Para atender à demanda por usinagem de alta-eficiência e alta{1}}precisão de perfis de engrenagem helicoidal C-EPS, este estudo investiga sistematicamente os principais aspectos técnicos-como seleção de processos, otimização de fresamento e controle de retificação-para determinar o esquema de processamento ideal. Melhorias são propostas em diversas áreas: seleção de equipamentos, métodos de fixação, parâmetros de ferramentas de corte, sistemas de resfriamento e parâmetros de processo. Soluções específicas incluem aumentar a rigidez de máquinas de turbilhonamento CNC de alta-precisão, otimizar a eficiência por meio de fixação hidráulica e carga/descarga automatizada, projetar parâmetros para ferramentas de metal duro com revestimento ultra{8}}fino e controlar processos de resfriamento por névoa de ar-de alta{9}}pressão e retificação de perfis. O processo otimizado garante precisão estável de grau IT7 para o perfil do sem-fim, melhora significativamente a qualidade da superfície e a eficiência da usinagem e reduz substancialmente os custos de produção.
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Introdução
Os sistemas de direção assistida elétrica do tipo-coluna (C-EPS) são amplamente utilizados em veículos de passageiros que variam da classe A0 à classe B devido à sua estrutura compacta e custos gerenciáveis. O verme evolvente (veja a Figura 1) serve como o principal componente de transmissão de torque-do C-EPS; se o erro do perfil do dente exceder 0,01 mm, é provável que ocorram problemas como atraso na direção ou ruído anormal [1]. Consequentemente, o processo de usinagem exige uma precisão rigorosa do nível IT7, ao mesmo tempo que atende aos requisitos de eficiência da produção em massa.
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Figura 1: Verme involuto
Os atuais processos de usinagem sem-fim enfrentam três grandes desafios: ① Os processos tradicionais de torneamento e retificação sofrem de baixa eficiência, com a produção de um-turno caindo abaixo de 500 unidades. ② Os processos de fresagem e laminação produzem baixa consistência de perfil; a precisão depende muito da precisão da fresa e as flutuações de erro atingem ±0,02 mm à medida que a ferramenta se desgasta. ③ Os processos de fresamento convencionais não atendem aos requisitos de qualidade da superfície, resultando em valores de rugosidade superficial (Ra) de 1,6 μm ou superiores. O desenvolvimento de uma tecnologia de usinagem sem-fim C-EPS que equilibre alta precisão com alta eficiência é de importância prática significativa para aumentar a competitividade de mercado dos produtos C-EPS.
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Estado Atual da Pesquisa (Nacional e Internacional)
Internacionalmente, os esforços para melhorar a precisão da usinagem de rosca sem-fim geralmente dependem de-equipamentos de última geração-, como a retificadora de rosca sem-fim CNC desenvolvida pela empresa alemã KAPP. Ao utilizar tecnologia de compensação de erro térmico, este equipamento controla o erro cumulativo da hélice com precisão de 0,005 mm; no entanto, o custo por unidade excede 8 milhões de RMB, criando uma barreira de entrada extremamente elevada. A pesquisa nacional concentrou-se principalmente na otimização de processos; embora algumas montadoras utilizem um processo de fresagem-mais-de laminação para a produção em massa de roscas sem-fim, a precisão da usinagem atinge apenas o grau IT8, não atendendo aos requisitos de modelos-de veículos de alta tecnologia.
As pesquisas existentes ainda não estabeleceram uma solução de usinagem integrada que combine desbaste de alta-eficiência com acabamento de alta-precisão. Com base em um processo combinado de turbilhonamento e retificação de formas, este artigo constrói um sistema de otimização abrangente-abrangendo equipamentos, ferramentas de corte e parâmetros de processo-para preencher a lacuna na tecnologia de usinagem de alta-eficiência e alta-precisão para vermes C-EPS.
