支持未来汽车制造的工艺技术

来源:荣格国际金属加工商情

发布时间:2019年5月6日下午 07:05:43

超精加工是一门独立的加工工艺技术,它突破了传统的车、铣、磨削工艺在表面质量和形状精度等方面的缺陷,可以更好满足汽车轻量化生产的需求。

随着电动汽车大规模的进入市场,汽车生产厂家们对汽车零部件的质量要求也越来越高了。从形状、波纹轮廓到粗糙度、微观结构允许偏差的要求都越来越高了。

过去,由于内燃机工作时有较大的噪音,能够掩盖由于汽车零部件表面波纹带来的振动噪音;但今后在几乎没有噪声的电动机推动汽车前进的情况下,这些由零件表面波纹带来的振动噪音就无法被掩盖起来了。

汽车零部件的强度是由零件的表面质量(波纹大小和表面粗糙度值)以及加工工艺方法(压应力)决定的。在优化 内燃机驱动系的效率时,通过降低表面粗糙度来减少摩擦损失即可。而轻量化则要求汽车零部件保持原有的甚至更高的疲劳强度。因此,正确的形状和表面质量是最重要的,而传统的金属切削加工工艺,例如车削、铣削和磨削等等都受工艺技术本身的制约而受到了一定的限制。而超精加工则相反, 它是一种独立的工艺技术,一种有目的地采用与磨削形似的工艺技术进一步优化提高加工精度的技术。它打破了传统加 工工艺技术之间的界限。

技术背景

按照 DIN 8589 T1.4 标准的规定,超精加工属于不确定几何切削刃的切削加工系列,也称之为短行程珩磨(图 1)。 其机制与磨削非常类似。超精加工中会通过切除、划痕、摩擦等等几种方式形成切屑。

与车削、铣削、拉削或者磨削不同,超精加工采用的是面接触的加工方式。超精加工时的刀具在可调节作用力的作用下压合在零件表面,这就能够形成去除金属与刀具磨损的 相互补偿。冷却液以压力冷却润滑的方式或者按照最小量冷 却润滑的方式实现冷却润滑。目前,不使用 KSS 冷却润滑 液的超精加工试验也获得了成功。

较小的接触面在有着较大伸缩性能的大接触面直接传递振动,尤其是当大接触面的超精加工刀具和零件之间有冷却润滑液存在时,冷却润滑液的流体动力学特性将使刀具有着更好的减振性能。

小接触面刀具—工件系统中出现的振动会对零件质量产生不利影响,尤其是对圆跳动偏差和表面粗糙度产生不利影响。在这种刀具—工件系统的影响下会产生较大的摩擦损失和噪音;这与前面提到的提高效率(增加电动汽车的行驶里程)和优化 NVH(噪音、振动和声振粗糙度)性能的要求有着明显的矛盾和冲突。

振动在轴承表面留下的振纹还会影响润滑油膜的形成。 因为振纹使得润滑油按照层流方式流动。这就导致润滑油膜容易被尖锐的振纹割裂,形成固体物之间的直接接触、 摩擦,从而增加了轴承的磨损或者直接导致轴承失效。滚动轴承中的波纹会导致轴承运转时产生振动、磨损和摩擦损失。这也会增大滚动轴承的噪音、降低滚动轴承的使用 寿命。

超精加工则改变了零件的表面质量、提高了形状精度, 降低了零件表面的波纹甚至将波纹全部去除掉,将零件表面上形成十字交叉的网状结构纹理。零件直径方向和纵向波纹高度的降低、波纹纹理结构的变化改善了零件的摩擦 学性能。

由于超精加工相对很小的切削功率(很低的单位时间金属去除率),超精加工过程中零件和刀具相互接触的区域内几乎不发热,因此人们也将超精加工称之为“冷加工过程”。

总之,超精加工降低了机械系统中的摩擦和磨损,这反过来又减少了污染物排放、降低了噪音、降低了 TCO 总拥有成本、提高了能源利用效率。

超精加工的工作参数

下列切削运动、切削速度和切削参数决定了超精加工的质量(参见图 1):

圆周速度 Vu

圆周速度 Vu 是由零件的旋转运动而产生的。

摆动速度 Vosz/

摆动幅度 摆动速度是超精加工刀具或者被加工零件沿零件轴线且垂直于圆周速度的高频“振荡”的运动速度。圆周速度与摆动速度的叠加产生的是“正弦波形的”运动曲线。

进给速度 Vs

当零件或者刀具的外形决定了无法对凹槽内部进行超精加工时就需要有进给运动。在这种情况下,超精加工刀具或者零件(贯通式超精加工)将按照规定的进给速度进行超精加工。

接触压力 / 表面压力 p

接触压力由接触面积和超精加工要求的力所决定。

刀具覆盖率 / 接触面积 n

接触面积的大小取决于超精加工的要求和零件的几何关系。

图 2:超精加工的效果:对零件表面质量有着积极的正面影响。     表 1:超精加工能够达到的表面质量数据

刀具

超精加工的刀具原则上可以分为两大类:柔性基体刀具 (超精加工研磨带、研磨沙条)和刚性基体刀具(超精加工 油石)。

超精加工对零件质量的影响

超精加工对图 2 中表格里的几个质量参数有积极的正面影响。通过超精加工刀具与零件之间的面接触使得零件圆周表面的纹理和毛刺被全部去除掉了,同时,超精加工产生的零件表面有着好的表面粗糙度和波纹峰顶特性。这就使零件表面有着很高的材料支撑率,减少了摩擦、磨损, 再结合良好的润滑油保留量也获得了最佳的润滑性能。由叠加运动产生的十字交叉的网状结构纹理也保障了很好的摩擦学性能。

 

 

 

□ 本文译自德国 Werkstatt und Betrieb 杂志

作者:Oliver Hildebrandt

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