磨削可以降低噪音和振动,并有助于提高电动汽车的齿轮效率。

W随着汽油价格的不断上涨和人们对环保的渴望不断增强,难怪转向电动汽车的势头越来越大。汽车制造商正在积极推动推出全电动汽车产品,甚至比最初的目标日期2040年还要早。为了支持电动化的推动,支持这些车辆的供应链正在看到巨大的投资,特别是在传动系部件的制造方面。例如,在车辆推进系统中安装变速箱有助于车辆制造商提高驱动系统的效率。这可以提高车辆的行驶里程和性能,同时保持相同尺寸的蓄电池、电机和推进部件。这也允许使用较小的电池和电机,同时仍保持其当前系统的相同范围和性能。

由于电动汽车产生的车辆噪声水平较低,传动系系统部件需要满足比内燃机(ICE)部件更低的噪声、平顺性和振动(NHV)水平。为了降低NHV并延长车辆性能,传动系制造商正在拧紧轴、轴承和齿轮的光洁度、同心度、圆度、跳动和轮廓公差。由于这些传动系部件的公差越来越大,传统的机加工和车削工艺往往被磨削工艺所取代,因为磨削工艺能够满足这些更严格的要求。

从历史上看,齿轮制造业使用滚齿工艺连续生产齿轮,比一次磨削一个齿快得多。这一过程可以快速生产齿轮,但不能达到当今新变速箱和变速箱所需的精度水平。拉削是另一种传统的齿轮生产方法,但通常设置为一次加工一个齿,通常需要在设备上进行高前期投资。为了满足当今降低齿轮噪音和提高动力传动效率的更高质量标准,齿轮设计采用了更精细的齿面粗糙度和更精确的齿廓,这些齿廓通常是用砂轮制造的。

砂轮的优点

使用砂轮加工齿轮比滚齿加工和机加工工艺有许多优点。首先,由于砂轮由数百到数千个切割点组成,因此切屑尺寸明显小于滚切。因此,通过磨削更容易获得更细的表面粗糙度值。这与砂轮产生切屑的方式与切割工具不同有关。

当磨粒在工件上移动时,形成切屑,如图1所示。较小的磨料会产生较小的切屑,较小的切屑会使工件表面更加光滑。与传统刀具(如滚刀或立铣刀)相比,磨粒通常要小几个数量级,这就是为什么它们通常能产生优异的表面光洁度。根据目标表面粗糙度和形状保持要求,提供一系列磨粒尺寸的砂轮。

图1:传统加工操作中的大切屑与磨削中产生的小切屑的比较(左)。(提供:诺顿|圣戈班磨料)

生产成品齿轮的磨削和剃齿工艺之间存在差异,以及它们对(预测的)辐射齿轮噪声的影响。试验表明,磨削能够产生两种工艺中最低的噪声级(即最接近标称目标)。这通常归因于轮齿内受控的微观几何结构和通过磨削获得的较低粗糙度值。

由于轮齿表面的剧烈磨损,通常会将轮齿热处理到特定的硬度范围,以提高耐磨性并延长寿命。硬度值范围为56-64 RHC,许多硬度值在58-62 RHC左右。

齿轮和轮齿的内芯通常较软(45-50 RHC),以允许一定的公差并减少脆性断裂的可能性。由于这些热处理工艺,砂轮通常非常适合去除表面硬化层中的材料,因为它们利用了非常硬的磨粒(在某些情况下,如氧化铝、碳化硅和CBN/金刚石)。由于其硬度较高,这些磨料在去除表面硬化材料方面比切削刀具更有效。

如图2所示,磨料的硬度可能是硬化工具钢或硬质合金的1.5至4倍,这使得它们在磨削硬化材料时使用寿命更长,磨损更少。这种磨粒磨损的减少有助于控制齿轮内的齿廓变化。

图2:与普通研磨材料相比,研磨产品的相对硬度。
(提供:诺顿|圣戈班磨料)

新研磨技术

诺顿Quantum Prime等新型陶瓷颗粒也经过专门设计,以满足提高光洁度和控制齿轮磨削中轮廓变化的要求。通过控制磨料本身的化学和微观结构,这些工程陶瓷颗粒在磨削过程中具有非常精确的微破裂或切屑能力。这为齿轮磨削提供了两个好处。首先,它可以很好地控制谷物的锋利度,使车轮在磨损时保持锋利,这有助于减少热量,延长轮廓,并保持更严格的公差。其次,与前一代工程颗粒相比,颗粒的微破裂性质产生更小的碎屑,改善零件表面光洁度。

从机械加工转向磨削以满足电动汽车传动系部件对低NVH的严格要求具有显著优势。与滚刀一样,蜗杆砂轮通常用于生产比单齿廓磨削更快的齿轮。但是,由于磨料较硬,切割点集中度较高,蜗轮砂轮可以生产出比滚刀所能达到的表面粗糙度和轮廓公差更低的零件。

由于其可控断裂,与前一代颗粒相比,工程陶瓷磨料也有助于在轮廓保持和表面粗糙度一致性方面实现阶跃变化。磨具的这些进步有助于将研磨固化为生产当今现代电动汽车传动系部件的一种可行策略。