电机轴的最佳生产解决方案

　　为了使电动汽车变速器在所有行驶条件下都能产生所需的高扭矩，这需要非常大的传动比以及高转速。为了确保在所有速度区间都有足够的动力，并使驾驶员能够在不换档的情况下加速，电驱动必须达到15,000转/分，这大约是传统内燃机的三倍，这给转子轴带来了很大的压力。因此，转子轴制造商面临着新的挑战，如更加严格的形位公差，以及更高的加工精度要求。

　　图1：适合在DVS集团机床上制造的电动汽车变速箱部件

　　严格的形位公差以及更好的表面质量有助于避免来自传动部件的振动，从而将驱动系统的噪声降至最低，即优化NVH性能。由于电动机几乎是静音工作的，因此其噪音排放要求比汽油或柴油发动机更为严苛。

　　另一个挑战是：安装空间狭小。在电动汽车中，电池仍然占据了大部分空间。因此，电动机中的电机轴、变速器和电力电子设备的设计必须非常紧凑。对于驱动轴，意味着只有极小的刀具偏摆用于齿轮制造。

　　图2：EV电机轴

　　资料来源：DVS TECHNOLOGY GROUP

　　电机轴集成化生产解决方案

　　为适应严苛的要求, DVS TECHNOLOGY GROUP (DVS)汇集集团在加工工艺方面具有核心竞争力的数家公司,开发了一种具有前瞻性的集成生产解决方案，用于从原材料到成品零件的整体电机轴的交钥匙工程。这意味着这些复杂的驱动部件的制造成本最高可节省40%。

　　带刮齿工艺的软加工

　　在生产链中，首先是Pittler V300，这是一种创新的多技术生产解决方案，结合了全自动车削、铣削和钻削工艺，以及使用高效刮齿工艺进行齿轮切削。从而在一台机床上只需通过两次装夹即可完成空心轴的热前软加工。减少了换型设置、工序建传输和等待时间，总加工时间也相应缩短。此外，一台机床覆盖所有工序意味着更低的投资成本和更短的生产时间。

　　图3：电机轴齿轮的刮齿

　　资料来源：Pittler T&S

　　在热前加工中，刮齿被广泛用于齿轮生产制造。该工艺以Pittler创始人威廉·冯·皮特勒先生于1910年提交的专利为基础的齿轮切削加工方式。得益于制造技术的发展，近年来，刮齿已成为齿轮加工的一种高效而灵活的替代方案。

　　刮齿的特点之一是刀具轴与工件轴呈一定角度(图3)，称为轴交角。刀具的定位、给定的轴向进给，以及刀具和工件的耦合速度形成相对运动。这种相对运动沿着主切削方向将齿隙从工件中“剥离”出来。

　　图4：刮齿工艺的模拟

　　资料来源：Pittler T&S

　　当切削点在刀具与工件轴的直线上时，刮削的接触运动学要求刀具为锥形。为了避免这种情况，DVS集团进一步开发了强力刮齿技术：切削位置沿Y方向从连接刀具和工件轴的直线移出(图5)。这种优化使圆柱形刮齿刀的使用成为可能，通过定期的修磨，刀具寿命显著延长，成本大大降低。

　　图5：计算的间隙角度与运动间隙角度的对比

　　资料来源：卡尔斯鲁厄理工学院的wbk生产科学研究所

　　刮削过程中快速变化的切削力会引起机床和控制系统的振动。因此刮削需要非常坚固的机床结构、刀具和工件托架以及高度优化的控制电路。这正是DVS的强力刮齿机设计理念的根源。

　　刮齿技术比较

　　与其他工艺相比，刮齿工艺具有以下几个特点：

　　刮削优势：

　　加工时间短

　　金属去除率高

　　刀具成本合理

　　可与其他加工方法组合使用

　　一次装夹即可完成内、外齿轮生产

　　不利因素：

　　新技术

　　图6：刮削技术比较

　　插齿优势：

　　灵活

　　技术简单

　　不利因素：

　　空程导致加工时间长(约长3-8倍)

　　工件成本高

　　不能与其他加工方法组合使用

　　图7：插齿技术比较

　　资料来源：Pittler T& S

　　滚削优势：

　　金属去除率高

　　加工时间短

　　刀具成本低

　　技术成熟

　　不利因素：

　　仅适用于外置齿轮

　　需要比刮削更大的偏摆

　　图8：插齿技术比较

　　资料来源：Pittler T& S

　　拉削优势：

　　生产率高

　　加工时间特别短

　　不利因素：

　　柔性差

　　无法补偿，例如跨棒距等

　　刀具成本高

　　刀具交付期时间长

　　无法用于受限轮廓的加工

　　无夹持

　　图9：拉削技术比较

　　资料来源：Pittler T& S

　　采用刮削的方法在热前加工齿轮生产上有着很多优势。两个独特的卖点是一次装夹即可完成内、外齿轮生产，以及实现了多合一复合加工或与其他工艺结合的加工模式。

　　Buderus 235VH/M磨削和硬车削

　　轴在热处理之后的第一道工序就是硬精加工工序。由于所需的特性，大多数转子轴都有类似的设计。典型的整体式电子轴由一个驱动齿或花键、两个轴承座、两个密封面和一个转子座组成。根据叠片铁心的固定方式，转子座还附加有键槽或者扁平键面。

