淺談新能源汽車電動機軸內(nèi)花鍵加工工藝與檢測
2023-2-24 來源：無錫威孚奧特凱姆精密機械有限公司 作者： 張德喜
隨著世界各國對汽車節(jié)能減排的要求日趨嚴(yán)格，新能源汽車的發(fā)展迎來了快速發(fā)展期。根據(jù)我國發(fā)布的節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖（見圖1）中七大技術(shù)路線，以及船舶和非道路柴油機技術(shù)發(fā)展方向，結(jié)合排放法規(guī)和船舶發(fā)展技術(shù)架構(gòu)，確定了與公司契合度較高的技術(shù)發(fā)展路線（見表 1）。
圖 1 節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線
表 1 公司技術(shù)路線分析
對于新能源車的基礎(chǔ)部件——電動機，其主軸轉(zhuǎn)速通常在 8000~12000r/min，運行環(huán)境相當(dāng)惡劣，而對于其最重要零件的電動機軸的設(shè)計制造提出了嚴(yán)格的要求。而電動機軸中的花鍵，作為主動或從動傳動結(jié)構(gòu)，其設(shè)計制造更需滿足相當(dāng)嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)。以公司某品牌新能源汽車用電動機軸為例，簡介一下其關(guān)鍵設(shè)計制造指標(biāo)。電動機軸如圖 2 所示，花鍵參數(shù)見表 2。原材料為 60鋼，花鍵內(nèi)外部需要局部高頻淬火加回火（見圖3 虛線標(biāo)出部位），硬度要求（59±3）HRC，硬化層深度要求 : 齒頂、齒面及外圓要求 SHD550=（0.8+1.2）mm， 齒 根 SHD550=（0.4+1.2）mm。
表 2 花鍵參數(shù)
圖 2 某品牌新能源車電動機軸示意
圖 3 花鍵部分技術(shù)要求及局部淬火示意
花鍵在局部熱處理后的主要技術(shù)要求如下 :
1）棒間距 M =21.233~21.304mm 。
2）花鍵全跳動 0.04mm。
3）花鍵通止規(guī)檢測 OK。
電動機軸內(nèi)花鍵加工工藝研究
1. 內(nèi)花鍵加工工藝簡介
內(nèi)花鍵加工可以選擇滾花鍵、插花鍵、拉花鍵、磨削及銑削加工等方式。滾花鍵加工效率高、加工精度中上等，批量生產(chǎn)多首選此種工藝。但滾花鍵多用于加工外花鍵，而加工內(nèi)花鍵需要內(nèi)齒模數(shù)較大（通常模數(shù)大于 2）且齒寬較淺。拉花鍵加工效率和加工精度均較高，但用于加工內(nèi)花鍵時要求必須是通孔。磨削花鍵效率較低但加工精度最高，對于花鍵精度要求 6 級及以上精度的花鍵一般必須經(jīng)過磨削才能達(dá)到精度要求。銑削只適用于單件模型樣品。本例中，花鍵因既非通孔，模數(shù)也較小，不能采用滾花鍵和拉花鍵進(jìn)行加工，而且花鍵精度要求中等也無需磨削來完成，因此插花鍵是最優(yōu)方案。
2. 設(shè)備選擇
考慮到前期批量不是很大，優(yōu)先選擇了國產(chǎn)某型號加工設(shè)備，該設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)見表 3。該設(shè)備最高可以加工 6 級精度花鍵，加工尺寸范圍也較為廣泛，因為配備了靜壓導(dǎo)軌和靜壓承使其高速穩(wěn)定性進(jìn)一步提高，因此可以達(dá)到最高 1800str/min 的沖程速度。通過計算得知其理論節(jié)拍可達(dá) 180s/ 件，年產(chǎn)量 11.5 萬件，1 臺設(shè)備基本可以滿足前 3 年的產(chǎn)量要求。另外，該設(shè)備可以連接自動上下料裝置，實現(xiàn)工件自動上下料的自動裝夾，節(jié)省人力。在實際的 B 樣生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)此設(shè)備的加工節(jié)拍實際為 300s/ 件左右，主要瓶頸是插花鍵刀具的承受能力，若加工節(jié)拍進(jìn)一步提高，沖程勢必會加快，一般國產(chǎn)高速鋼刀具會很快磨損或崩刃。安全起見，公司在 B 樣加工過程中控制了沖程速度，人為降低了生產(chǎn)節(jié)拍，后續(xù)批量生產(chǎn)中可以考慮采用進(jìn)口硬質(zhì)合金刀具試驗更快節(jié)拍。
