Um den Bedarf an hoch{0}effizienter und hochpräziser Bearbeitung von C-EPS-Schneckenprofilen zu decken, untersucht diese Studie systematisch wichtige technische Aspekte-wie Prozessauswahl, Fräsoptimierung und Schleifsteuerung-, um das optimale Bearbeitungsschema zu ermitteln. Verbesserungen werden in mehreren Bereichen vorgeschlagen: Geräteauswahl, Werkstückhaltemethoden, Schneidwerkzeugparameter, Kühlsysteme und Prozessparameter. Zu den spezifischen Lösungen gehören die Verbesserung der Steifigkeit hochpräziser CNC-Wirbelmaschinen, die Optimierung der Effizienz durch hydraulisches Spannen und automatisches Be- und Entladen, die Entwicklung von Parametern für ultrafeine beschichtete Hartmetallwerkzeuge sowie die Steuerung von Hochdruck-Luftnebelkühlung und Profilschleifprozessen. Der optimierte Prozess sorgt für eine stabile IT7-Genauigkeit des Schneckenprofils, verbessert die Oberflächenqualität und Bearbeitungseffizienz erheblich und senkt die Produktionskosten erheblich.
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Einführung
Elektrische Servolenkungssysteme vom Säulen--Typ (C-EPS) werden aufgrund ihrer kompakten Struktur und überschaubaren Kosten häufig in Personenkraftwagen der Klasse A0 bis Klasse B eingesetzt. Die Evolventenschnecke (siehe Abbildung 1) dient als Kerndrehmomentübertragungskomponente des C-EPS; Wenn der Zahnprofilfehler 0,01 mm überschreitet, können Probleme wie Lenkverzögerung oder ungewöhnliche Geräusche auftreten [1]. Folglich erfordert der Bearbeitungsprozess höchste Präzision auf IT7-Niveau und erfüllt gleichzeitig die Effizienzanforderungen der Massenproduktion.
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Abbildung 1: Evolventenschnecke
Aktuelle Schneckenbearbeitungsprozesse stehen vor drei großen Herausforderungen: ① Herkömmliche Dreh- und Schleifprozesse weisen eine geringe Effizienz auf, da die Einzelschichtproduktion unter 500 Einheiten fällt. ② Wälzfräs- und Walzprozesse führen zu einer schlechten Profilkonsistenz; Die Genauigkeit hängt stark von der Wälzfräserpräzision ab und die Fehlerschwankungen erreichen ±0,02 mm, wenn das Werkzeug verschleißt. ③ Herkömmliche Fräsverfahren erfüllen nicht die Anforderungen an die Oberflächenqualität, was zu Oberflächenrauheitswerten (Ra) von 1,6 μm oder mehr führt. Die Entwicklung einer C--Schneckenbearbeitungstechnologie, die hohe Präzision und hohe Effizienz in Einklang bringt, ist von erheblicher praktischer Bedeutung für die Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit von C-EPS-Produkten auf dem Markt.
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Aktueller Forschungsstand (national und international)
Auf internationaler Ebene stützen sich Bemühungen zur Verbesserung der Präzision der Schneckenbearbeitung oft auf High-End-Geräte-wie die von der deutschen Firma KAPP entwickelte CNC-Schneckenschleifmaschine. Durch den Einsatz der thermischen Fehlerkompensationstechnologie kontrolliert dieses Gerät den kumulativen Spiralfehler auf 0,005 mm genau; Die Kosten pro Einheit übersteigen jedoch 8 Millionen RMB, was eine extrem hohe Eintrittsbarriere darstellt. Die inländische Forschung konzentrierte sich hauptsächlich auf die Prozessoptimierung; Während einige Automobilhersteller für die Massenproduktion von Schnecken einen Wälzfräs--plus-Walzprozess nutzen, erreicht die Bearbeitungsgenauigkeit nur die IT8-Klasse und erfüllt damit nicht die Anforderungen für High-End-Fahrzeugmodelle.
