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Wednesday, 23. October 2019 14:26 Uhr

面向未来的内齿圈优化加工方案

PRAEWEMA Antriebstechnik已将内齿珩纳入其技术产品谱系

PRAEWEMA Antriebstechnik已将内齿珩纳入其技术产品谱系

随着行星轮系在机械传动领域特别是电动汽车传动领域的重要性不断增加,以及对高精度齿轮零件的需求不断上升,DVS齿轮加工专业产品线PRAEWEMA Antriebstechnik也在不断拓展其技术能力,以满足上述加工需要。这个来自于德国黑森林州北部埃施韦格的品牌,如今可以为内外齿µm级精度加工提供整套优化解决方案。下面我们就对其在行星轮系复杂内齿圈加工中的技术亮点和市场优势进行逐一详细解读。 行星轮系是自动档汽车特别是电动汽车的传动系统中必不可少的传动结构。相较于传统的定轴轮系,行星轮系可以实现三线或更多线的动力分流输出。这就使其在具有传动效率高,衰减率低,性能优越特点的同时,还兼具重量轻,体积小,运转顺畅的优势。因此,这种机构可以完成满足电动汽车传动系统扭矩高、体积小、重量轻的要求,电动汽车发动机转速高达17000转每分钟。 就生产加工而言,行星轮系的这些特点导致其中的零件,特别是齿轮件的几何公差要求更高,这就要求有更高精度的NVH(噪声、振动和不平顺性)优化机加方案与之相适应。
DVS公司旗下的PRAEWEMA Antriebstechnik为高精度齿轮的生产和优化提供定制化技术、设备、刀具解决方案,可以完全满足上述机加需要。 针对简单行星轮系软、硬齿面精加工提供定制化方案 PRAEWEMA外齿强力珩齿技术已处于全球领先地位,基于在此积累的深厚的综合专业技术能力,DVS齿轮加工专家又进一步改进了此技术,并发展出内齿硬齿面精加工方案。将高效的强力刮齿技术与其它诸如倒角的机加步骤相结合,PRAEWEMA如今可以提供简单行星轮系中高精度软、硬齿面精加工的整体解决方案,换句话说, PRAEWEMA不仅可以完成行星轮和太阳轮的外齿加工,还可以轻松应对内齿圈加工要求。 过去不会要求内齿圈达到与行星轮和太阳轮外齿圈同等的质量标准,但是随着传动系统的不断发展,如今这一情况发生了改变。过去的低质量标准主要基于以下两个原因。原因之一是,内齿圈的齿根承载能力比行星轮和太阳轮的要求低,这是因为外齿轮的几何加工条件更有利。原因之二是,内齿圈的生产批量相对较小,因此其机加技术的发展动力也就不足。

