电子驱动齿轮的合适硬质精加工技术

电子驱动齿轮需要更紧的公差和特定的几何修改。先进的齿轮磨削技术满足这些要求。该演示文稿侧重于提高承载能力，控制齿轮的宏观和微观几何形状，修改表面结构并应对几何干涉轮廓的硬质精加工技术。

演讲首先简要介绍了该公司，随后重点介绍了电子驱动齿轮磨削的四种解决方案：

1.过程和组件监控

2.NVH的预测与分析

3.齿轮几何和表面结构（低噪声变换，抛光磨削，扭转控制磨削）

4.内齿轮的硬滑雪

Reishauer AG是一家瑞士公司，在伊利诺伊州埃尔金设有美国子公司Reishauer Corp..虽然Reishauer为汽车传动行业生产齿轮磨床，但其活动范围远不止制造机床。Reishauer的“能力圈”包括机器，自动化，磨削轮，金刚石修整工具，工作台，磨削技术支持功能，过程监控设备和Argus等数字产品。拥有完整的产品组合，所有产品均在内部制造，使Reishauer能够全面了解和控制硬质精加工齿轮的整个过程。

Reishauer在20世纪40年代发明了连续齿轮磨削工艺，并从那时起对该工艺进行了改进。可以公平地说，连续生成齿轮磨削工艺已被证明是硬精加工精密齿轮的最有效方式。

原则上，如图3所示的连续生成齿轮磨削过程的运动学可以理解为蜗轮驱动，如图所示，具有由进料x，垂直进料速率z和横向移位运动y组成的附加磨料加工过程，所有这些同时一起工作。

发电齿轮磨床的基本特征之一是在短时间内输出高。例如，对于汽车变速器，磨削周期时间从小齿轮的8秒到环形齿轮的一分钟不等。由于这个原因，由于测量时间远高于研磨时间以及这将产生的禁止成本，因此并非所有地面部件都可以通过CMMS测量。由于这个原因，汽车齿轮行业依赖于样品测量，其仅代表总制造量的一小部分，一般不高于5%。

连续研磨过程被认为是稳定和坚固的，作为重复的钻石敷料，并且在研磨期间的移位保证了恒定的高质量水平。然而，研究了新的齿轮测试方法，因为齿轮受到不断增加的质量要求的影响。更重要的是，磨削过程的100%检查和持续监控变得更加重要。汽车齿轮行业中使用的样品测试过程带来了质量不足的齿轮可能最终进入变速器的剩余风险。此外，CMM的触觉测量方法通常不能拾取齿轮侧面的表面结构上的微小波动，这可能导致传输中的有害噪声(NVH)。

如果将加工过程中产生的磨削强度用作评估标准，则引入质量不足的工件的剩余风险可以大大降低。如果超过设定的信号阈值，则强度信号的实时分析识别磨削过程中的故障工件。此外，该方法转化为对工作件的100%检查。因此，可以从制造过程中自动去除有缺陷的工件。重新出现的有缺陷的工作件被识别为系统错误，该错误导致研磨过程停止，并向操作员发送相应的错误消息。

超过磨削强度的原因可能是来自预加工过程的太多或太少的磨削库存，硬度失真或过度的圆度。该系统具有集成传感器，用于检查预加工齿轮零件的尺寸。如果系统确定额外的磨削冲程不会产生良好的部件，则过度的滚压或累积间距误差会自动导致额外的磨削冲程或工件的拒绝和移除。

ARGUS系统中的“磨削强度”是用于校准和标准化磨削力的力模型。力模型考虑了连续变化的芯片成形区，包括在磨削轮直径变化期间的局部切削运动学，由于车轮转速变化而改变的磨削条件，以及与仅在一侧支撑车轮的磨削主轴轴承相关的磨削轮宽度的流行杠杆比。这种标准化和校准允许设置非常窄的阈值，可以在过程中检测和自动评估。图5示出了两步磨削强度信号的典型进展，因为它出现在机床的CNC监视器上。左侧较高的深蓝色 区域对应于粗糙通行证，右侧较低的深蓝色 区域对应于完成通行证。粗糙研磨通道的上限设置为55，而过程以48的强度运行。对于完成通行证，上限设置为33，过程强度为25。因此，粗糙和整理都在限制范围内。如果超过粗加工或精加工的极限，工件将自动从生产循环中移除。这些限制要么是由过程监控系统本身根据统计分析提出的，或者由用户设定，他们可能有自己的经验，随着时间的推移和许多生产批量。