Die bestehende Forschung hat noch keine integrierte Bearbeitungslösung entwickelt, die hoch{0}effizientes Schruppen mit hoch-präzisem Schlichten kombiniert. Basierend auf einem kombinierten Prozess aus Wirbeln und Formschleifen wird in diesem Artikel ein umfassendes Optimierungssystem erstellt, das -Geräte, Schneidwerkzeuge und Prozessparameter umfasst-, um die Lücke in der hoch-effizienten und hoch{6}}präzisen Bearbeitungstechnologie für C-EPS-Schnecken zu schließen.
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Auswahl des Bearbeitungsprozesses für das Schneckenzahnprofil
3.1 Vergleich von Prozessschemata
Es wurde ein quantitativer Vergleich zwischen drei gängigen Verfahren zur Bearbeitung von Schneckenzahnprofilen durchgeführt: Drehen plus Schleifen, Wälzfräsen plus Walzen und Fräsen (Wirbeln) plus Schleifen. Bei dem Vergleich wurden Kernindikatoren-wie Oberflächenrauheit, Genauigkeitsgrad und Zahnprofilkonsistenz-sowie Produktionsmetriken wie Bearbeitungseffizienz und Umrüstzeit bewertet. Tabelle 1 vergleicht die Kernindikatoren der verschiedenen Prozesse, während Tabelle 2 deren Effizienz vergleicht.
Tabelle 1 Vergleich der Kernindikatoren für verschiedene Prozesse
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Hinweis: Die Daten stammen aus tatsächlichen Messungen an der Produktionslinie eines Automobilherstellers. Stichprobengröße n=500.
Tabelle 2 Vergleich der Effizienz verschiedener Prozesse
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Hinweis: Die Einzelschicht-Ausgabe basiert auf Messungen einer 30 mm × 120 mm großen Schnecke; Die Ausrüstung verfügt über eine Einzelspindelkonfiguration.
3.2 Bestimmung des optimalen Prozesses
Wie in den Tabellen 1 und 2 gezeigt, übertrifft der Fräs-{2}}plus--Schleifprozess (Wirbeln zum Schruppen/Halb{4}}schlichten, gefolgt vom Fertigschleifen) die anderen Verfahren sowohl hinsichtlich der Kernbearbeitungsindikatoren als auch der Produktionseffizienz deutlich. Darüber hinaus entfällt die Notwendigkeit einer speziellen Wälzfräsmaschine, wodurch die Bearbeitungskosten um etwa 40 % gesenkt werden. Daher konzentriert sich dieses Papier auf diesen Prozess für weitere eingehende-Untersuchungen.
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Optimierung des Schneckenmahlens
Das Fräsen dient als Schrupp- und Vorschlichtstufe für die Schnecke; Seine Bearbeitungsgenauigkeit und -effizienz bestimmen direkt die Referenzqualität und Produktionszykluszeit für den anschließenden Fertigschleifprozess. Diese Studie führt Optimierungsdesigns in fünf Aspekten durch: Geräteauswahl, Werkstückhaltemethoden, Schneidwerkzeugparameter, Kühlsysteme und Prozessparameter. 4.1 Geräteauswahl und Steifigkeitsverbesserung
(1) Auswahl einer hochpräzisen CNC-Wirbelmaschine: Um die Präzisionsanforderungen von IT7 zu erfüllen, wurde eine CNC-Wirbelmaschine ausgewählt, die mit hochpräzisen Vorschub- und Spindelsystemen ausgestattet ist. Die wichtigsten technischen Spezifikationen sind wie folgt:
1) Vorschubsystem: Auflösung kleiner oder gleich 0,0001 mm; Positionierungsgenauigkeit bei vollem Hub von ±0,002 mm.
2) Spindelsystem: Radialschlag kleiner oder gleich 0,001 mm; Planlauf kleiner oder gleich 0,0005 mm; Drehzahlstabilität von ±5 U/min.
Experimentelle Daten zeigen, dass bei einer Verbesserung der Positionierungsgenauigkeit der Werkzeugmaschine von ±0,01 mm auf ±0,002 mm der kumulative Fehler der Schneckenspirale von 0,025 mm auf 0,008 mm abnahm, was eine direkte Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit um zwei Stufen darstellt.