齿圈加工质量要求不断提高

时至今日,变速箱制造厂商对于行星轮系机构的性能以及NVH表现优化,几乎完全依赖于对于行星轮和太阳轮软硬齿面精加工质量的持续提升。因此外齿轮的机加质量和强度都处于较高水平,所允许的齿形修正量也比较大。相比较而言,内齿轮齿圈,通常是由调制钢制成的,在软齿面机加后就不会进行额外的热处理工序了。这样做造成的后果就是:内齿轮的修正量、平均强度值、齿形质量都受到很大限制,这会给齿轮的疲劳强度和噪声表现带来负面影响,进而影响整个传动系统的功能效率。 PRAEWEMA发现了内齿圈生产优化方面存在的潜力。但是要在这个方面有所作为,不仅需要轮齿机加方面的专业技术积累,还要对齿轮生产的所有工序环节了如指掌,一方面要通过表面硬化处理提高额定载荷,另一方面要探寻出经济高效的热处理后硬齿面精加工工序。最终,该公司开发并优化了能同时应对软、硬齿面机加的、适宜的加工方案。 基于客户对齿圈质量的不同要求,图1显示了齿圈生产中所有可能用到的工序流程。流程1和2显示了上述的传统生产流程;流程2中的渗氮热处理可以有效提高额定载荷,但是对齿形质量会有负面影响。流程3、4、7中展示的工序可以同时优化额定载荷和齿形质量。在每种情况中,软齿面加工后都要进行表面硬化热处理。这种硬化方法,是通过芯轴淬火或低压渗碳加高压淬火方式进行的,可以用于改善材料强度,但是会引起硬化变形,如收缩、椭圆或船形变形(如图3所示)。 因此对于诸如运转齿轮和轴承座这样的重要功能零件,在硬化处理后必须进行硬齿面修正工序。 热处理增加了强度,但使硬齿面精加工成为必然 图3显示了自动档汽车变速箱中一个典型的齿圈几何结构,通过特殊工艺流程对硬化阶段进行控制,可以使其圆度和平滑度失真量减半。这里需要特别注意的是,在软齿面加工阶段要留有一定的顶隙余量,用以防止齿轮根切。由于随后还会有硬齿面机加工序,这就允许在小范围内放宽软齿面机加的质量要求。这一原则同样适用于齿形修正工序。流程5展示了一种特殊情况:这里预刮齿工序后是软齿面珩磨工序,目的是进一步提高轮齿表面质量。这一工艺流程故意预留了后序渗氮处理造成的硬化变形。 对于硬齿面加工,DVS公司更倾向于采用高效的强力刮齿技术,而PRAEWEMA的强力珩齿技术则是为内齿轮加工量身定制的。硬齿面刮齿技术可以在没有典型走刀痕迹的情况下,有效得修正硬化变形。因此它更适合于质量标准较低的内齿轮大批量生产的场合(如流程3所示),或者是作为珩齿的预加工,因为刮齿后留下的用以修正变形和齿距误差的加工余量是非常有限的,珩齿后的齿轮可以达到很高的精度等级(如流程4所示)。在流程6和7中,软齿面强力刮齿工序后是渗氮或表面硬化热处理工序, 接下来是硬齿面珩齿工序,这里的珩齿工序和软齿面珩齿采用的是相同的工艺方法。这两种流程会使零件具有更高的额度载荷,因此适用于工作在超高应力场中的零件的加工。 内齿轮的最高表面质量和轮廓质量 正如在外齿轮珩齿方面所展现出的雄厚实力一样,PRAEWEMA针对于内齿轮优化的齿圈珩磨技术也同样可以达到齿轮零件所能要求的最高表面质量和轮廓质量,正因为如此,内齿轮制造达到了前所未有的生产效率和产品质量。典型齿轮珩磨表面纹理结构对齿轮的励磁特性有积极的影响。图2清晰地显示了,在各个齿距误差下,珩磨可以有效得降低表面粗糙度,增大疲劳强度、减小噪声。因此传动系统制造商可以通过应用这一工艺流程,生产出疲劳强度高,噪音小,高转矩的行星轮系机构,这正是自动档汽车特别是电动汽车的传动系统所需要的。 DVS旗下的DVS TOOLING产品线,业务范围覆盖了PRAEWEMA齿轮珩磨所需的所有刀具种类,也可以为内齿轮珩磨工艺提供经济、高效、精准匹配的刀具解决方案。其中包括了最新开发的内齿VarioSpeedDresser(VSD)刀具和外齿珩磨砂轮。对于外齿轮珩磨而言,VarioSpeedDresser(VSD)技术同样可以实现珩磨刀具的精确修整,或者珩磨砂轮修整,修整后的刀具可灵活适用于不同的齿形几何定义 。VarioSpeedDresser(VSD)技术与PRAEWEMA齿轮珩磨技术相结合,能够在保证齿轮表面质量的同时,完成对应于不同齿侧修正的几何形状调整。因此,在内齿轮硬齿面机加领域,齿圈珩磨技术绝对算是一个里程碑式的突破。

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图1:基于客户对齿圈质量的不同要求,齿圈生产中所有可能用到的工序流程

图3:内齿轮齿圈生产加工中必不可少的硬化工序所导致的形状失真分析

图2:PRAEWEMA内齿轮齿圈珩磨测量结果实例