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Seleção do processo de usinagem de perfil de dente sem-fim
3.1 Comparação de Esquemas de Processo
Uma comparação quantitativa foi conduzida entre três processos principais para usinagem de perfis de dentes sem-fim: torneamento mais retificação, fresagem mais laminação e fresamento (turbilhão) mais retificação. A comparação avaliou indicadores essenciais-como rugosidade superficial, grau de precisão e consistência do perfil do dente-bem como métricas de produção, como eficiência de usinagem e tempo de troca. A Tabela 1 compara os principais indicadores dos diferentes processos, enquanto a Tabela 2 compara as suas eficiências.
Tabela 1 Comparação de Indicadores Fundamentais para Diferentes Processos
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Nota: Dados derivados de medições reais na linha de produção de uma montadora; tamanho da amostra n=500.
Tabela 2 Comparação de Eficiência para Diferentes Processos
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Observação: a saída-de turno único é baseada nas medições de um sem-fim de φ30 mm × 120 mm; o equipamento apresenta uma configuração de-único fuso.
3.2 Determinação do Processo Ótimo
Conforme mostrado nas Tabelas 1 e 2, o processo de fresamento-mais-retificação (turbilhão para desbaste/semi{4}}acabamento seguido de retificação de acabamento) supera significativamente os outros esquemas em ambos os principais indicadores de usinagem e eficiência de produção. Além disso, elimina a necessidade de um processo de fresagem dedicado, reduzindo os custos de usinagem em aproximadamente 40%. Consequentemente, este artigo se concentra nesse processo para pesquisas-mais aprofundadas.
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Otimização da fresagem sem-fim
O fresamento serve como estágio de desbaste e semi{0}}acabamento do sem-fim; sua precisão e eficiência de usinagem determinam diretamente a qualidade de referência e o tempo do ciclo de produção para o posterior processo de retificação de acabamento. Este estudo conduz o projeto de otimização em cinco aspectos: seleção de equipamentos, métodos de fixação, parâmetros de ferramentas de corte, sistemas de resfriamento e parâmetros de processo. 4.1 Seleção de equipamentos e aumento de rigidez
(1) Seleção de máquina de turbilhonamento CNC de alta-precisão: Para atender aos requisitos de precisão IT7, uma máquina de turbilhonamento CNC equipada com alimentação de alta{3}}precisão e sistemas de fuso foi selecionada. As principais especificações técnicas são as seguintes:
1) Sistema de alimentação: Resolução menor ou igual a 0,0001 mm; precisão de posicionamento-de curso completo de ±0,002 mm.
2) Sistema de fuso: Excentricidade radial menor ou igual a 0,001 mm; desvio axial Menor ou igual a 0,0005 mm; estabilidade da velocidade rotacional de ±5 r/min.
Dados experimentais indicam que quando a precisão de posicionamento da máquina-ferramenta melhorou de ±0,01 mm para ±0,002 mm, o erro cumulativo da hélice sem-fim diminuiu de 0,025 mm para 0,008 mm, representando uma melhoria direta na precisão da usinagem em duas classes.
(2) Estratégia de aumento da rigidez da máquina-ferramenta: A rigidez insuficiente da máquina-ferramenta tende a induzir vibrações de corte, causando um aumento de mais de 30% nos erros de traços de dentes sem-fim. A rigidez da máquina-ferramenta pode ser melhorada através das duas medidas a seguir:
1) Ancoragem da Fundação: Uma base de máquina-ferramenta com espessura maior ou igual a 500 mm é fundida em concreto C30 e conectada rigidamente ao piso por meio de parafusos de expansão M30; o nivelamento da base é mantido dentro de 0,02 mm/m.
2) Otimização Estrutural: Um mecanismo de travamento tipo-cunha é empregado na conexão entre o descanso da ferramenta e a base da máquina, aumentando a área de contato em 40% e elevando a rigidez estática da máquina-ferramenta para 250 N/μm.
