Para satisfacer la demanda de mecanizado de alta-eficiencia y alta-precisión de perfiles de engranajes helicoidales C-EPS, este estudio investiga sistemáticamente aspectos técnicos clave-como la selección de procesos, la optimización del fresado y el control del rectificado-para determinar el esquema de procesamiento óptimo. Se proponen mejoras en varias áreas: selección de equipos, métodos de sujeción de piezas, parámetros de herramientas de corte, sistemas de enfriamiento y parámetros de proceso. Las soluciones específicas incluyen mejorar la rigidez de las máquinas torbellinadoras CNC de alta-precisión, optimizar la eficiencia mediante sujeción hidráulica y carga/descarga automatizada, diseñar parámetros para herramientas de carburo con recubrimiento ultra-fino y controlar procesos de enfriamiento de niebla de alta-aire-y de rectificado de perfiles. El proceso optimizado garantiza una precisión estable de grado IT7 para el perfil del gusano, mejora significativamente la calidad de la superficie y la eficiencia del mecanizado y reduce sustancialmente los costos de producción.
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Introducción
Los sistemas de dirección asistida eléctrica de tipo columna-(C-EPS) se utilizan ampliamente en vehículos de pasajeros que van desde la Clase A0 hasta la Clase B debido a su estructura compacta y costos manejables. El gusano involuto (ver Figura 1) sirve como componente transmisor de torsión central-del C-EPS; Si el error del perfil del diente supera los 0,01 mm, es probable que se produzcan problemas como retraso en la dirección o ruidos anormales [1]. En consecuencia, el proceso de mecanizado exige una estricta precisión de grado IT7 y al mismo tiempo cumple con los requisitos de eficiencia de la producción en masa.
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Figura 1: Gusano involuta
Los procesos actuales de mecanizado sin fin se enfrentan a tres desafíos principales: ① Los procesos tradicionales de torneado y rectificado adolecen de una baja eficiencia, con una producción en un solo-turno que cae por debajo de las 500 unidades. ② Los procesos de tallado y laminación producen una mala consistencia del perfil; la precisión depende en gran medida de la precisión de la fresa y las fluctuaciones de error alcanzan ±0,02 mm a medida que la herramienta se desgasta. ③ Los procesos de fresado convencionales no cumplen con los requisitos de calidad de la superficie, lo que da como resultado valores de rugosidad superficial (Ra) de 1,6 μm o superiores. Desarrollar una tecnología de mecanizado de tornillo sin fin C-EPS que equilibre una alta precisión con una alta eficiencia es de gran importancia práctica para mejorar la competitividad en el mercado de los productos C-EPS.
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Estado actual de la investigación (nacional e internacional)
A nivel internacional, los esfuerzos para mejorar la precisión del mecanizado de tornillos sin fin a menudo se basan en-equipos de alta gama-como la máquina rectificadora de tornillos sin fin CNC desarrollada por la empresa alemana KAPP. Al utilizar tecnología de compensación de errores térmicos, este equipo controla el error de hélice acumulativo dentro de 0,005 mm; sin embargo, el costo por unidad supera los 8 millones de RMB, lo que crea una barrera de entrada extremadamente alta. La investigación nacional se ha centrado principalmente en la optimización de procesos; Si bien algunos fabricantes de automóviles utilizan un proceso de tallado-más-laminado para la producción en masa de tornillos sin fin, la precisión del mecanizado solo alcanza el grado IT8, por lo que no cumple con los requisitos de los modelos de vehículos de alta-gama.
Las investigaciones existentes aún tienen que establecer una solución de mecanizado integrada que combine un desbaste de alta-eficiencia con un acabado de alta-precisión. Basado en un proceso combinado de torbellino y rectificado de formas, este documento construye un sistema de optimización integral-que incluye equipos, herramientas de corte y parámetros de proceso-para cerrar la brecha en tecnología de mecanizado de alta-eficiencia y alta-precisión para tornillos sin fin C-EPS.