表 3 選用插花鍵設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)
3. 工裝設(shè)計
本次插花鍵工裝示意如圖 4 所示。此工裝采用機床控制液壓力自動裝夾，工裝的重復(fù)定位精
度0.02mm以內(nèi)。采用大外圓和頂部中心孔定位，要求大外圓車加工精度 ±0.015mm，中心孔與外圓同心度 0.05mm，圓度 0.01mm。通過實際使用發(fā)現(xiàn)此工裝能滿足本例中加工精度的要求。
電動機軸內(nèi)花鍵檢測研究
1. 花鍵常規(guī)檢測項目
如無特殊要求，一般花鍵的檢測項目如下 :1）跨棒距（外花鍵）/ 棒間距（內(nèi)花鍵）檢測，一般多為首檢、抽檢、終檢檢測項目。2）花鍵跳動檢測，一般多為首檢、抽檢、終檢檢測項目。3）花鍵通止規(guī)檢測，為綜合檢測，一般是100% 檢測項目。
通常花鍵的齒形齒向無需檢測，但如果通止規(guī)檢測出現(xiàn)問題時，可以用齒輪檢測中心就齒形、齒向做專門的檢測，并以此排查刀具或機床是否出現(xiàn)失效或故障。
圖 4 插花鍵工裝示意
2. 跨棒距/棒間距檢測
本例中設(shè)計了一種內(nèi)花鍵專用檢具，具體測量方法見表 4。本例中內(nèi)花鍵需要高頻淬火，而花鍵加工需在淬火前完成，這就涉及處理前后花鍵變形量的問題。為此需要對花鍵的變形量做多輪驗證以確保熱處理后花鍵的跨棒距、通止規(guī)綜合檢具檢測、跳動檢測均在圖樣范圍內(nèi)。為了保證達(dá)到上述目標(biāo)，必須對熱處理前、后的檢測項目，尤其是跨棒距數(shù)據(jù)，進(jìn)行檢測。熱處理前跨棒距的數(shù)據(jù)記錄如圖 5 所示。
表 4 專用檢具測量內(nèi)花鍵跨棒距的方法
圖 5 熱處理前跨棒距測量數(shù)據(jù)
通過幾輪試驗得出了以下結(jié)論 :
1）同一花鍵各測量位置，跨棒距值散差最大 0.045mm，最小 0.017mm。
2）加工尺寸要求一致的情況下，10 個工件總的花鍵 M 值散差為 0.085mm ，已超出公差（0.071mm）范圍。
3）有 4 個零件部分 M 值已超上限（UCL），出現(xiàn)花鍵止規(guī)在 M 值超差位置可部分通過的現(xiàn)象。
綜上，熱處理前必須保證好跨棒距數(shù)值的能力，必須在前道車削加工中采取下述措施 :1）夾持外圓面（靠近內(nèi)齒端 φ53mm 外圓）車加工工藝上要求尺寸單向公差最大 0.03mm。2）為保證內(nèi)齒全跳動要求，車加工工藝上以兩中心孔為基準(zhǔn)，對夾持外圓跳動要求在0.01mm 以內(nèi)。3）夾持面及頂尖孔不允許有損傷、臟污，以免影響定位準(zhǔn)確性。4）加工前校準(zhǔn)端面及其外圓跳動，打表要在 0.01mm 以內(nèi)。
通過采取上述措施后，熱處理前跨棒距散差控制在了工藝范圍內(nèi)，為后續(xù)的熱處理變形試驗做好了準(zhǔn)備。熱處理試驗中，選擇好感應(yīng)加熱設(shè)備后，首先要制作精準(zhǔn)的加熱工裝，這是試驗成功的前提。其次，工裝制作好后，后續(xù)主要通過調(diào)整感應(yīng)加熱溫度、保溫時間及其冷卻液濃度等措施保證淬火后能滿足圖樣和規(guī)范的各項要求。最后，為了確定熱處理前花鍵的加工尺寸范圍，需要進(jìn)行熱處理前、后跨棒距等項目一一對應(yīng)的對比檢測，如圖 6 所示。
