برای پاسخگویی به تقاضا برای{0}}راندمان بالا،-ماشینکاری با دقت بالا پروفیلهای چرخ دنده کرم C{2}EPS، این مطالعه به طور سیستماتیک جنبههای فنی کلیدی-مانند انتخاب فرآیند، بهینهسازی آسیاب و کنترل سنگزنی{4}}را برای تعیین طرح پردازش بهینه بررسی میکند. بهبود در چندین زمینه پیشنهاد شده است: انتخاب تجهیزات، روش های نگهداری کار، پارامترهای ابزار برش، سیستم های خنک کننده، و پارامترهای فرآیند. راه حلهای خاص عبارتند از: افزایش استحکام ماشینهای چرخشی CNC با دقت بالا، بهینهسازی راندمان از طریق بستن هیدرولیک و بارگیری/تخلیه خودکار، طراحی پارامترها برای ابزارهای کاربید با روکش بسیار ظریف، و کنترل پروفیلهای هوای خنککننده با فشار بالا{{9}فشار{0}. فرآیند بهینه سازی دقت درجه IT7 پایدار را برای پروفایل کرم تضمین می کند، کیفیت سطح و کارایی ماشینکاری را به طور قابل توجهی بهبود می بخشد و هزینه های تولید را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.
1
مقدمه
سیستمهای فرمان برقی ستونی-(C-EPS) به دلیل ساختار فشرده و هزینههای قابل مدیریت، به طور گسترده در وسایل نقلیه سواری از کلاس A0 تا کلاس B استفاده میشوند. کرم پیچ خورده (شکل 1 را ببینید) به عنوان گشتاور هسته-جزء انتقال دهنده C-EPS عمل می کند. اگر خطای پروفیل دندان بیش از 0.01 میلی متر باشد، احتمالاً مشکلاتی مانند تاخیر فرمان یا صدای غیرعادی رخ می دهد [1]. در نتیجه، فرآیند ماشینکاری نیازمند دقت دقیق درجه IT7 است و در عین حال الزامات کارایی تولید انبوه را نیز برآورده میکند.
تصویر
شکل 1: کرم پیچ خورده
فرآیندهای ماشینکاری کرمی کنونی با سه چالش عمده روبرو هستند: ① فرآیندهای تراشکاری و آسیاب سنتی از راندمان پایینی رنج میبرند، با خروجی یک شیفت -به زیر 500 واحد میرسد. ② فرآیندهای هابینگ و نورد، ثبات مشخصات ضعیفی را به همراه دارد. دقت به شدت به دقت اجاق گاز بستگی دارد و نوسانات خطا با فرسودگی ابزار به 0.02± میلی متر می رسد. ③ فرآیندهای آسیاب معمولی نمی توانند الزامات کیفیت سطح را برآورده کنند و در نتیجه زبری سطح (Ra) 1.6 میکرومتر یا بیشتر است. توسعه یک فنآوری ماشینکاری کرم C{7}}EPS که دقت بالا را با راندمان بالا متعادل میکند، اهمیت عملی قابلتوجهی برای افزایش رقابت در بازار محصولات C-EPS دارد.
2
وضعیت فعلی تحقیقات (داخلی و بین المللی)
در سطح بینالمللی، تلاشها برای بهبود دقت ماشینکاری کرم اغلب به تجهیزات پیشرفته-مثل دستگاه سنگزنی کرم CNC که توسط شرکت آلمانی KAPP توسعه یافته است، متکی است. با استفاده از فناوری جبران خطای حرارتی، این تجهیزات خطای مارپیچ تجمعی را تا 0.005 میلی متر کنترل می کند. با این حال، هزینه هر واحد بیش از 8 میلیون RMB است، که مانع بسیار بالایی برای ورود ایجاد می کند. تحقیقات داخلی در درجه اول بر بهینه سازی فرآیند متمرکز شده است. در حالی که برخی از خودروسازان برای تولید انبوه کرمها از فرآیند نورد کردن-به علاوه-استفاده میکنند، دقت ماشینکاری فقط به درجه IT8 میرسد و شرایط لازم برای مدلهای-خودروهای پیشرفته را برآورده نمیکند.