(2) Strategie zur Verbesserung der Werkzeugmaschinensteifigkeit: Eine unzureichende Werkzeugmaschinensteifigkeit führt tendenziell zu Schnittvibrationen, was zu einem Anstieg der Schneckenspurfehler um über 30 % führt. Die Steifigkeit von Werkzeugmaschinen kann durch die folgenden zwei Maßnahmen verbessert werden:
1) Fundamentverankerung: Ein Werkzeugmaschinensockel mit einer Dicke von mindestens 500 mm wird aus C30-Beton gegossen und über M30-Spreizbolzen starr mit dem Boden verbunden; Die Ebenheit des Untergrunds wird innerhalb von 0,02 mm/m gehalten.
2) Strukturoptimierung: An der Verbindung zwischen der Werkzeugauflage und dem Maschinenbett wird ein keilförmiger Verriegelungsmechanismus eingesetzt, der die Kontaktfläche um 40 % vergrößert und die statische Steifigkeit der Werkzeugmaschine auf 250 N/μm erhöht.
4.2 Optimierung der Spann- und Be-/Entlademethoden
(1) Präzise Steuerung der hydraulischen Klemmung: Herkömmliche manuelle Klemmung führt zu axialen Positionierungsfehlern von bis zu ±0,1 mm, was zu erheblichen Schwankungen in der axialen Positionsgenauigkeit des Schneckenzahnprofils führt. Durch die Verwendung eines hydraulischen selbst{3}}zentrierenden Spannfutters mit einer Spannkraft von 5–8 kN-in Verbindung mit einem Stirnflächen-Positionierungsbezugspunkt und einem axialen Druckring- wird der Klemmpositionierungsfehler auf ±0,03 mm kontrolliert. Dadurch wird die axiale Positionsgenauigkeit der Schnecke um das Dreifache verbessert und ein stabiler Bearbeitungsnullpunkt für nachfolgende Schlichtschleifprozesse bereitgestellt. (2) Effizienzsteigerung durch automatisiertes Be- und Entladen: Ein Fachwerkroboter wurde eingesetzt, um manuelle Arbeit beim automatisierten Be- und Entladen von Schneckenwellen zu ersetzen [2]. Die Spannzeit wurde von 20 s/Stück auf 5 s/Stück reduziert, die Anlagenauslastung stieg von 65 % auf 90 % und die Einzelschichtproduktion erhöhte sich um über 300 Teile.
4.3 Auslegung der Schneidwerkzeugparameter und Verschleißkontrolle
Als Rohmaterial für die C-EPS-Schneckenwelle wurde hochwertiger legierter Stahl ausgewählt, der nach dem Abschrecken und Anlassen eine Härte von 28–32 HRC erreicht [3]. Basierend auf den Materialeigenschaften befasste sich der Designprozess mit der Auswahl des Werkzeugmaterials, der Optimierung geometrischer Parameter und der Verschleißkontrolle während der Installation.
(1) Auswahl des Werkzeugmaterials: Ein Vergleich der Schneidleistung von Schnellarbeitsstahl (W18Cr4V), Standard-Hartmetall (WC-Co) und ultrafein-körnigem, beschichtetem Hartmetall (YBG-Serie) [4] ist in Tabelle 3 dargestellt. Als Werkzeugsubstrat wurde letztendlich YBG ultrafein-körniges, beschichtetes Hartmetall ausgewählt.
Tabelle 3 Vergleich der Schnittleistung für verschiedene Werkzeugmaterialien
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Hinweis: Die Schnittbedingungen waren eine Vorschubgeschwindigkeit von 0,15 mm/U und eine Schnitttiefe von 1,2 mm.
Das Werkzeug verfügt über ein WC-Co-Substrat mit zugesetztem Niob (Nb) und einer 3–5 μm dicken TiAlN-Nano{3}}-Beschichtung. Die Beschichtungshärte erreicht 3200 HV und die Warmhärte bleibt bis zu 800 Grad stabil und erfüllt damit die Prozessanforderungen für das Hochgeschwindigkeitsschneiden.