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Selección del proceso de mecanizado del perfil de dientes sin fin
3.1 Comparación de esquemas de procesos
Se realizó una comparación cuantitativa entre tres procesos principales para el mecanizado de perfiles de dientes sin fin: torneado más rectificado, tallado con fresado más laminado y fresado (torbellino) más rectificado. La comparación evaluó indicadores principales-como la rugosidad de la superficie, el grado de precisión y la consistencia del perfil de los dientes-así como métricas de producción como la eficiencia del mecanizado y el tiempo de cambio. El Cuadro 1 compara los indicadores centrales de los diferentes procesos, mientras que el Cuadro 2 compara sus eficiencias.
Cuadro 1 Comparación de indicadores básicos para diferentes procesos
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Nota: Datos derivados de mediciones reales en la línea de producción de un fabricante de automóviles; tamaño de muestra n=500.
Tabla 2 Comparación de eficiencia para diferentes procesos
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Nota: La producción de un solo-turno se basa en medidas de un tornillo sin fin de φ30 mm × 120 mm; El equipo presenta una configuración de un solo-husillo.
3.2 Determinación del Proceso Óptimo
Como se muestra en las Tablas 1 y 2, el proceso de fresado-más-esmerilado (torneado para desbaste/semi-acabado seguido de esmerilado de acabado) supera significativamente a los otros esquemas tanto en indicadores de mecanizado central como en eficiencia de producción. Además, elimina la necesidad de un proceso de fresado dedicado, lo que reduce los costos de mecanizado en aproximadamente un 40 %. En consecuencia, este documento se centra en este proceso para realizar una investigación más detallada-.
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Optimización del fresado sin fin
El fresado sirve como etapa de desbaste y semiacabado del gusano; su precisión y eficiencia de mecanizado determinan directamente la calidad de referencia y el tiempo del ciclo de producción para el posterior proceso de rectificado de acabado. Este estudio lleva a cabo un diseño de optimización en cinco aspectos: selección de equipos, métodos de sujeción de piezas, parámetros de herramientas de corte, sistemas de enfriamiento y parámetros de proceso.. 4.1 Selección de equipos y mejora de la rigidez.
(1) Selección de una máquina torbellinadora CNC de alta-precisión: para cumplir con los requisitos de precisión IT7, se seleccionó una máquina torbellinadora CNC equipada con sistemas de husillo y alimentación de alta-precisión. Las especificaciones técnicas clave son las siguientes:
1) Sistema de alimentación: Resolución Menor o igual a 0,0001 mm; Precisión de posicionamiento de carrera completa-de ±0,002 mm.
2) Sistema de husillo: Desviación radial Menor o igual a 0,001 mm; descentramiento axial menor o igual a 0,0005 mm; Estabilidad de la velocidad de rotación de ±5 r/min.
Los datos experimentales indican que cuando la precisión de posicionamiento de la máquina herramienta mejoró de ±0,01 mm a ±0,002 mm, el error acumulativo de la hélice del gusano disminuyó de 0,025 mm a 0,008 mm, lo que representa una mejora directa en la precisión del mecanizado en dos grados.
(2) Estrategia de mejora de la rigidez de las máquinas herramienta: una rigidez insuficiente de las máquinas herramienta tiende a inducir vibraciones de corte, lo que provoca un aumento de más del 30 % en los errores de seguimiento de los dientes del gusano. La rigidez de la máquina herramienta se puede mejorar mediante las dos medidas siguientes:
1) Anclaje de cimientos: la base de una máquina herramienta con un espesor mayor o igual a 500 mm se funde con hormigón C30 y se conecta rígidamente al piso mediante pernos de expansión M30; La nivelación de la base se mantiene dentro de 0,02 mm/m.
2) Optimización estructural: se emplea un mecanismo de bloqueo tipo cuña- en la conexión entre el soporte de la herramienta y la bancada de la máquina, lo que aumenta el área de contacto en un 40 % y eleva la rigidez estática de la máquina herramienta a 250 N/μm.