记录和分析磨削强度随时间显示螺纹磨削轮是否在其整个宽度和可用直径上保持一致的切削性能。作为规则，操作员主观地评估磨轮，因为经验数据不可用。即使这种恶化可能有其他原因，也只能通过劣化齿轮侧面轮廓间接评估不均匀的硬度变化。该系统允许沿磨削轮宽度和变化直径的硬度梯度变得可见，可测量和分类，如图6所示。

图6显示了在大约5,300个工件上，粗糙化和精加工磨削强度在移位轴宽度y上的变化。上点云表示粗糙的笔画，下点云表示精加工笔画。粗糙的笔画说明了从右到左的研磨强度的减小。相比之下，精加工笔画显示相反，即从右到左的研磨强度增加。粗糙期间磨削强度的降低表明螺纹磨削轮的工艺诱导磨损。作为规则，基础校准力模型保证在整个磨削轮宽度和直径上几乎恒定的磨削强度水平。

出于这个原因，可以合理地得出结论，在粗糙化过程中强度水平的下降完全是由于螺纹轮的键合颗粒基质的连续显微恶化。这种恶化导致工件上的材料去除逐渐减少。精加工冲程期间磨削强度的增加表明对先前粗糙冲程的减少材料去除的伴随补偿。所描述的对螺纹轮的磨损效应导致不稳定的过程和拒绝的工件。这些拒绝必须在过程中删除，并在粗糙笔画的点云的左下侧显示为暗红点。在这种情况下，用户必须更改磨轮规格以稳定工艺。

磨削强度还提供了对夹紧夹具的外圆度水平或预加工工件的圆度偏差的洞察。图7说明了系统的圆度指标，在这种情况下，显示了在机器的两个工作主轴C1和C2之间具有标记圆度差异的情况。两个相同的主轴安装在转塔上，或者旋转180°进入磨削位置。为了直接解释工件的外圆度对磨削强度的动态影响，系统使用经过验证的算法处理测量传感器捕获的时间信号。使用这些强度为运营商提供了几个显着的优势。简单的可解释性确保即使是复杂的过程的分析也不再需要训练有素且昂贵的专家的服务。

此外，即使是由大批量生产产生的高数据量也可以可视化。学术研究通常基于对大量数据集的时间和频率分析，达到几千兆字节。系统的数据参数标量格式使图形表示变得简单，即使有数千个测量数据点。此外，系统不需要特定的评估软件和硬件。它可以在标准Web浏览器上使用简单的Web应用程序进行操作。鉴于数据大小小，它可以随时通过互联网或内部网络传输，即使在小带宽的网络上也是如此，并且可以高效地上传或下载。

图7中的红点表示工作主轴C1，显示了5,300个工作件的一致小的圆形。由于预加工质量的变化，红点带宽内的散射是典型且可接受的。然而，在从左到右的带宽的前四分之三内，蓝点，即从工作件1到4,000，显示出更广泛的散射。这种更高的传播显然是由于C2轴上的夹紧夹具的更高的外圆度，并且不可能来自工件。一旦夹紧夹具被锁定到正确的位置，过程变得稳定和相同的工作主轴，从工件4000个，如图7所示。有必要指出的是，即使蓝点到工件4000仍然在可接受的加工前公差范围内。然该系统

如果这些工件超出设定的水平，将会导致工件的移除。

该系统的应用具有显着的经济效益。除了监测几何不均匀性外，检测磨削烧伤对于确保稳定的生产条件至关重要。必须不惜一切代价避免研磨烧伤。因此，防止热损伤的最常见策略之一是降低进料率，因为热损伤阈值未知。然而，假设研磨强度用地面成分校准并且证明没有热损伤。在这种情况下，可以通过更高的进料率和更低的移位率来优化过程。这种工艺优化可缩短磨削周期时间，提高磨削轮和金刚石辊的刀具寿命，从而提高工艺经济性。此外，如引言中所述，过程监控系统的主要目标是实现零错误生产。