4.2 Otimização dos Métodos de Fixação e Carga/Descarga
(1) Controle de precisão da fixação hidráulica: A fixação manual tradicional resulta em erros de posicionamento axial de até ±0,1 mm, causando flutuações significativas na precisão da posição axial do perfil do dente sem-fim. Ao utilizar um mandril hidráulico auto{3}com centralização com uma força de fixação de 5 a 8 kN-em conjunto com um dado de posicionamento da-face final e um anel de encosto axial-o erro de posicionamento da fixação é controlado dentro de ±0,03 mm. Isso triplica a precisão da posição axial do sem-fim, fornecendo um dado de usinagem estável para processos de retificação-de acabamento subsequentes. (2) Melhoria da eficiência por meio de carga e descarga automatizada: Um robô de treliça foi adotado para substituir o trabalho manual na carga e descarga automatizada de eixos sem-fim [2]. O tempo de fixação foi reduzido de 20 s/peça para 5 s/peça, a utilização do equipamento aumentou de 65% para 90% e a produção de um-turno aumentou em mais de 300 peças.
4.3 Projeto de parâmetros de ferramenta de corte e controle de desgaste
Aço-liga de{0}}alta qualidade foi selecionado como matéria-prima para o eixo sem-fim C-EPS, alcançando uma dureza de 28–32 HRC após têmpera e revenido [3]. Com base nas características do material, o processo de projeto abordou a seleção do material da ferramenta, a otimização dos parâmetros geométricos e o controle do desgaste durante a instalação.
(1) Seleção do material da ferramenta: Uma comparação do desempenho de corte de aço rápido-de alta velocidade (W18Cr4V), metal duro padrão (WC-Co) e metal duro revestido de granulação-ultrafina (série YBG) [4] é mostrada na Tabela 3. O metal duro revestido de granulação ultrafina-YBG foi finalmente selecionado como o substrato da ferramenta.
Tabela 3 Comparação do desempenho de corte para diferentes materiais de ferramentas
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Nota: As condições de corte foram avanço de 0,15 mm/re profundidade de corte de 1,2 mm.
A ferramenta apresenta um substrato WC-Co com adição de nióbio (Nb) e um revestimento nano-de TiAlN com 3–5 μm de espessura. A dureza do revestimento atinge 3.200 HV e a dureza a quente permanece estável até 800 graus, atendendo aos requisitos do processo para corte em alta-velocidade.
(2) Otimização dos parâmetros geométricos da ferramenta: Com base nas características do perfil do dente envolvente do eixo sem-fim,
parâmetros geométricos especializados foram projetados para a fresa de desbaste (cortadora tipo ZA{0}}) e a fresa de acabamento (cortadora tipo ZI-) (consulte a Tabela 4), equilibrando forças de corte, resistência da aresta de corte e qualidade da superfície usinada.
Tabela 4 Projeto de parâmetros geométricos de ferramentas especializadas
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(3) Instalação de ferramentas e monitoramento de desgaste: A instalação de ferramentas e o monitoramento de desgaste devem atender aos seguintes requisitos técnicos. 1) Configuração do cabeçote de corte: É empregado um cabeçote de corte de precisão com grau de equilíbrio dinâmico de G2.5. Conforme mostrado na Figura 2, a cabeça de corte apresenta seis posições de montagem dispostas para alternar entre três fresas de desbaste-e três fresas de acabamento-. As fresas-de desbaste se estendem de 0,12 a 0,20 mm além das fresas-de acabamento, permitindo que a usinagem de desbaste e semi{12}}acabamento seja concluída em uma única passagem.
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Figura 2: Esquema de instalação da cabeça de corte
2) Correspondência do ângulo da hélice: A cabeça do cortador é inclinada e girada para alinhar o ângulo da hélice do cortador com o ângulo de ataque do sem-fim ( ). A fórmula para calcular o ângulo de ataque é:
bronzeado=Pz / (πd1) (1)
Onde é o ângulo de avanço (grau), Pz é o avanço axial (mm) e d é o diâmetro do círculo primitivo (mm).
3) Monitoramento de desgaste: um instrumento de inspeção de vermes é usado para monitorar erros de perfil dentário em tempo-real. As fresas são substituídas imediatamente quando o desgaste atinge 0,005 mm; as pastilhas podem ser reutilizadas três ou quatro vezes após a reafiação.