4.2 Optimización de los métodos de sujeción y carga/descarga
(1) Control de precisión de la sujeción hidráulica: la sujeción manual tradicional produce errores de posicionamiento axial de hasta ±0,1 mm, lo que provoca fluctuaciones significativas en la precisión de la posición axial del perfil del diente del gusano. Al utilizar un mandril autocentrante hidráulico-con una fuerza de sujeción de 5 a 8 kN-junto con un punto de referencia de posicionamiento de la cara del extremo-y un anillo de empuje axial-el error de posicionamiento de la sujeción se controla dentro de ±0,03 mm. Esto mejora tres veces la precisión posicional axial del gusano, proporcionando una referencia de mecanizado estable para procesos de rectificado de acabado posteriores. (2) Mejora de la eficiencia mediante carga y descarga automatizadas: se adoptó un robot de celosía para reemplazar la mano de obra para la carga y descarga automatizadas de ejes helicoidales [2]. El tiempo de sujeción se redujo de 20 s/pieza a 5 s/pieza, la utilización del equipo aumentó del 65 % al 90 % y la producción de un solo turno aumentó en más de 300 piezas.
4.3 Diseño de parámetros de herramientas de corte y control de desgaste
Se seleccionó acero de aleación de alta-calidad como materia prima para el eje helicoidal C-EPS, logrando una dureza de 28–32 HRC después del templado y revenido [3]. Con base en las características del material, el proceso de diseño abordó la selección del material de la herramienta, la optimización de los parámetros geométricos y el control del desgaste durante la instalación.
(1) Selección del material de la herramienta: en la Tabla 3 se muestra una comparación del rendimiento de corte del acero de alta-velocidad (W18Cr4V), el carburo cementado estándar (WC-Co) y el carburo recubierto de grano ultrafino-(serie YBG) [4]. Finalmente se seleccionó el carburo recubierto de grano ultrafino-YBG como sustrato de la herramienta.
Tabla 3 Comparación del rendimiento de corte para diferentes materiales de herramientas
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Nota: Las condiciones de corte fueron una velocidad de avance de 0,15 mm/r y una profundidad de corte de 1,2 mm.
La herramienta cuenta con un sustrato de WC-Co con niobio (Nb) añadido y un nano-revestimiento de TiAlN de 3 a 5 μm de espesor. La dureza del recubrimiento alcanza los 3200 HV y la dureza en caliente permanece estable hasta 800 grados, cumpliendo con los requisitos del proceso para corte de alta-velocidad.
(2) Optimización de los parámetros geométricos de la herramienta: según las características del perfil del diente de la espiral del eje helicoidal,
Se diseñaron parámetros geométricos especializados para la fresa de desbaste (fresa de forma tipo ZA-) y la fresa de acabado (fresa de forma tipo ZI-) (consulte la Tabla 4), equilibrando las fuerzas de corte, la resistencia del filo y la calidad de la superficie mecanizada.
Tabla 4 Diseño de parámetros geométricos de herramientas especializadas
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(3) Instalación de herramientas y monitoreo de desgaste: La instalación de herramientas y monitoreo de desgaste deben cumplir con los siguientes requisitos técnicos. 1) Configuración del cabezal de corte: se emplea un cabezal de corte de precisión con un grado de equilibrio dinámico de G2.5. Como se muestra en la Figura 2, el cabezal de corte presenta seis posiciones de montaje dispuestas para alternar entre tres fresas de desbaste-y tres fresas de acabado-. Las fresas de desbaste-se extienden entre 0,12 y 0,20 mm más que las fresas de acabado-, lo que permite completar el mecanizado de desbaste y semiacabado en una sola pasada.
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Figura 2: Esquema de instalación del cabezal cortador
2) Coincidencia del ángulo de la hélice: el cabezal cortador se inclina y gira para alinear el ángulo de la hélice del cortador con el ángulo de avance del gusano ( ). La fórmula para calcular el ángulo de avance es:
tan=Pz / (πd1) (1)
¿Dónde está el ángulo de avance (grados), Pz es el avance axial (mm) y d es el diámetro del círculo primitivo (mm)?
3) Monitoreo del desgaste: se utiliza un instrumento de inspección sin fin para monitorear los errores del perfil de los dientes en tiempo-real. Las cuchillas se reemplazan rápidamente cuando el desgaste alcanza 0,005 mm; Los insertos se pueden reutilizar tres o cuatro veces después del reafilado.