　　图10：带传动齿、轴承座、密封面和转子座的电机轴

　　资料来源: DVS Technology Group

　　轴承座和密封面采用切入式磨削加工(图11)，转子座采用剥离段差磨削或切入式磨削加工(图12)。端面和槽口通常在同一装夹过程中通过硬车削加工，如果需要，可以将回转多功能刀架集成到Buderus 235VH/M中。

　　轴承座、密封面和转子座的公差应在微米范围内。经验表明，圆柱度的典型公差要求为0.004-0.03 mm，圆度的公差要求为0.002-0.025 mm，同轴度的公差要求为0.005-0.08 mm，同心度的公差要求为0.008-0.1 mm。对于密封面和转子座，还需要进一步获得高达1μm的精度标准。

　　使用Buderus 235VH/M只需一次装夹即可实现全部磨削精度。

　　图11：单次装夹磨削

　　资料来源:BUDERUS Schleiftechnik

　　图12：用WMZ主轴技术实现单次装夹磨削

　　资料来源:BUDERUS Schleiftechnik

　　235 VH机床的概念代表着最高的质量、极低的单件成本和最高的柔性。创新的机床平台专为加工直径达300mm、长度达1,000mm的旋转对称轴部件而设计。

　　该机床可实现组合和同步加工过程。灵活的配置选项支持各种加工技术，如磨削、硬车削和珩磨和动力刀具的使用。

　　Buderus也是中驱技术方面的专家。最新开发的235VM中心驱动机床具有先进的驱动系统。该驱动系统的工作速度最高可达2,500转/分，因此还能实现零件的硬车削。中驱技术的主要优势是只需一次装夹即可加工内外几何结构，从而实现更高的精度和更高的效率。

　　珩齿——展成珩磨工艺的优势

　　在空心轴安装之前，DVS工艺链中的最后一步是珩齿。近年来，DVS子公司Präwema进一步开发了该项技术，可以降低齿轮滚动时的摩擦损失。该“强力珩齿”工艺现已成为国际汽车行业的标准。珩磨后的齿面对于降低电动汽车的噪声水平和降低能耗至关重要。

　　高工件质量是通过独特的珩齿加工特性来实现的。例如，由于切割速度不超过12米/分钟，因此不会造成磨削烧伤，而磨削烧伤通常是由于切割速度过高而导致的几乎看不见的磨削附带结果。较高的感应表面张力还可以延长齿轮的使用寿命，降低点状腐蚀的风险。此外，整个齿面宽度采用切入法同步加工，轴向和径向都有切削速度，工件表面纹路呈鱼骨状，以提高静音运行。

　　此外，节拍短、刀具成本低，且可加工不能用蜗杆砂轮磨削的紧凑齿轮，使珩齿工艺极具经济性。

　　极其高效的工艺可实现齿轮质量IT 低于6 的超精密加工和Rz 低于1的超精细表面。为了获得最佳的NVH性能，特定的微观几何形状(例如，齿廓角和齿廓形状偏差)将被应用在驱动齿上。

　　测试结果可根据要求提供。

　　珩齿的刀具解决方案

　　另一个重要的因素是刀具及其几何结构和材料。针对各自工艺量身定做的刀具解决方案确保了齿形部件的表面和轮廓达到最高质量水平。DVS刀具的产品范围涵盖了所有的珩齿刀具。主要产品包括PRÄWEMA ORIGINAL 原装珩磨轮图12)和VarioSpeedDresser(VSD)多样修形轮(图14)。

　　为获得高精度的加工结果，在珩齿过程中所施加的力是巨大的。这些力与部件特定的影响相结合，可能会在加工过程中产生不必要的振动，因此必须吸收这些振动以防止出现误差。这就是为什么PRÄWEMA ORIGINAL 原装珩磨轮有两个磨料区域：带齿加工区域外部是另外一层叫做缓冲区的材料，即缓冲区。该外部区域缓解了加工引起的震动，确保震动不会传递到珩磨头和机床。

　　预开齿的PRÄWEMA珩磨轮的齿形质量与大批量生产的最终珩磨轮齿形非常接近，而这通常只有在加工过程中进行齿形修整后才能实现。我们通过VarioSpeedProfiling®(简称VSP)仿形加工来实现极高的齿距精度和齿廓形状质量，同时确保整个珩磨轮始终保持高质量。

　　图13：Präwema珩磨轮

　　最新一代PRÄWEMA SynchroFine®珩齿机床使用VSD技术来修整珩磨刀具。“VSD”代表Vario Speed Dressing®多样修形轮，其切削刀刃的几何精度可以被定义的修整工艺，修整过程采用修整刀具的前刀刃进入珩磨轮。与传统的金刚石修整齿轮相比，VSD修整刀具实现了以前无法达到的轮廓形状和精度。粗糙度从2.0 µm改进到1.3-1.4µm。通过在VarioSpeedDresser上使用我们专有的DVS LaserCut激光切割精加工技术，可以进一步提高齿形部件的表面质量和齿廓质量。在特殊的振动过程中，使用精密的VarioSpeedDresser和特殊晶粒的珩磨轮，粗糙度从1.3-1.4 µm改进到0.8µm。珩磨时间仅增加3-5秒。

　　图14：VarioSpeedDresser修整器组

　　资料来源: Präwema Antriebstechnik

　　经济性与可靠性兼顾

　　DVS TECHNOLOGY GROUP开发的一体化生产方案，能通过对所有工艺环节的精确协调，生产出高质量转子轴，满足电动汽车传动的全部要求。通过这一系列独特的工艺解决方案，DVS集团不仅实现了高效生产，同时显著降低了单件成本。在某些情况下，与传统生产相比，成本最高可降低40%。