تحقیقات موجود هنوز راهحل ماشینکاری یکپارچهای را ایجاد نکرده است که{0}}خشن کاری با راندمان بالا را با تکمیل-دقت بالا ترکیب کند. این مقاله بر اساس فرآیند ترکیبی چرخش و آسیاب فرم، یک سیستم بهینهسازی جامع-شامل تجهیزات، ابزارهای برش و پارامترهای فرآیند-برای پر کردن شکاف در{5}}فناوری ماشینکاری با کارایی بالا-با دقت بالا برای کرمهای C{7}EPS میسازد.
3
انتخاب فرآیند ماشینکاری پروفیل دندان کرم
3.1 مقایسه طرحهای فرآیند
یک مقایسه کمی بین سه فرآیند اصلی برای ماشینکاری پروفیل دندان کرم انجام شد: تراشکاری به علاوه سنگ زنی، حباب به همراه نورد، و آسیاب (چرخ زدن) به علاوه سنگ زنی. این مقایسه شاخصهای اصلی-مانند زبری سطح، درجه دقت، و قوام پروفیل دندان-و همچنین معیارهای تولید مانند راندمان ماشینکاری و زمان تغییر را ارزیابی کرد. جدول 1 شاخص های اصلی فرآیندهای مختلف را مقایسه می کند، در حالی که جدول 2 کارایی آنها را مقایسه می کند.
جدول 1 مقایسه شاخص های اصلی برای فرآیندهای مختلف
[تصویر]
توجه: داده های به دست آمده از اندازه گیری های واقعی در خط تولید یک خودروساز. اندازه نمونه n=500.
جدول 2 مقایسه کارایی برای فرآیندهای مختلف
[تصویر]
توجه: خروجی یک شیفت{0} بر اساس اندازهگیری یک کرم φ30mm × 120mm است. تجهیزات دارای یک پیکربندی تک اسپیندل-می باشد.
3.2 تعیین فرآیند بهینه
همانطور که در جداول 1 و 2 نشان داده شده است، فرآیند آسیاب-به علاوه-سوز کردن (چرخش برای خشن کردن/نیمه{4}}افرینی کردن و سپس سنگ زنی نهایی) به طور قابل توجهی از سایر طرح ها هم در شاخص های ماشینکاری هسته و هم در راندمان تولید بهتر عمل می کند. علاوه بر این، نیاز به فرآیند اختصاصی ماشین هوبینگ را از بین می برد و هزینه ماشینکاری را تقریباً 40 درصد کاهش می دهد. در نتیجه، این مقاله برای تحقیقات عمیق بیشتر بر روی این فرآیند تمرکز دارد.
4
بهینه سازی کرم آسیاب
آسیاب کردن به عنوان مرحله خشن و نیمه تمام-کرم عمل می کند. دقت و کارایی ماشینکاری آن به طور مستقیم کیفیت مرجع و زمان چرخه تولید را برای فرآیند سنگ زنی نهایی بعدی تعیین می کند. این مطالعه طراحی بهینهسازی را در پنج جنبه انجام میدهد: انتخاب تجهیزات، روشهای نگهداری کار، پارامترهای ابزار برش، سیستمهای خنککننده، و پارامترهای فرآیند{2}} انتخاب تجهیزات و افزایش سختی
(1) انتخاب ماشین چرخشی CNC با دقت بالا{{1}: برای برآورده کردن الزامات دقت IT7، یک دستگاه چرخش CNC مجهز به سیستمهای تغذیه و دوک با دقت بالا- انتخاب شد. مشخصات فنی کلیدی به شرح زیر است:
1) سیستم تغذیه: وضوح کمتر یا مساوی 0.0001 میلی متر. دقت موقعیتیابی کامل-سکته مغزی 0.002± میلیمتر.
2) سیستم اسپیندل: خروجی شعاعی کمتر یا مساوی 0.001 میلی متر. خروجی محوری کمتر یا مساوی 0.0005 میلی متر. ثبات سرعت چرخشی ± 5 r/min.