现代和未来的变速器在当今传统驱动概念从内燃发动机到电力驱动的工业转换中面临新的需求。一方面，由于电动机的更高扭矩，并且另一方面，即使在更高的旋转速度下，对更安静的变速器的需求也在增加，因此需要高功率密度。如燃烧发动机中所知，电力驱动器没有噪声掩蔽。此外，齿轮加工中的齿轮开发人员和工艺工程师今天面临着电动驱动器更高转速的新挑战。本节讨论并提供解决这些挑战的解决方案。

在生产硬质精细机械齿轮时，NVH行为是评估高性能齿轮适用性的相关和既定标准。该评估在变速箱最终组装后在EOL测试台上进行，并作为制造链的最后一步。当然，检测任何缺陷在该阶段尤为重要。然而，早期评估和检测缺陷可以降低由NVH问题引起的更高潜在成本。

ARGUS系统的循环机器组件分析为实时机器状态的在线评估奠定了基础。基于循环重复和标准化测试，可以评估和记录一般和实际机器条件。如图9所示，例如，Argus可以很容易地预测或分析换档轴y的轴承的磨损行为，因为检测到的顺序与其典型的顺序签名相匹配。作为规则，表示频率范围内的测量信号有利于解决特定问题。回顾时间，如图8所示，从2021年4月开始，换挡轴Y的轴承磨损增加，并在2021年6月达到峰值。更换有问题的轴承部件解决了问题。总之，可以看出，部件的损坏可以在早期阶段检测到。这种早期检测意味着可以尽早补救和避免潜在的与机器部件相关的EOL问题。

图8-在Hz EOL NVH分析和补救措施中显示的移位轴Y随时间的分量周期测量

当然，分析EOL问题的关键问题是解释所选问题。标准解决方案是逆向工程。然而，尽管采取了所有努力和措施，但在EOL测试台上仍然可能发生噪音问题，即使这种情况很少发生。一旦在变速箱中检测到并识别出特定订单，订单分析就可以识别机器问题。（在图10中的测试台测量的示例中示出）。在此处所示的情况下，齿轮测试台显示明显的顺序为313，参见图10，其对应于齿轮旋转频率的313倍的激励。随后，这种EOL激发必须归因于潜在的成分损伤。Reishauer Argus系统允许基于Web-NVH分析反向计算组件测量。由于所有磨削技术和几何数据都被跟踪并记录在基于云的数据库中，因此可以执行基于专利方法的反向计算以显示与齿轮箱中的EOL激励相关的组件测量和行为。可用的加工技术和几何数据的数据集用于生成所有轴及其EOL订单的数据。因此，很容易识别源自Y轴的问题，该问题导致313号变速箱中的激励。或者，甚至更简单，也可以通过Argus Web系统进行相关NVH启动订单的详细搜索。在这个例子中，对313的顺序进行了彻底的检查。如图11所示，输出是清晰表，识别换档轴Y的磨损相关轴承损坏。

在移位轴Y中发生轴承损坏的产生磨削过程中相关机床轴的部件循环测量的表示；在给定的时间内按末端(EOL)测试台的齿轮顺序显示。

总之，Argus EOL功能可以通过根据标准化和循环测量分析整个机器部件的状态来预测NVH问题。相反，假设在EOL测试钻机上发现了NVH问题，专利算法有助于识别机床的磨损部件。

当今汽车电子变速器的需求包括低齿轮噪音水平(NVH)，减轻重量，经济，延长使用寿命和高功率密度。根据这些要求，修改表面结构和侧面几何形状可以提高传输性能。连续产生研磨可以以多种方式有助于更高的传输性能。该纸触及三个相关特征，产生磨削对地面齿轮的贡献，并通过扩展。低噪声移位(LNS)和抛光研磨是老化和改善表面结构的两个特性。第三种，扭转控制磨削(TCG)，通过增加轴承表面比率来增加齿轮侧面几何形状的控制。

低噪声移位(LNS)是连续生成磨削的磨削运动学中的附加加工运动。由于LNS在研磨过程的背景下不引人注目地运行，因此大多数用户都不知道此功能的存在。机器的软件自动定义和设置LNS参数。原则上，连续生成磨削的运动学可以理解为具有附加磨料加工特性的蠕动驱动（参见图3）。该过程包括用于设置切割深度的进料x，垂直进料速率z和横向移位运动y。该横向运动确保磨料蠕虫以每mm垂直进料速率的少量连续横向移位。以这种方式，研磨总是用新鲜的，未使用的研磨砂砾进行。