4.4 Optimización del sistema de refrigeración y parámetros del proceso.
(1) Diseño de enfriamiento por niebla de -aire-alta presión: la velocidad de corte para el fresado por torbellino alcanza 260–360 m/min, con temperaturas en la zona de corte que se elevan a 600–800 grados. Se emplea un sistema de enfriamiento por niebla de aire-a alta-presión-[5] que funciona entre 0,80 y 1,38 MPa. El medio de enfriamiento consiste en una mezcla de 5% de emulsión de presión extrema-y aire comprimido, administrado a través de cuatro boquillas en forma de abanico-dispuestas simétricamente (1,5 mm de diámetro) para lavar directamente la zona de corte. Este sistema mejora la eficiencia de la refrigeración en un 60 % en comparación con la refrigeración por inundación tradicional y reduce la tasa de residuos de viruta por debajo del 0,5 %.
(2) Optimización de los parámetros de fresado: el método de prueba ortogonal se utiliza para determinar la combinación óptima de parámetros de proceso para el fresado sin fin, equilibrando la eficiencia del mecanizado con la calidad del mecanizado.. 1) Profundidad de corte: la profundidad total de corte para el fresado de engranajes se calcula en función de la altura total del diente, *h*:
*h*=[(d1 + 2mx) - (d1 - 2.4mx)] / 2 (2)
Donde *h* es la altura total del diente (mm), que representa la profundidad total de corte; *d1* es el diámetro del círculo primitivo del engranaje (mm); *m* es el módulo axial (mm); el factor 2 en "2m" corresponde al coeficiente del apéndice (el apéndice estándar es 1*m*, por lo que ambos lados suman 2*m**x*); y 2,4 es el coeficiente relacionado con el dedendum- (el dedendum estándar es 1,2*m*, por lo que ambos lados suman 2,4*m*).
2) Velocidad de avance: La velocidad de avance es de 0,13 a 0,20 mm/r, ajustada dinámicamente según la dureza del material.
3) Velocidad de rotación: la velocidad del husillo de la pieza de trabajo es de 12 a 18 r/min y la velocidad del cabezal de corte es de 6000 a 8000 r/min (velocidad lineal de corte de 300 a 400 m/min).
4) Margen de rectificado de acabado: el margen es de 0,5 a 0,7 mm, lo que equilibra la eficiencia del rectificado con la precisión del mecanizado final.
Utilizando los parámetros anteriores, el tiempo del ciclo de producción para una sola máquina torbellinadora alcanza entre 90 y 105 piezas/h; la rugosidad de la superficie (Ra) del gusano después del fresado es de 0,8 a 1,2 μm y el error del perfil del diente es de ±0,004 mm [6].
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Control del rectificado del perfil de dientes sin fin.
El rectificado es el proceso de acabado del tornillo sin fin C-EPS y determina directamente la precisión del mecanizado final. Este estudio implementa el control del proceso con respecto al equipo de molienda/selección de muelas y parámetros de molienda/control de enfriamiento para garantizar que la precisión del gusano cumpla consistentemente con el grado IT7.
5.1 Selección de equipos abrasivos y muelas abrasivas.
Se selecciona una máquina rectificadora de gusanos CNC con función de alineación automática de dientes-; La precisión de posicionamiento de la máquina es de ±0,001 mm. Se emplea un método de rectificado de forma [7], utilizando un rectificador CNC para rectificar la muela en una forma de espiral que coincida con el gusano, asegurando así la consistencia en el mecanizado del perfil del diente. Se selecciona una muela abrasiva de alúmina fundida (WA) blanca, con una dureza de H5, un tamaño de grano de F80 y un aglutinante de resina (que ofrece una excelente resistencia al impacto); el diámetro de la rueda es de 405 mm y la velocidad lineal de funcionamiento es de 45 m/s. Las muelas de alúmina fundida blanca poseen buenas-propiedades de autoafilado y minimizan eficazmente la generación de calor de rectificado-produciendo menos calor que las muelas de carburo de silicio-evitando así quemaduras por rectificado en la pieza de trabajo.
5.2 Parámetros de molienda y control de enfriamiento
(1) Parámetros del proceso de molienda: con base en el dato de referencia establecido después del fresado sin fin y los requisitos de precisión finales, los parámetros de molienda óptimos se determinaron de la siguiente manera:
1) Velocidad de rotación: la velocidad del husillo de la pieza de trabajo es de 5 a 8 r/min; La velocidad de la muela es de 1800 a 2000 r/min (la velocidad lineal de la muela es de 2289 a 2543 m/min).