(2) Optimierung der geometrischen Werkzeugparameter: Basierend auf den Evolventenzahnprofileigenschaften der Schneckenwelle,
Spezielle geometrische Parameter wurden für den Schruppfräser (Formfräser vom Typ ZA-) und den Schlichtfräser (Formfräser vom Typ ZI-) entwickelt (siehe Tabelle 4), um Schnittkräfte, Schneidkantenfestigkeit und bearbeitete Oberflächenqualität auszugleichen.
Tabelle 4 Design spezieller Werkzeuggeometrieparameter
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(3) Werkzeuginstallation und Verschleißüberwachung: Die Werkzeuginstallation und Verschleißüberwachung muss den folgenden technischen Anforderungen entsprechen. 1) Schneidkopfkonfiguration: Es wird ein Präzisionsschneidkopf mit einer dynamischen Auswuchtgüte von G2,5 verwendet. Wie in Abbildung 2 dargestellt, verfügt der Schneidkopf über sechs Montagepositionen, die abwechselnd drei Schruppfräser und drei Schlichtfräser aufweisen. Die Schruppfräser reichen 0,12–0,20 mm weiter als die Schlichtfräser, sodass sowohl die Grob- als auch die Halbschlichtbearbeitung in einem einzigen Durchgang durchgeführt werden kann.
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Abbildung 2: Schematische Darstellung der Schneidkopfinstallation
2) Anpassung des Schrägungswinkels: Der Fräskopf wird geneigt und gedreht, um den Schrägungswinkel des Fräsers mit dem Steigungswinkel der Schnecke auszurichten ( ). Die Formel zur Berechnung des Steigungswinkels lautet:
tan=Pz / (πd1) (1)
Dabei ist der Steigungswinkel (Grad), Pz die axiale Steigung (mm) und d der Teilkreisdurchmesser (mm).
3) Verschleißüberwachung: Ein Schneckeninspektionsgerät wird verwendet, um Zahnprofilfehler in Echtzeit zu überwachen. Die Messer werden umgehend ausgetauscht, wenn der Verschleiß 0,005 mm erreicht; Die Einsätze können nach dem Nachschleifen drei bis vier Mal wiederverwendet werden.
4.4 Optimierung der Kühlsystem- und Prozessparameter
(1) Hochdruck-Luftnebelkühlung: Die Schnittgeschwindigkeit beim Wirbelfräsen beträgt 260–360 m/min, wobei die Temperaturen in der Schneidzone auf 600–800 Grad steigen. Es wird ein Hochdruck-Luftnebelkühlsystem [5] eingesetzt, das bei 0,80–1,38 MPa arbeitet. Das Kühlmedium besteht aus einer Mischung aus 5 % Hochdruckemulsion und Druckluft, die über vier symmetrisch angeordnete fächerförmige Düsen (1,5 mm Durchmesser) zugeführt wird, um die Schneidzone direkt zu spülen. Dieses System verbessert die Kühleffizienz um 60 % im Vergleich zur herkömmlichen Flutkühlung und reduziert die Spänerückstandsrate auf unter 0,5 %.
(2) Optimierung der Fräsparameter: Die orthogonale Testmethode wird verwendet, um die optimale Kombination von Prozessparametern für das Schneckenfräsen zu bestimmen und dabei die Bearbeitungseffizienz mit der Bearbeitungsqualität in Einklang zu bringen. 1) Schnitttiefe: Die Gesamtschnitttiefe für das Zahnradfräsen wird basierend auf der vollen Zahnhöhe *h* berechnet:
*h*=[(d1 + 2mx) - (d1 - 2.4mx)] / 2 (2)
Dabei ist *h* die volle Zahnhöhe (mm), die die gesamte Schnitttiefe darstellt; *d1* ist der Teilkreisdurchmesser des Zahnrads (mm); *m* ist das Axialmodul (mm); der Faktor 2 in „2m“ entspricht dem Addendum-Koeffizienten (Standard-Addendum ist 1*m*, also ergeben beide Seiten insgesamt 2*m**x*); und 2,4 ist der Fußfuß-bezogene Koeffizient (Standardfußfuß ist 1,2*m*, also ergeben beide Seiten insgesamt 2,4*m*).