دادههای تجربی نشان میدهند که وقتی دقت موقعیتیابی ماشین ابزار از 0.01 ± میلیمتر به 0.002 ± میلیمتر بهبود یافت، خطای تجمعی مارپیچ کرم از 0.025 میلیمتر به 0.008 میلیمتر کاهش یافت که نشاندهنده بهبود مستقیم در دقت ماشینکاری با دو درجه است.
(2) استراتژی افزایش سفتی ماشین ابزار: سفتی ناکافی ابزار ماشین باعث ایجاد ارتعاشات برشی می شود و باعث افزایش بیش از 30 درصدی خطاهای ردیابی دندان کرم می شود. سفتی ماشین ابزار را می توان با دو معیار زیر افزایش داد:
1) لنگر انداختن پایه: یک پایه ماشین ابزار با ضخامت بیشتر یا مساوی 500 میلی متر با استفاده از بتن C30 ریخته گری می شود و به طور صلب از طریق پیچ های انبساط M30 به کف متصل می شود. سطح پایه در 0.02 میلی متر بر متر حفظ می شود.
2) بهینه سازی ساختاری: یک مکانیسم قفل گوه{1} در اتصال بین پایه ابزار و بستر دستگاه استفاده می شود که سطح تماس را تا 40% افزایش می دهد و سفتی استاتیک ماشین ابزار را تا 250 N/μm افزایش می دهد.
4.2 بهینه سازی روش های بستن و بارگیری/تخلیه
(1) کنترل دقیق بستن هیدرولیک: بستن دستی سنتی منجر به خطاهای موقعیت محوری تا 0.1 ± میلی متر می شود که باعث نوسانات قابل توجهی در دقت موقعیت محوری پروفایل دندان کرم می شود. با استفاده از یک چاک خود مرکزی هیدرولیک -با نیروی گیره 5-8 کیلونیوتن-در ارتباط با یک نقطه{7}}پایان{7}}مقطع موقعیت یابی و یک حلقه رانش محوری-خطای موقعیت گیره در 0.03± میلی متر کنترل می شود. این کار دقت موقعیت محوری کرم را سه برابر بهبود میبخشد و یک داده ماشینکاری پایدار برای فرآیندهای{11} سنگزنی بعدی فراهم میکند. (2) بهبود کارایی از طریق بارگیری و تخلیه خودکار: یک ربات خرپایی برای جایگزینی کار دستی برای بارگیری و تخلیه خودکار شفت های کرم استفاده شد [2]. زمان بستن از 20 ثانیه در قطعه به 5 ثانیه در قطعه کاهش یافت، استفاده از تجهیزات از 65 درصد به 90 درصد افزایش یافت و خروجی تک شیفتی بیش از 300 قطعه افزایش یافت.
4.3 طراحی پارامتر ابزار برش و کنترل سایش
فولاد آلیاژی با کیفیت بالا-به عنوان ماده خام برای شفت کرم C{1}EPS انتخاب شد که پس از خاموش کردن و تمپر کردن به سختی 28-32 HRC رسید [3]. بر اساس ویژگیهای مواد، فرآیند طراحی به انتخاب مواد ابزار، بهینهسازی پارامترهای هندسی و کنترل سایش در حین نصب میپردازد.
(1) انتخاب مواد ابزار: مقایسه عملکرد برش فولاد پرسرعت (W18Cr4V)، کاربید سیمانی استاندارد (WC{4}Co) و کاربید پوشش داده شده بسیار ریز- دانه دانه (سری YBG) [4] در جدول 3 نشان داده شده است. بستر
جدول 3 مقایسه عملکرد برش برای مواد مختلف ابزار
[تصویر]
توجه: شرایط برش، نرخ تغذیه 0.15 میلی متر در ساعت و عمق برش 1.2 میلی متر بود.
این ابزار دارای یک بستر WC{0}}Co با افزودن نیوبیوم (Nb) و یک پوشش نانو{3}} TiAlN به ضخامت 3-5 میکرومتر است. سختی پوشش به 3200 HV می رسد، و سختی گرم تا 800 درجه پایدار می ماند و الزامات فرآیند برای برش-سرعت بالا را برآورده می کند.