2) Velocidad de avance: La velocidad de avance del desbaste es de 180 a 200 mm/min; La velocidad de avance del rectificado final es de 50 a 80 mm/min.
3) Ciclo de rectificado de la muela: la muela se rectifica cada 5 a 8 sinfines para garantizar la precisión del perfil de la muela.
(2) Control de enfriamiento de rectificado: como medio de enfriamiento se utiliza aceite de corte de presión extrema- con una viscosidad de 20 a 30 mm²/s a 40 grados. El enfriamiento forzado se logra mediante una bomba de alta-presión de 2 MPa con un caudal mayor o igual a 50 L/min [7]. Esto asegura un enfriamiento adecuado de la zona de rectificado y elimina eficazmente las virutas de rectificado, evitando la obstrucción del grano abrasivo que podría comprometer la calidad del mecanizado.
5.3 Verificación de los resultados de la molienda
La inspección con un probador de gusanos de alta-precisión confirma que los gusanos mecanizados con el proceso de rectificado de forma-optimizado logran una precisión estable del perfil de los dientes de grado IT7, una rugosidad de la superficie (Ra) de 0,2 a 0,4 μm y un error de alineación de los dientes menor o igual a 0,008 mm. El tiempo del ciclo de producción es de 60 a 72 piezas/hora, lo que cumple con los requisitos del proceso para la producción en masa de gusanos C-EPS. El perfil de rectificado y la retención del perfil de la muela son puntos de control críticos en el proceso de rectificado; cualquier desviación en el perfil de la rueda conduce directamente a errores excesivos en el perfil de avance y dentado del gusano. Por lo tanto, el rectificado y la inspección de las ruedas deben realizarse estrictamente de acuerdo con los requisitos del proceso.
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Conclusión
Este documento establece un sistema de tecnología de fabricación de alta-eficiencia y alta-precisión para gusanos C-EPS mediante la optimización de procesos y parámetros multi-dimensionales, lo que arroja los siguientes resultados clave de investigación:
1) La combinación de torbellino (para desbaste/semi{1}}acabado) y rectificado (para acabado) se identificó como el proceso de fabricación óptimo para los tornillos sin fin C-EPS. En comparación con los métodos tradicionales de torneado y rectificado, este enfoque aumenta la eficiencia entre 10 y 13 veces, logra una precisión de mecanizado de grado IT7 y reduce los costos de producción en aproximadamente un 40 %.
2) Se propusieron un esquema de mejora de la rigidez y una estrategia de sujeción hidráulica para máquinas torbellinadoras CNC de alta-precisión; Estas medidas aumentaron la rigidez estática de la máquina herramienta a 250 N/μm y redujeron el error de posicionamiento de sujeción de ±0,1 mm a ±0,03 mm.
3) Se desarrollaron herramientas YBG de carburo con revestimiento ultrafino- (adecuadas para tornillos sin fin de acero aleado) y un sistema de refrigeración por nebulización de aire- de alta-presión (0,80–1,38 MPa), que permite un corte de alta-velocidad de 300 a 400 m/min y logra una rugosidad de la superficie post-fresado de Ra inferior o igual a 0,8 μm.
4) Se optimizaron los parámetros del proceso de rectificado de formas, estableciendo un intervalo de rectificado de muelas de 5 a 8 partes. La rugosidad de la superficie posterior-se redujo a Ra 0,2–0,4 μm y el error de avance se mantuvo en menos de 0,008 mm o igual, cumpliendo con los requisitos de precisión y estabilidad para la producción en masa.
Las investigaciones futuras podrían integrar tecnologías de inteligencia artificial para lograr la fabricación inteligente de gusanos C-EPS: utilizar sistemas de visión artificial para monitorear el desgaste de las herramientas en tiempo real-y modelos de aprendizaje profundo para ajustar dinámicamente los parámetros de corte; y desarrollar algoritmos de compensación de errores térmicos para máquinas herramienta para mejorar aún más la precisión del rectificado sin fin hasta el grado IT6. Estos avances proporcionarían soporte técnico para la I+D y la producción de productos C-EPS de alta-gama y ampliarían sus aplicaciones de mercado.