粗加工行程采用操作者自定义移位运动Y，而LNS移位运动由机器计算和定义并应用于精加工行程。连续生成的磨削在导齿方向的齿轮侧面形成了均匀的轴向波形的磨削痕迹(见图12，图表右上角)。由于这些波形的定向与旋转平面成直角，因此这可能导致齿轮啮合期间的高频激励，车辆占用者可能认为这是不愉快的。简单地说，LNS的效果是缩短和减小轴向波形。LNS产生不规则的表面结构（见图12，右下角的图表），防止产生音调激励并允许配对一组地面齿轮。

随着排放和能源效率在所有重要市场变得更加严格，汽车公司面临着重大的技术和经济挑战。这些要求只能通过改进机动车辆的各个方面来满足，特别是动力系统，即发动机和变速器。抛光磨削减少了啮合齿轮的摩擦，提高了齿轮侧面的轴承比。由于这些原因，可以使传输更节能。已建立的连续生成磨削方法是抛光磨削工艺的基础技术。抛光研磨在制造商现有的连续生成齿轮研磨机上作为最终加工顺序进行，而不会中断齿轮研磨循环。此时，在研磨和抛光研磨期间，工件仍然夹紧在零件支架上。作为规则，抛光研磨包括一个抛光研磨通道，其具有集成到2区研磨蠕虫的端部部分中的树脂结合部分，其执行研磨操作（图14）

在抛光磨削期间，仅去除粗糙度峰值，降低粗糙度轮廓高度，因此，该方法增加了齿轮侧面的接触轴承面积。相反，齿轮侧面的几何精度不受影响。与工业上连续磨床上使用的Ra 0.4µm的标准值相比，抛光磨削工艺提供的表面质量平均粗糙度为Ra 0.15µm。重要的是要注意RA表面值仅具有有限的实用程序。降低的峰值高度(RPK)是表面功能的有价值的指标。通常，存在一种误解，即抛光应该产生镜面光洁度。然而，出于工程目的，抛光研磨应仅去除表面粗糙度峰值。它必须保持山谷表面的粗糙度，以便油膜可以粘附到抛光的地面表面。随着粗糙度轮廓高度的去除，齿轮侧面的接触面积增加。因此，增大的表面接触面积允许透射设计人员增加透射的功率密度。

图15显示了慕尼黑大学齿轮研究中心(FZG)的试验台试验，抛光地面齿轮组承受的载荷为1350 N/mm2。与传统研磨齿轮相比，抛光齿轮的摩擦减少了约15%。此外，它们还导致稳态过剩温度降低了4摄氏度，如图表右侧所示。负载下的摩擦减少应该转化为更好的经济性，按比例降低电池使用量和更高的续航里程。

科学研究表明，改进的表面光洁度提高了传输的整体性能，因为由此产生的更高的承载比减少了微点蚀，从而提高了传输的使用寿命和效率。随后的客户试验证实了使用Reishauer连续生成抛光研磨工艺的研究结果。微点蚀导致早期齿轮故障，传动效率总体降低和噪声问题(NVH)。在该示例中，图16，标准地面，精细地面和抛光地面自动变速器行星齿轮在变化的载荷和速度曲线下在测试钻机上进行了100,000 km的模拟测试。100,000公里可以缩短为一周。随后，将初始齿轮重量与模拟后的重量进行比较。除了标记的视觉差异之外，抛光的地面齿轮显示出较少的微点蚀，因为标记的较低重量损失，如图16所示。

在加工具有引线修改（例如冠部）的螺旋齿轮时，当然会发生侧面扭转，参见图17。消除扭曲增加了啮合齿轮的轴承表面。扭转控制磨削(TCG)旨在消除扭转，引入适当的反扭转，或添加特定的扭转以抵消齿轮在负载下的变形。通过控制扭转，可以完全优化网格齿轮组的接触轴承表面，因此可以理想地分布作用在轴承表面上的力。扭转控制导致更高效的齿轮，即功率密度和能耗。

今天，在磨削时间方面，扭转控制磨削与标准的连续生成磨削相当，这在工业中已经建立良好。大批量TCG生产无扭转齿轮或具有限定扭转的齿轮，现在是几家汽车齿轮箱制造商的标准生产实践。