(2) بهینه سازی پارامتر هندسی ابزار: بر اساس ویژگی های پروفیل دندان در پیچ شفت کرم،
پارامترهای هندسی تخصصی برای فرز خشن (ZA{0}}نوع برش فرم) و فرز پایانی (ZI-نوع برش فرم) (به جدول 4 مراجعه کنید)، متعادل کردن نیروهای برش، استحکام لبه برش، و کیفیت سطح ماشینکاری شده طراحی شده است.
جدول 4 طراحی پارامترهای هندسی ابزار تخصصی
[تصویر]
(3) نصب ابزار و نظارت بر سایش: نصب ابزار و نظارت بر سایش باید الزامات فنی زیر را رعایت کند. 1) پیکربندی سر برش: یک سر برش دقیق با درجه تعادل دینامیکی G2.5 استفاده میشود. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، سر کاتر دارای شش موقعیت نصب است که به طور متناوب بین سه فرز فرز ناهموار و سه فرز فرز تکمیل شده است. فرزهای ناهموار 0.12 تا 0.20 میلی متر بیشتر از فرزهای تکمیلی{11}}فرز میروند و این امکان را میدهند که ماشینکاری خشن و نیمه{12}}در یک پاس تکمیل شود.
تصویر
شکل 2: شماتیک نصب سر کاتر
2) تطبیق زاویه مارپیچ: سر برش کج شده و چرخانده می شود تا زاویه مارپیچ کاتر با زاویه سرب کرم ( ) تراز شود. فرمول محاسبه زاویه لید به صورت زیر است:
tan=Pz / (πd1) (1)
جایی که زاویه لید (درجه)، Pz لید محوری (mm) و d قطر دایره گام (mm) است.
3) نظارت بر سایش: ابزار بازرسی کرمی برای نظارت بر خطاهای نمایه دندان در زمان واقعی- استفاده میشود. هنگامی که سایش به 0.005 میلی متر رسید، کاترها به سرعت تعویض می شوند. پس از سنگ زنی مجدد می توان از اینسرت ها سه یا چهار بار استفاده مجدد کرد.
4.4 بهینه سازی سیستم خنک کننده و پارامترهای فرآیند
(1)-هوای پرفشار-طراحی خنککننده مه: سرعت برش برای آسیاب چرخشی به 260-360 متر در دقیقه میرسد و دما در منطقه برش به 600-800 درجه میرسد. یک سیستم خنککننده هوای با فشار بالا-با فشار 0.80 تا 1.38 مگاپاسکال استفاده میشود. محیط خنککننده شامل مخلوطی از 5% امولسیون فشار شدید و هوای فشرده است که از طریق چهار نازل متقارن (قطر 1.5 میلیمتر) به شکل فن (قطر 1.5 میلیمتر) ارسال میشود. این سیستم راندمان خنک کننده را تا 60 درصد در مقایسه با خنک کننده سیل سنتی بهبود می بخشد و میزان باقیمانده تراشه را به زیر 0.5 درصد کاهش می دهد.
(2) بهینه سازی پارامتر فرز: روش تست متعامد برای تعیین ترکیب بهینه پارامترهای فرآیند برای فرز کرمی، متعادل کردن راندمان ماشینکاری با کیفیت ماشینکاری استفاده می شود.
*h*=[(d1 + 2mx) - (d1 - 2.4mx)] / 2 (2)
جایی که *h* ارتفاع کامل دندان (میلی متر) است، که نمایانگر عمق کل برش است. *d1* قطر دایره گام چرخ دنده (mm) است. *m* ماژول محوری (mm) است. ضریب 2 در "2 متر" با ضریب اضافه مطابقت دارد (ضمیمه استاندارد 1*m* است، بنابراین مجموع هر دو طرف 2*m**x* است). و 2.4 ضریب مربوط به dedendum{6}}است (دنددوم استاندارد 1.2*m* است، بنابراین هر دو طرف مجموعاً 2.4*m* است).