4.4 Otimização do sistema de refrigeração e parâmetros do processo
(1) Projeto de resfriamento por névoa de ar-de alta pressão: a velocidade de corte para fresamento giratório atinge 260–360 m/min, com temperaturas na zona de corte subindo para 600–800 graus . Um sistema de resfriamento por névoa de ar-de alta pressão [5] operando a 0,80–1,38 MPa é empregado. O meio de resfriamento consiste em uma mistura de 5% de emulsão de extrema-pressão e ar comprimido, fornecido por meio de quatro bicos em forma de leque-dispostos simetricamente (1,5 mm de diâmetro) para limpar diretamente a zona de corte. Este sistema melhora a eficiência do resfriamento em 60% em comparação ao resfriamento por inundação tradicional e reduz a taxa de resíduos de cavacos para menos de 0,5%.
(2) Otimização dos parâmetros de fresamento: O método de teste ortogonal é usado para determinar a combinação ideal de parâmetros de processo para fresamento sem fim, equilibrando eficiência de usinagem com qualidade de usinagem. 1) Profundidade de corte: A profundidade total de corte para fresamento de engrenagens é calculada com base na altura total do dente, *h*:
*h*=[(d1 + 2mx) - (d1 - 2.4mx)] / 2 (2)
Onde *h* é a altura total do dente (mm), representando a profundidade total de corte; *d1* é o diâmetro do círculo primitivo da engrenagem (mm); *m* é o módulo axial (mm); o fator 2 em "2m" corresponde ao coeficiente de adendo (o adendo padrão é 1*m*, então ambos os lados totalizam 2*m**x*); e 2,4 é o coeficiente relacionado ao dedendo-(o dedendo padrão é 1,2*m*, então ambos os lados totalizam 2,4*m*).
2) Taxa de avanço: A taxa de avanço é de 0,13–0,20 mm/r, ajustada dinamicamente com base na dureza do material.
3) Velocidade de rotação: A velocidade do fuso da peça é de 12–18 r/min e a velocidade da cabeça de corte é de 6.000–8.000 r/min (velocidade linear de corte de 300–400 m/min).
4) Tolerância de retificação de acabamento: A tolerância é de 0,5–0,7 mm, equilibrando a eficiência de retificação com a precisão da usinagem final.
Usando os parâmetros acima, o tempo do ciclo de produção para uma única máquina de turbilhonamento atinge 90–105 peças/h; a rugosidade da superfície (Ra) do sem-fim após o fresamento é de 0,8–1,2 μm e o erro do perfil do dente é de ± 0,004 mm [6].
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Controle de retificação de perfil de dente sem-fim
A retificação é o processo de acabamento do sem-fim C-EPS e determina diretamente a precisão final da usinagem. Este estudo implementa o controle do processo em relação ao equipamento de retificação/seleção do rebolo e aos parâmetros de retificação/controle de resfriamento para garantir que a precisão do sem-fim atenda consistentemente ao grau IT7.
5.1 Seleção de equipamentos de retificação e rebolos
Uma retificadora sem-fim CNC com função de alinhamento automático dos dentes é selecionada; a precisão de posicionamento da máquina é de ±0,001 mm. Um método de retificação de forma [7] é empregado, usando um dressador CNC para dressar o rebolo em um formato evolvente correspondente ao sem-fim, garantindo assim a consistência na usinagem do perfil do dente. Um rebolo de alumina fundida branca (WA) é selecionado, apresentando dureza H5, tamanho de grão F80 e ligação de resina (oferecendo excelente resistência ao impacto); o diâmetro da roda é 405 mm e a velocidade linear operacional é 45 m/s. Os rebolos de alumina fundida branca possuem boas propriedades-de autoafiação e minimizam efetivamente a geração de calor de retificação,-produzindo menos calor do que os rebolos de carboneto de silício,-evitando assim queimaduras de retificação na peça de trabalho.
5.2 Parâmetros de Moagem e Controle de Resfriamento
(1) Parâmetros do processo de moagem: Com base nos dados de referência estabelecidos após a fresagem sem-fim e nos requisitos de precisão finais, os parâmetros de moagem ideais foram determinados da seguinte forma:
1) Velocidade de rotação: A velocidade do fuso da peça é de 5–8 r/min; a velocidade do rebolo é 1800–2000 r/min (a velocidade linear do rebolo é 2289–2543 m/min).