扭转控制磨削(TCG)旨在消除扭转，故意引入反扭转，或添加特定的扭转以抵消齿轮在负载下的变形。通常，Twist带有一些负面内涵。然而，对于TCG磨削，应该积极地看待“扭转”这个词，因为它允许齿轮设计师使用这种现象来微调齿轮几何形状。此外，该工艺允许在相同的磨削通道中在左右两侧分离TCG。通过控制扭转，可以完全控制网格齿轮组的接触轴承图案。

因此，作用在轴承表面上的力可以理想地分布，这导致更高的功率密度，更有效的功率传输和增加齿轮的使用寿命。TCG方法为齿轮设计工程师提供了高度的自由度，可以设计齿轮侧面几何形状，以满足电子驱动齿轮的需求，并将所需的设计特征转化为经济的制造工艺。因此，通过捻度控制磨削来修改侧面捻度，可以修改齿轮齿的接触模式，从而获得更高的功率密度，从而降低齿轮的总体重量，进而降低传动本身的重量。此外，tcg接地齿轮显示噪音降低了2到3分贝

最近，当用户想要无扭转磨削时，机器制造商必须计算工艺参数并设计特定于齿轮的修整工具。这个过程不仅昂贵，而且在机器工具生成器上也不灵活。由于这个原因，需要一个客户友好的解决方案，最近推出了市场。“一键扭转控制”意味着它所说的。用户按下按钮“Twist-Free”，然后，机器完成其余的工作；它计算和实现所有必要的几何和过程计算。

此外，钻石敷料工具与现有的传统工艺保持不变。此外，如果操作员已经具有标准连续生成磨削的经验，则无扭转工艺不需要额外的操作员培训。今天，关于研磨时间，无扭转研磨与标准连续生成研磨相当，这在行业中得到了很好的建立。控制Twist获得的收益证明了小型软件投资和额外车轮敷设时间的影响。经过密集的研究工作和几年的工业应用，扭转控制磨削技术已在市场上证明了自己。在许多情况下，它消除了齿轮磨削，通常被认为是齿轮 大规模无扭转或定义扭转硬精加工的唯一方法。

大批量TCG生产无扭转齿轮，或具有限定扭转的齿轮，现在是标准的生产实践。与传统齿轮磨削相比，最小的附加工艺成本远远超过了减小扭矩损失，TCG地面齿轮承载能力增加以及传动中更高的功率密度的优点。

该工艺的操作简便性和经济性也适用于任何特定扭转的磨削。再次，使用标准工艺装备，客户可以通过机器的图形界面在齿轮侧面使用几个数据点定义所需的扭转，单击一个按钮，机器生成程序以相应地研磨齿轮的几何形状。

通过改进连续发电齿轮磨削工艺的三个特点，用户拥有强大和简单的工具来充分利用所需的变化强度和表面结构，以解决NVH的传动问题，实现更高的功率密度并可以节能。

虽然本文的主要内容集中在磨削外齿轮上，但本文的结论部分涉及一种新的硬精加工内外齿轮工艺：硬磨削。磨削是一种连续生成芯片成型工艺，其中刀具与加工齿轮啮合。它可以应用于外齿轮和内齿轮。切割速度由齿轮的轴线与切割工具的轴线之间的倾斜度产生，如图19所示。

磨削可以被视为齿轮爱好和通过轴向进料连续爱好成形的组合。虽然该工艺自1909年以来一直在进行中，但由于CNC软件的缺点，机床刚性以及最重要的因素，刀具不足，它在工业中无法获得太多的牵引力。即使是碳化钨工具也会受到太多磨损；该过程主要被认为是不经济的，并且对于EDrives中使用的关键齿轮质量不足。

然而，应该提到的是，新工艺需要硬化工件，因为目前用于内部齿轮的氮化材料不能加工。极硬的机床设计和削齿工具的发展具有超硬切削刃提供所需的过程稳定性，表面质量，和高质量的电子驱动齿轮几何精度。

图20-硬式磨削机设计

该演示文稿概述了满足电子驱动齿轮要求的先进齿轮磨削技术。它专注于提高承载能力，控制齿轮的宏观和微观几何形状，修改表面结构以及应对几何干涉轮廓的硬质精加工技术。