圖 6 熱處理前、后跨棒距測量對比數(shù)據(jù)
通過數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)論 :
1）熱處理后跨棒距值變小，且變化方向一致，變化最大 -0.062mm，變化最小 -0.03mm，平均變化 -0.046mm。
2）熱處理后單個零件的各測量位置的跨棒距散差沒有變化。
3）根據(jù)上述變化特點，可計算出熱處理前跨棒距值控制要求。
3. 花鍵全跳動檢測
花鍵全跳動檢測通常只應(yīng)用于首檢、批次抽檢等抽檢項目。常用的測量手段為專用齒輪檢測中心檢測，如圖 7 所示。對于批量生產(chǎn)件，常用的專用檢具檢測如圖 8 所示。專用檢具檢測準(zhǔn)確度好、操作簡便，在車間環(huán)境比較適合車間操作或檢驗人員使用。
圖 7 齒輪檢測中心檢測花鍵跳動
圖 8 專用檢具檢測花鍵跳動
4. 綜合量規(guī)檢具
本例中需要熱處理的花鍵，一旦尺寸穩(wěn)定后就需要訂制熱處理前、后兩副塞規(guī)。塞規(guī)的設(shè)計制造方面，熱處理后規(guī)按照客戶成品圖樣要求制作，熱處理前規(guī)按熱處理試驗變形量大小設(shè)計制作。如圖 9 所示。
圖 9 內(nèi)花鍵通止規(guī)示意
應(yīng)用情況
利用上述研究成果，公司 MEB 項目電動機軸在開發(fā)中進(jìn)展順利，目前 B 樣件已經(jīng)順利完成交付。對于后續(xù)類似電動機軸的加工，尤其是內(nèi)花鍵的加工，提供了寶貴的經(jīng)驗。此研究成果從新能源汽車電動機軸內(nèi)花鍵的加工工藝、質(zhì)量保證（檢測）兩方面提出了切實可行的方案，可以直接用來指導(dǎo)類似零件的加工、檢測，應(yīng)用性、可操作性極強。
結(jié)語
電動機軸精密花鍵的加工，尤其是小模數(shù)又要熱處理的內(nèi)花鍵的加工，一直以來都是行業(yè)內(nèi)的難點，但是通過選取合理的工藝布局、驗證試驗及詳實的數(shù)據(jù)分析，提前制定相關(guān)檢驗、檢具方案，可以使新能源汽車電動機軸內(nèi)花鍵的加工達(dá)到高效、高質(zhì)量、低成本的目的。
投稿箱：
如果您有機床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關(guān)信息
業(yè)界視點
| 更多
行業(yè)數(shù)據(jù)
| 更多
- 2025年7月 新能源汽車銷量情況
- 2025年7月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年7月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年7月 軸承出口情況
- 2025年7月 分地區(qū)金屬切削機床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年7月 金屬切削機床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年6月 新能源汽車銷量情況
- 2025年6月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年6月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年6月 軸承出口情況
- 2025年6月 分地區(qū)金屬切削機床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年6月 金屬切削機床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年5月 新能源汽車銷量情況