2) Taxa de alimentação: A taxa de alimentação de desbaste é de 180–200 mm/min; a taxa de avanço do desbaste de acabamento é de 50–80 mm/min.
3) Ciclo de dressagem do rebolo: O rebolo é dressado a cada 5–8 roscas sem fim para garantir a precisão do perfil do rebolo.
(2) Controle de resfriamento de retificação: Óleo de corte de extrema-pressão com viscosidade de 20–30 mm²/s a 40 graus é usado como meio de resfriamento. O resfriamento forçado é obtido por meio de uma bomba de alta-pressão de 2 MPa com vazão maior ou igual a 50 L/min [7]. Isto garante o resfriamento adequado da zona de retificação e remove efetivamente os cavacos de retificação, evitando o entupimento dos grãos abrasivos que podem comprometer a qualidade da usinagem.
5.3 Verificação dos Resultados de Moagem
A inspeção usando um testador de minhocas de alta{0}}precisão confirma que as minhocas usinadas com o processo de retificação de forma{1}}otimizada alcançam precisão estável do perfil do dente de grau IT7, uma rugosidade superficial (Ra) de 0,2–0,4 μm e um erro de alinhamento do dente menor ou igual a 0,008 mm. O tempo do ciclo de produção é de 60 a 72 peças/hora, atendendo aos requisitos do processo para a produção em massa de worms C-EPS. O perfil de dressagem e a retenção do perfil do rebolo são pontos de controle críticos no processo de retificação; qualquer desvio no perfil da roda leva diretamente a erros excessivos no avanço do sem-fim e no perfil do dente. Portanto, a preparação e inspeção do rebolo devem ser executadas estritamente de acordo com os requisitos do processo.
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Conclusão
Este artigo estabelece um sistema de tecnologia de fabricação de alta-eficiência e alta{1}}precisão para worms C-EPS por meio da otimização de processos e parâmetros multi{3}}dimensionais, produzindo os seguintes resultados principais de pesquisa:
1) A combinação de turbilhonamento (para desbaste/semi{1}}acabamento) e retificação de conformação (para acabamento) foi identificada como o processo de fabricação ideal para vermes C-EPS. Em comparação com os métodos tradicionais de torneamento e retificação, esta abordagem aumenta a eficiência em 10 a 13 vezes, alcança precisão de usinagem de nível IT7 e reduz os custos de produção em aproximadamente 40%.
2) Foi proposto um esquema de aumento de rigidez e uma estratégia de fixação hidráulica para máquinas de turbilhonamento CNC de alta-precisão; essas medidas aumentaram a rigidez estática da máquina-ferramenta para 250 N/μm e reduziram o erro de posicionamento de fixação de ±0,1 mm para ±0,03 mm.
3) Foram desenvolvidas ferramentas YBG de metal duro com revestimento ultra{1}}fino (adequadas para vermes de liga de aço) e um sistema de resfriamento por névoa de ar-de alta-pressão (0,80–1,38 MPa), permitindo corte em alta-velocidade de 300–400 m/min e alcançando uma rugosidade superficial pós{9}}fresamento de Ra menor ou igual a 0,8 μm.
4) Os parâmetros do processo de retificação de formas foram otimizados, estabelecendo um intervalo de dressagem do rebolo de 5 a 8 peças. A rugosidade da superfície pós-{4}}retificação foi reduzida para Ra 0,2–0,4 μm e o erro de avanço foi mantido em menor ou igual a 0,008 mm, atendendo aos requisitos de precisão e estabilidade para produção em massa.
Pesquisas futuras poderiam integrar tecnologias de inteligência artificial para realizar a fabricação inteligente de worms C-EPS: utilizando sistemas de visão de máquina para monitorar o desgaste de ferramentas em tempo-real e modelos de aprendizado profundo para ajustar dinamicamente os parâmetros de corte; e desenvolver algoritmos de compensação de erros térmicos para máquinas-ferramentas para melhorar ainda mais a precisão da retificação de rosca sem fim para o grau IT6. Esses avanços forneceriam suporte técnico para pesquisa e desenvolvimento e produção de produtos C-EPS de ponta e expandiriam suas aplicações de mercado.