2) نرخ تغذیه: نرخ تغذیه 0.13-0.20 mm/r است که به صورت دینامیکی بر اساس سختی مواد تنظیم می شود.
3) سرعت چرخش: سرعت دوک قطعه کار 12-18 دور در دقیقه و سرعت سر برش 6000-8000 دور در دقیقه است (سرعت خطی برش 300-400 متر در دقیقه).
4) کمک هزینه سنگ زنی پایان: مقدار مجاز 0.5-0.7 میلی متر است که بازده سنگ زنی را با دقت ماشینکاری نهایی متعادل می کند.
با استفاده از پارامترهای بالا، زمان چرخه تولید برای یک دستگاه چرخشی به 90-105 قطعه در ساعت می رسد. زبری سطح (Ra) کرم پس از آسیاب 0.8-1.2 میکرومتر است و خطای پروفیل دندان 0.004 ± میلی متر است [6].
5
کنترل ساییدن پروفیل دندان کرم
سنگ زنی فرآیند تکمیل برای کرم C-EPS است و مستقیماً دقت نهایی ماشینکاری را تعیین می کند. این مطالعه کنترل فرآیند را در مورد تجهیزات سنگ زنی / انتخاب چرخ سنگ زنی و پارامترهای سنگ زنی / کنترل خنک کننده اجرا می کند تا اطمینان حاصل شود که دقت کرم به طور مداوم با درجه IT7 مطابقت دارد.
5.1 انتخاب تجهیزات سنگ زنی و چرخ های سنگ زنی
یک ماشین سنگ زنی کرم CNC با عملکرد تراز خودکار- دندان انتخاب شده است. دقت موقعیت یابی دستگاه 0.001 ± میلی متر است. یک روش سنگ زنی فرم [7] استفاده می شود، با استفاده از یک کمد CNC برای پوشاندن چرخ سنگ زنی به شکل نامرتب مطابق با کرم، در نتیجه ثبات در ماشینکاری پروفیل دندان را تضمین می کند. یک چرخ سنگ زنی آلومینا ذوب شده سفید (WA) انتخاب شده است که دارای سختی H5، اندازه سنگ ریزه F80 و باند رزینی است (مقاومت در برابر ضربه عالی ارائه می دهد). قطر چرخ 405 میلی متر و سرعت خطی عملکرد 45 متر بر ثانیه است. چرخهای آلومینا ذوب شده سفید دارای خواص خود تیز شوندگی خوبی هستند و به طور موثر تولید گرمای آسیاب را به حداقل میرسانند{11}}در مقایسه با چرخهای کاربید سیلیکون گرمای کمتری تولید میکنند{12}}در نتیجه از سوختگی سنگزنی روی قطعه کار جلوگیری میکنند.
5.2 پارامترهای سنگ زنی و کنترل خنک کننده
(1) پارامترهای فرآیند سنگ زنی: بر اساس داده مرجع ایجاد شده پس از آسیاب کرم و الزامات دقت نهایی، پارامترهای بهینه آسیاب به شرح زیر تعیین شد:
1) سرعت چرخش: سرعت دوک قطعه کار 5-8 دور در دقیقه است. سرعت چرخ سنگ زنی 1800-2000 دور در دقیقه است (سرعت خطی چرخ 2289-2543 متر در دقیقه).
2) نرخ تغذیه: نرخ خوراک سنگ زنی خشن 180-200 میلی متر در دقیقه است. سرعت تغذیه نهایی آسیاب 50-80 میلی متر در دقیقه است.
3) چرخه پانسمان چرخ: چرخ سنگزنی پس از هر 5 تا 8 کرم پانسمان می شود تا از دقت مشخصات چرخ اطمینان حاصل شود.
(2) کنترل خنک کننده سنگ زنی: روغن برش با فشار شدید با ویسکوزیته 20 تا 30 میلی متر مربع بر ثانیه در 40 درجه به عنوان محیط خنک کننده استفاده می شود. خنکسازی اجباری از طریق یک پمپ فشار{7}2 مگاپاسکال با سرعت جریان بیشتر یا مساوی 50 لیتر در دقیقه انجام میشود [7]. این امر خنکسازی کافی ناحیه آسیاب را تضمین میکند و به طور موثر تراشههای آسیاب را حذف میکند و از گرفتگی دانههای ساینده که میتواند کیفیت ماشینکاری را به خطر بیندازد، جلوگیری میکند.
