新能源汽车高精度齿轮加工技术分析

2020-07-14宋建科刘利李厚裕来秋月吴振威云昊欧阳毅骐

机械工程师 2020年6期

宋建科，刘利，李厚裕，来秋月，吴振威，云昊，欧阳毅骐

（天津理工大学机械工程学院，天津300384）

0 引言

近几年，新能源汽车得到快速的发展和应用，但是其高速和长途续航里程依然不能满足出行的需求，而提升新能源汽车传动系统效率是减少运行能耗和延长续航里程的有效途径之一[1]。新能源汽车相对于燃油汽车对整车的噪声、振动和舒适性要求更加严格，对传动系统的NVH问题更加敏感。采用高精度齿轮的多挡位自动变速器对提高新能源汽车动力性、延长新能源汽车续驶里程、优化新能源汽车电驱动系统总成性能、降低新能源汽车整车质量和成本、改善新能源汽车驾乘感受等都具有重要作用。因此，新能源汽车对传动齿轮的精度和加工质量具有更高的要求。如图1所示，高精度渐开线圆柱齿轮是新能源汽车传动系统关键零件，其加工技术复杂，对加工设备、加工精度和工件表面质量要求高，此类齿轮的制造工艺尚不成熟、效率低、成本高，甚至需要大量进口。因此，有必要针对新能源汽车高精度传动齿轮加工工艺进行分析，为高效加工工艺研究提供基础。

图1 渐开线圆柱齿轮

1 汽车齿轮典型加工工艺分析

目前，汽车齿轮机械加工过程中，通常采用的加工工艺为：车削锻造毛坯→切齿（滚齿/插齿）→剃齿→渗碳淬火→磨齿[2]，滚齿和磨齿工艺过程如图2所示。齿轮毛坯为模锻而成；采用数控车床在一次装夹的条件下完成毛坯的外圆表面、内孔表面和端面的车削，保证齿坯具有较好的精度，为后序的高质量加工提供基础；采用滚齿的方法进行齿形的粗加工(滚齿机的加工精度为IT10～IT7级)；剃齿一般应用于未进行淬火热处理齿轮齿形的精加工(精度可达IT7～IT6级)，但是剃齿不能修正分齿误差，剃齿后的精度只能比剃齿前提高一级；汽车齿轮的工作任务比机床齿轮要繁重得多，因此在耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧性等方面的要求均比机床齿轮要高，选用渗碳钢制造并经渗碳热处理才能满足其性能要求；最后以磨削加工的方法对经过热处理的齿轮内孔、端面、轴的外径等部分进行精加工，进而提高尺寸精度和减小形位公差，磨削加工可达的经济精度为IT6～IT4级，表面粗糙度为Ra0.2～0.8 μm。珩磨作为一种特殊的磨削加工技术，是精加工中的一种高效加工方式，可以安排为最后加工工序，划分为光整加工阶段，具有加工精度高、表面质量好、加工效率高等特点，可将表面粗糙度降低到Ra0.20～0.05 μm[3]。但是，汽车齿轮典型的加工工艺已经无法满足绿色节能的新能源汽车对传动齿轮加工过程提出的高精度、高质量和高效率的要求，因此，必须进行新的高效高质量加工工艺研究。

图2 齿轮加工过程

2 高精度齿轮加工技术及措施

1)硬齿面加工技术。

硬齿面加工技术主要应用于热处理后齿面硬度高于45 HRC的齿轮精加工，目的是提高齿轮精加工的效率、质量和降低加工成本，主要加工方法是针对硬齿面的剃齿、精滚(刮研)、磨齿和珩齿等，相对于传统加工工艺，硬齿面加工方法对机床、刀具材料和涂层、工具技术等提出更高的要求。

随着刀具材料、刀具设计和制造技术的提升，硬齿面刀具得到快速发展，促进了硬齿面加工技术在高精度齿轮加工中的应用。滚齿和剃齿过程主要应用具有涂层的高速钢与硬质合金刀具；珩齿和磨齿可以使用CBN或金刚石超硬磨料的电镀或烧结磨具，CBN砂轮成形磨齿如图3所示。并且在刀具设计时将粗、精加工刀具设计成组合刀具，减少工序数量。采用涂层高速钢或硬质合金刀具进行硬齿面剃齿和精滚，齿轮精度可以达到IT6～ IT5级；采用超硬刀具材料砂轮进行硬齿面珩齿和磨齿，相对于传统工艺，可以明显降低表面粗糙度，提高表面质量，提高精度1～2级，加工效率是常规齿面磨齿的25倍以上[4]。为了适应硬齿面齿轮加工的需求，所用加工机床更加注重数控技术、高速加工和多功能性。

2)强力珩齿技术。

由于齿轮加工常用的“滚齿→剃齿→热处理→磨齿”工艺在高精度汽车变速箱齿轮加工中存在的局限性，其难以满足齿轮技术要求。对热处理后的硬齿面进行磨削，进而采用珩齿的方法提高质量，加工成本较高。但是，采用强力珩齿直接对硬齿面加工，是高精度齿轮加工的高效方法。强力珩齿技术可以使齿轮精度达到IT5级以上，当制造成本与传统工艺接近的条件下，可以获得更高的加工精度、表面质量和加工效率，展现出良好的经济效益。

图3 CBN砂轮磨削硬质面及所用砂轮

强力珩齿的齿形齿向修正量可以大于0.05 mm，可以修正热处理变形和微缺陷，表面粗糙度可以达到Ra0.2 μm以下，加工过程如图4所示。热处理后采用强力珩齿的工艺，可以减少磨齿导致的表面磨纹，避免变速器齿轮啮合过程中产生的谐振和噪声[5]；齿面具有较大的残余压应力，显著增大了齿轮强度、耐磨性及抗点蚀性能；强力珩齿过程中刀具相对齿面滑动同时去除工件材料，切削速度较低，避免了磨齿过程中高速磨削产生的齿面烧伤；相对于磨齿，珩齿能对带台肩的齿轮进行加工；虽然精度略低于磨齿加工，但强力珩齿成本和综合效率明显优于磨齿工艺。珩齿成本大约为剃齿的50%和磨齿的20%。因此，在汽车变速器高精度齿轮加工中应用强力珩齿工艺具有很大的优势，并提高变速器运行可靠性和稳定性，延长大修周期，减少汽车NVH问题。汽车变速器高精度齿轮加工工艺路线可以简化为滚→剃→珩，甚至可以在滚齿后直接进行强力珩齿。此技术也是依赖于数控机床和CBN 超硬材料砂轮的应用。