2) Vorschubgeschwindigkeit: Die Vorschubgeschwindigkeit beträgt 0,13–0,20 mm/U und wird dynamisch an die Materialhärte angepasst.
3) Drehzahl: Die Drehzahl der Werkstückspindel beträgt 12–18 U/min und die Drehzahl des Schneidkopfs 6000–8000 U/min (lineare Schnittgeschwindigkeit 300–400 m/min).
4) Fertigschleifaufmaß: Das Aufmaß beträgt 0,5–0,7 mm, um die Schleifeffizienz mit der Endbearbeitungsgenauigkeit in Einklang zu bringen.
Unter Verwendung der oben genannten Parameter beträgt die Produktionszykluszeit für eine einzelne Wirbelmaschine 90–105 Stück/h; Die Oberflächenrauheit (Ra) der Schnecke nach dem Fräsen beträgt 0,8–1,2 μm und der Zahnprofilfehler beträgt ±0,004 mm [6].
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Steuerung des Schneckenzahnprofilschleifens
Schleifen ist der Endbearbeitungsprozess für die C-EPS-Schnecke und bestimmt direkt die endgültige Bearbeitungsgenauigkeit. In dieser Studie wird eine Prozesssteuerung in Bezug auf Schleifausrüstung/Schleifscheibenauswahl und Schleifparameter/Kühlungssteuerung implementiert, um sicherzustellen, dass die Genauigkeit der Schnecke stets der IT7-Klasse entspricht.
5.1 Auswahl von Schleifgeräten und Schleifscheiben
Es wird eine CNC-Schneckenschleifmaschine mit automatischer Zahnausrichtungsfunktion ausgewählt; Die Positioniergenauigkeit der Maschine beträgt ±0,001 mm. Es kommt ein Formschleifverfahren [7] zum Einsatz, bei dem ein CNC-Abrichter verwendet wird, um die Schleifscheibe in eine zur Schnecke passende Evolventenform abzurichten und so eine konsistente Bearbeitung des Zahnprofils sicherzustellen. Es wird eine weiße Schleifscheibe aus geschmolzenem Aluminiumoxid (WA) mit einer Härte von H5, einer Körnung von F80 und einer Kunstharzbindung (die eine ausgezeichnete Schlagfestigkeit bietet) ausgewählt. Der Raddurchmesser beträgt 405 mm und die lineare Betriebsgeschwindigkeit beträgt 45 m/s. Weiße Scheiben aus geschmolzenem Aluminiumoxid verfügen über gute selbstschärfende Eigenschaften und minimieren wirksam die Entstehung von Schleifwärme. Sie erzeugen weniger Wärme als Scheiben aus Siliziumkarbid und verhindern so Schleifverbrennungen am Werkstück.
5.2 Mahlparameter und Kühlsteuerung
(1) Schleifprozessparameter: Basierend auf dem nach dem Schneckenfräsen ermittelten Referenzwert und den endgültigen Präzisionsanforderungen wurden die optimalen Schleifparameter wie folgt ermittelt:
1) Drehzahl: Die Drehzahl der Werkstückspindel beträgt 5–8 U/min; Die Schleifscheibengeschwindigkeit beträgt 1800–2000 U/min (die lineare Geschwindigkeit der Scheibe beträgt 2289–2543 m/min).
2) Vorschubgeschwindigkeit: Die Vorschubgeschwindigkeit beim Grobschleifen beträgt 180–200 mm/min; Der Vorschub beim Fertigschleifen beträgt 50–80 mm/min.
3) Scheibenabrichtzyklus: Die Schleifscheibe wird nach jeweils 5–8 Schnecken abgerichtet, um die Genauigkeit des Scheibenprofils sicherzustellen.
(2) Steuerung der Schleifkühlung: Als Kühlmedium wird Hochdruck-Schneidöl mit einer Viskosität von 20–30 mm²/s bei 40 Grad verwendet. Die erzwungene Kühlung wird über eine 2 MPa-Hochdruckpumpe mit einer Durchflussrate von mindestens 50 l/min erreicht [7]. Dies gewährleistet eine ausreichende Kühlung der Schleifzone und entfernt effektiv Schleifspäne, wodurch ein Verstopfen der Schleifkörner verhindert wird, das die Bearbeitungsqualität beeinträchtigen könnte.
