođena na temelju tvrdoće materijala.
3) Brzina rotacije: Brzina vretena obratka je 12-18 o/min, a brzina glave rezača je 6000-8000 o/min (linearna brzina rezanja 300-400 m/min).
4) Dodatak za završno brušenje: Dodatak je 0,5–0,7 mm, čime se uravnotežuje učinkovitost brušenja s konačnom točnošću obrade.
Korištenjem gornjih parametara, vrijeme proizvodnog ciklusa za jedan vrtložni stroj doseže 90–105 komada/h; površinska hrapavost (Ra) puža nakon glodanja je 0,8-1,2 μm, a pogreška profila zuba je ±0,004 mm [6].
5
Kontrola brušenja profila pužnog zuba
Brušenje je završni proces za C-EPS puž i izravno određuje konačnu točnost strojne obrade. Ova studija provodi kontrolu procesa u vezi s opremom za mljevenje/odabirom brusne ploče i parametrima mljevenja/kontrolom hlađenja kako bi se osiguralo da točnost puža dosljedno zadovoljava ocjenu IT7.
5.1 Odabir opreme za brušenje i brusnih ploča
Odabran je CNC pužni stroj za brušenje s funkcijom-automatskog poravnanja zubaca; točnost pozicioniranja stroja je ±0,001 mm. Primjenjuje se metoda brušenja oblika [7], korištenjem CNC uređivača za oblikovanje brusne ploče u evolventni oblik koji odgovara pužu, čime se osigurava dosljednost u obradi profila zuba. Odabrana je bijela brusna ploča od taljenog aluminijevog oksida (WA), tvrdoće H5, veličine zrna F80 i veziva od smole (nudi izvrsnu otpornost na udarce); promjer kotača je 405 mm, a radna linearna brzina je 45 m/s. Bijeli taljeni aluminijski kotači imaju dobra-svojstva samooštrenja i učinkovito smanjuju stvaranje topline brušenja-proizvodeći manje topline od silicij-karbidnih kotača-čime se sprječavaju opekline od brušenja na izratku.
5.2 Parametri mljevenja i kontrola hlađenja
(1) Parametri procesa mljevenja: Na temelju referentnih podataka utvrđenih nakon pužnog mljevenja i konačnih zahtjeva za preciznošću, optimalni parametri mljevenja određeni su kako slijedi:
1) Brzina rotacije: Brzina vretena obratka je 5–8 o/min; brzina brusne ploče je 1800–2000 o/min (linearna brzina brusne ploče je 2289–2543 m/min).
2) Brzina dodavanja: Brzina dodavanja grubog brušenja je 180–200 mm/min; brzina dodavanja završnog brušenja je 50–80 mm/min.
3) Ciklus dotjerivanja ploče: brusna ploča se dorađuje nakon svakih 5–8 puža kako bi se osigurala točnost profila ploče.
(2) Kontrola hlađenja brušenja: kao medij za hlađenje koristi se ulje za rezanje pod ekstremnim-tlakom viskoznosti od 20–30 mm²/s na 40 stupnjeva. Prisilno hlađenje postiže se visokotlačnom pumpom od 2 MPa s protokom većim ili jednakim 50 L/min [7]. To osigurava odgovarajuće hlađenje zone brušenja i učinkovito uklanja strugotinu od brušenja, sprječavajući začepljenje abrazivnog zrna koje bi moglo ugroziti kvalitetu strojne obrade.
5.3 Provjera rezultata mljevenja
Inspekcija korištenjem visoko-preciznog ispitivača puža potvrđuje da puži obrađeni optimiziranim-postupkom brušenja postižu stabilnu točnost profila zuba IT7 stupnja, hrapavost površine (Ra) od 0,2–0,4 μm i pogrešku poravnanja zuba manju od ili jednaku 0,008 mm. Vrijeme proizvodnog ciklusa je 60-72 komada/sat, što zadovoljava zahtjeve procesa za masovnu proizvodnju C-EPS puža. Profil obrade i zadržavanje profila brusne ploče kritične su kontrolne točke u procesu brušenja; svako odstupanje u profilu kotača izravno dovodi do prekomjernih grešaka u profilu puža i zuba. Stoga se dorada i pregled kotača moraju strogo provoditi u skladu sa zahtjevima procesa.
6
Zaključak
Ovaj rad uspostavlja visoko-učinkovit, visoko{1}}precizan proizvodni tehnološki sustav za C-EPS crve putem optimizacije procesa i više-dimenzionalnih parametara, dajući sljedeće ključne rezultate istraživanja:
1) Kombinacija vrtloženja (za grubu/polu-završnu obradu) i brušenja oblika (za završnu obradu) identificirana je kao optimalan proizvodni proces za C-EPS puževe. U usporedbi s tradicionalnim metodama tokarenja i brušenja, ovaj pristup povećava učinkovitost za 10-13 puta, postiže točnost obrade IT7 razreda i smanjuje troškove proizvodnje za približno 40%.
2) Predložena je shema povećanja krutosti i strategija hidrauličkog stezanja za visoko{1}}precizne CNC vrtložne strojeve; te su mjere povećale statičku krutost alatnog stroja na 250 N/μm i smanjile pogrešku pozicioniranja stezanja s ±0,1 mm na ±0,03 mm.
3) YBG ultra-alati od tvrdog metala s finim premazom (prikladni za crve od legiranog čelika) i visokotlačni (0,80–1,38 MPa)-sustav hlađenja zračnom maglom su razvijeni, što omogućuje visoko-brzinsko rezanje pri 300–400 m/min i postizanje hrapavosti površine nakon-glodanja od Ra Manje od ili jednako 0,8 μm.
4) Optimizirani su parametri procesa brušenja oblika, uspostavljajući interval obrade točaka od 5-8 dijelova. Hrapavost površine nakon-brušenja smanjena je na Ra 0,2–0,4 μm, a pogreška vodilja je zadržana na manje od ili jednako 0,008 mm, ispunjavajući zahtjeve točnosti i stabilnosti za masovnu proizvodnju.
Buduća bi istraživanja mogla integrirati tehnologije umjetne inteligencije kako bi se ostvarila inteligentna proizvodnja za C-EPS crve: korištenje sustava strojnog vida za praćenje trošenja alata u stvarnom-vremenu i modela dubokog učenja za dinamičko prilagođavanje parametara rezanja; i razvoj algoritama za kompenzaciju toplinske pogreške za alatne strojeve za daljnje poboljšanje točnosti pužnog brušenja do stupnja IT6. Ova poboljšanja bi pružila tehničku podršku za istraživanje i razvoj i proizvodnju vrhunskih C-EPS proizvoda i proširila njihovu primjenu na tržištu.