5.3 تأیید نتایج سنگ زنی
بازرسی با استفاده از یک آزمایشکننده کرم با دقت بالا تأیید میکند که کرمهایی که با فرم بهینهسازیشده{1}}فرایند سنگزنی ماشینکاری شدهاند، به دقت پروفیل دندانی با درجه IT7، زبری سطح (Ra) 0.2-0.4 میکرومتر و خطای همترازی دندان کمتر یا مساوی 0 میرسند. زمان چرخه تولید 60 تا 72 قطعه در ساعت است که الزامات فرآیند را برای تولید انبوه کرمهای C{9}}EPS برآورده میکند. مشخصات پانسمان و حفظ پروفیل چرخ سنگ زنی از نکات کنترلی حیاتی در فرآیند سنگ زنی هستند. هر گونه انحراف در مشخصات چرخ مستقیماً منجر به خطاهای بیش از حد در پروفیل سرب و دندان کرم می شود. بنابراین، پانسمان چرخ و بازرسی باید به شدت مطابق با الزامات فرآیند انجام شود.
6
نتیجه گیری
این مقاله از طریق بهینهسازی فرآیندها و پارامترهای چند بعدی، یک-بازده و{1}}سیستم فناوری ساخت با دقت بالا-برای کرمهای C-EPS ایجاد میکند که نتایج تحقیقات کلیدی زیر را به دست میدهد:
1) ترکیب چرخش (برای خشن کردن/نیمه{1}) و آسیاب قالب (برای تکمیل) به عنوان فرآیند تولید بهینه برای کرمهای C-EPS شناسایی شد. در مقایسه با روشهای تراشکاری و آسیاب سنتی، این روش کارایی را 10 تا 13 برابر افزایش میدهد، به دقت ماشینکاری درجه IT7 میرسد و هزینههای تولید را تقریباً 40 درصد کاهش میدهد.
2) یک طرح افزایش سختی و یک استراتژی بستن هیدرولیک برای ماشینهای چرخشی CNC با دقت بالا پیشنهاد شد. این اقدامات سفتی استاتیک ماشین ابزار را به 250 N/μm افزایش داد و خطای موقعیت گیره را از 0.1 ± میلی متر به 0.03 ± میلی متر کاهش داد.
3) ابزارهای کاربید با پوشش ریز YBG (مناسب برای کرمهای فولادی آلیاژی) و سیستم خنککننده هوای با فشار بالا (0.80-1.38 مگاپاسکال) و برش با سرعت بالا با سرعت 300 تا 400 متر در دقیقه و در دقیقه 300-400 کمتر یا مساوی 0.8 میکرومتر.
4) پارامترهای فرآیند سنگ زنی فرم بهینه شدند و فاصله پانسمان چرخ 5-8 قسمت ایجاد شد. زبری سطح پست{4}}به Ra 0.2-0.4 میکرومتر کاهش یافت و خطای سرب در کمتر یا مساوی 0.008 میلیمتر نگه داشته شد و دقت و پایداری مورد نیاز برای تولید انبوه را برآورده کرد.
تحقیقات آینده میتواند فناوریهای هوش مصنوعی را برای تحقق تولید هوشمند برای کرمهای C{0}EPS ادغام کند: استفاده از سیستمهای بینایی ماشین برای نظارت بر سایش ابزار در{1}}زمان واقعی و مدلهای یادگیری عمیق برای تنظیم پویا پارامترهای برش. و توسعه الگوریتمهای جبران خطای حرارتی برای ماشینابزار برای بهبود بیشتر دقت آسیاب کرم تا درجه IT6. این پیشرفتها پشتیبانی فنی را برای تحقیق و توسعه و تولید محصولات-C{5}EPS بالا ارائه میکند و کاربردهای بازار آنها را گسترش میدهد.
