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宋建科等
近几年,新能源汽车得到快速的发展和应用,但是其高速和长途续
航里程依然不能满足出行的需求,而提升新能源汽车传动系统效率
是减少运行能耗和延长续航里程的有效途径之一。
新能源汽车相对于燃油汽车对整车的噪声、振动和舒适性要求更加
严格,对传动系统的NVH问题更加敏感。采用高精度齿轮的多挡位
自动变速器对提高新能源汽车动力性、延长新能源汽车续驶里程、
优化新能源汽车电驱动系统总成性能、降低新能源汽车整车质量和
成本、改善新能源汽车驾乘感受等都具有重要作用。
因此,新能源汽车对传动齿轮的精度和加工质量具有更高的要求。
如图1所示,高精度渐开线圆柱齿轮是新能源汽车传动系统关键零
件,其加工技术复杂,对加工设备、加工精度和工件表面质量要求
高,此类齿轮的制造工艺尚不成熟、效率低、成本高,甚至需要大
量进口。
因此,有必要针对新能源汽车高精度传动齿轮加工工艺进行分析,
为高效加工工艺研究提供基础。
1汽车齿轮典型加工工艺分析
目前,汽车齿轮机械加工过程中,通常采用的加工工艺为:
车削锻造毛坯→切齿(滚齿/插齿)→剃齿→渗碳淬火→磨齿,滚
齿和磨齿工艺过程如图2所示。
齿轮毛坯为模锻而成;采用数控车床在一次装夹的条件下完成毛
坯的外圆表面、内孔表面和端面的车削,保证齿坯具有较好的精
度,为后序的高质量加工提供基础;采用滚齿的方法进行齿形的
粗加工(滚齿机的加工精度为IT10~IT7级);剃齿一般应用于未进
行淬火热处理齿轮齿形的精加工(精度可达IT7~IT6级),但是剃齿
不能修正分齿误差,剃齿后的精度只能比剃齿前提高一级;汽车
齿轮的工作任务比机床齿轮要繁重得多,因此在耐磨性、疲劳强
度、心部强度和冲击韧性等方面的要求均比机床齿轮要高,选用
渗碳钢制造并经渗碳热处理才能满足其性能要求;最后以磨削加
工的方法对经过热处理的齿轮内孔、端面、轴的外径等部分进行
精加工,进而提高尺寸精度和减小形位公差,磨削加工可达的经
济精度为IT6~IT4级,表面粗糙度为Ra0.2~0.8μm。
珩磨作为一种特殊的磨削加工技术,是精加工中的一种高效加工
方式,可以安排为最后加工工序,划分为光整加工阶段,具有加
工精度高、表面质量好、加工效率高等特点,可将表面粗糙度降
低到Ra0.20~0.05μm。
但是,汽车齿轮典型的加工工艺已经无法满足绿色节能的新能源
汽车对传动齿轮加工过程提出的高精度、高质量和高效率的要求,
因此,必须进行新的高效高质量加工工艺研究。
2高精度齿轮加工技术及措施
1)硬齿面加工技术
硬齿面加工技术主要应用于热处理后齿面硬度高于45HRC的齿
轮精加工,目的是提高齿轮精加工的效率、质量和降低加工成本,
主要加工方法是针对硬齿面的剃齿、精滚(刮研)、磨齿和珩齿等,
相对于传统加工工艺,硬齿面加工方法对机床、刀具材料和涂层、
工具技术等提出更高的要求。
随着刀具材料、刀具设计和制造技术的提升,硬齿面刀具得到快
速发展,促进了硬齿面加工技术在高精度齿轮加工中的应用。滚
齿和剃齿过程主要应用具有涂层的高速钢与硬质合金刀具;珩齿
和磨齿可以使用CBN或金刚石超硬磨料的电镀或烧结磨具,CBN
砂轮成形磨齿如图3所示。
并且在刀具设计时将粗、精加工刀具设计成组合刀具,减少工序
数量。采用涂层高速钢或硬质合金刀具进行硬齿面剃齿和精滚,
齿轮精度可以达到IT6~IT5级;采用超硬刀具材料砂轮进行硬齿
面珩齿和磨齿,相对于传统工艺,可以明显降低表面粗糙度,提
高表面质量,提高精度1~2级,加工效率是常规齿面磨齿的25倍
以上。为了适应硬齿面齿轮加工的需求,所用加工机床更加注重
数控技术、高速加工和多功能性。
2)强力珩齿技术
由于齿轮加工常用的“滚齿→剃齿→热处理→磨齿”工艺在高精
度汽车变速箱齿轮加工中存在的局限性,其难以满足齿轮技术要
求。
对热处理后的硬齿面进行磨削,进而采用珩齿的方法提高质量,
加工成本较高。但是,采用强力珩齿直接对硬齿面加工,是高精
度齿轮加工的高效方法。强力珩齿技术可以使齿轮精度达到IT5级
以上,当制造成本与传统工艺接近的条件下,可以获得更高的加
工精度、表面质量和加工效率,展现出良好的经济效益。
强力珩齿的齿形齿向修正量可以大于0.05mm,可以修正热处理
变形和微缺陷,表面粗糙度可以达到Ra0.2μm以下,加工过程如
图4所示。
热处理后采用强力珩齿的工艺,可以减少磨齿导致的表面磨纹,
避免变速器齿轮啮合过程中产生的谐振和噪声;齿面具有较大的
残余压应力,显著增大了齿轮强度、耐磨性及抗点蚀性能;强力
珩齿过程中刀具相对齿面滑动同时去
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