5.3 Überprüfung der Schleifergebnisse
Die Inspektion mit einem hochpräzisen Schneckenprüfgerät bestätigt, dass Schnecken, die mit dem optimierten Formschleifprozess bearbeitet wurden, eine stabile Zahnprofilgenauigkeit der Güteklasse IT7, eine Oberflächenrauheit (Ra) von 0,2–0,4 μm und einen Zahnausrichtungsfehler von kleiner oder gleich 0,008 mm erreichen. Die Produktionszykluszeit beträgt 60–72 Stück/Stunde und erfüllt damit die Prozessanforderungen für die Massenproduktion von C-EPS-Würmern. Das Abrichtprofil und die Profilerhaltung der Schleifscheibe sind kritische Kontrollpunkte im Schleifprozess; Jede Abweichung im Radprofil führt direkt zu übermäßigen Fehlern im Steigungs- und Zahnprofil der Schnecke. Daher müssen das Abrichten und Prüfen der Räder strikt in Übereinstimmung mit den Prozessanforderungen durchgeführt werden.
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Abschluss
In diesem Artikel wird ein hoch{0}effizientes, hoch-präzises Fertigungstechnologiesystem für C-EPS-Würmer durch die Optimierung von Prozessen und multi{3}dimensionalen Parametern etabliert, was zu den folgenden wichtigen Forschungsergebnissen führt:
1) Die Kombination aus Wirbeln (zum Schruppen/Vorschlichten) und Formschleifen (zum Schlichten) wurde als optimales Herstellungsverfahren für C-EPS-Schnecken identifiziert. Im Vergleich zu herkömmlichen Dreh- und Schleifmethoden steigert dieser Ansatz die Effizienz um das 10- bis 13-fache, erreicht eine Bearbeitungsgenauigkeit der IT7-Klasse und senkt die Produktionskosten um etwa 40 %.
2) Ein Schema zur Steifigkeitsverbesserung und eine hydraulische Spannstrategie für hochpräzise CNC-Wirbelmaschinen wurden vorgeschlagen; Durch diese Maßnahmen wurde die statische Steifigkeit der Werkzeugmaschine auf 250 N/μm erhöht und der Klemmpositionierungsfehler von ±0,1 mm auf ±0,03 mm reduziert.
3) YBG-Werkzeuge aus ultrafein beschichtetem Hartmetall (geeignet für Schnecken aus legiertem Stahl) und ein Luftnebelkühlsystem mit hohem Druck (0,80–1,38 MPa) wurden entwickelt, um ein Hochgeschwindigkeitsschneiden mit 300–400 m/min zu ermöglichen und eine Oberflächenrauheit nach dem Fräsen von Ra kleiner oder gleich 0,8 μm zu erreichen.
4) Die Parameter des Formschleifprozesses wurden optimiert und ein Scheibenabrichtintervall von 5–8 Teilen festgelegt. Die Oberflächenrauheit nach dem Schleifen wurde auf Ra 0,2–0,4 μm reduziert und der Steigungsfehler wurde bei kleiner oder gleich 0,008 mm gehalten, wodurch die Genauigkeits- und Stabilitätsanforderungen für die Massenproduktion erfüllt wurden.
Zukünftige Forschung könnte Technologien der künstlichen Intelligenz integrieren, um eine intelligente Fertigung für C-EPS-Würmer zu realisieren: Verwendung von Bildverarbeitungssystemen zur Überwachung des Werkzeugverschleißes in Echtzeit und Deep-Learning-Modellen zur dynamischen Anpassung von Schnittparametern; und Entwicklung von Algorithmen zur thermischen Fehlerkompensation für Werkzeugmaschinen, um die Genauigkeit des Schneckenschleifens weiter auf IT6-Klasse zu verbessern. Diese Fortschritte würden technische Unterstützung für die Forschung und Entwicklung sowie die Produktion hochwertiger C-EPS-Produkte bieten und deren Marktanwendungen erweitern.
