專用于模具成型的螺旋錐齒輪副

目成

劉景亞 發表于 2011-1-8 22:04
- q5 ?6 C, o; a) g感謝目成大俠的回復。
9 j# \$ U9 `& x" G3 s+ x至于第三點，我前幾天看資料，現在日本有一種“板鍛造”技術，結合了冷鍛和鈑金加 ...

8 }1 e0 n) M- H- P謝謝推薦！
您能傳給我一點兒介紹資料嗎？
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害怕伏櫪

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- D" q0 s" u: K  Z2 f- J& `通過“板鍛造”成型擺線齒輪，EV減速器成本降至1/10（上）
. }7 B5 {- ]$ u) m1 }7 a" |0 _+ y作為電動汽車（EV）新的驅動動力源，置于車輪內側的輪內馬達被寄予了厚望。面向這種馬達用途，日本Syvec Corporation（總部：長野縣鹽尻市）開發出了低成本小型擺線（Cycloid）減速器。
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　　成就此次開發的，是一種被稱為“板鍛造”的加工技術。借助該技術，僅用沖壓機就能高精度地制造出擺線齒輪。目前只有該公司能夠加工用于驅動系統減速器的那種既大又厚的齒輪。將目前只能通過切削方式制造、因而成本較高的這種齒輪改為板鍛造方式后，加工成本可降至以往的1/10。不僅是擺線齒輪，對于為了降低成本而希望將切削件改為沖壓件的需求，板鍛造方式也能予以滿足。

2 e# y$ F! M- ^* R比行星齒輪機構更小

　　像它的名字一樣，擺線減速器由齒形呈擺線形*1的擺線齒輪嚙合而成（圖1、2）。如果與普通漸開線（Involute）齒輪對比的話，擺線齒輪由于齒面間的滑移量恒定、摩擦損耗較小，因而減速效果較好。由于齒跟的寬度可以加寬，因此，強度及剛性較高，傳導扭矩較佳。所以可加大減速比。而且，由于構造簡單，因此，部件的個數較少。

6 M& D0 c2 A; V! L/ q! g( H6 [7 S圖1 擺線減速器的內部構造
3 }0 L& d* }, f/ ?& ]. O  _通過齒形呈擺線形的擺線齒輪“輸出齒輪”“二級齒輪”“內齒輪”相互嚙合來進行減速。其中，輸出齒輪及二級齒輪這兩者以板鍛造方式成型。另外，內齒輪隱藏在二級齒輪的背面（殼體中），看不到。

圖2 擺線減速器
面向電動汽車上配備的輪內馬達用途開發而成。減速比為1/18.9。最高輸入轉速為1萬5000rpm，最大輸出扭矩為250N·m。
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       由于具有上述這些特點，擺線減速器能夠造得比現有的行星齒輪機構更小更輕。如果與相同減速比的行星齒輪機構相比，厚度可降至一半，重量及部件個數可減少到1/2以下。正好適用于必需延長平均每次充電的行駛距離（一次充電的續航距離）、并且提高部件布局自由度的電動汽車的需求。還可充分滿足需求依然強烈的發動機車及混合動力車的小型及輕量化。
      擺線減速器及擺線齒輪本身并不是新生事物，小型的擺線減速器及擺線齒輪已在機械式鐘表等領域得到廣泛采用。但是，在需要較大的減速器及齒輪的汽車領域，采用先例卻極其稀少。最大的理由是因為成本較高。
  z6 }0 A2 f) N9 K  P　　與漸開線齒輪不同，作為汽車部件使用的擺線齒輪的專用機床及刀具目前尚未普及。因此，此前是利用通用機床等對鋼材進行切削，然后加工而成的。這種方法“需要5道工序，1個擺線齒輪（同下面提到的“二級齒輪”）的加工要花5個小時”（日本Syvec Corporation的Value Technology研究所研究員長田直樹）。其結果是，加工成本的大幅上升，導致擺線齒輪在汽車領域受到冷遇。

2 J8 b; q+ c. v7 |- O冷鍛與板金加工的融合

　　擺線齒輪的高成本壁壘，被日本Syvec Corporation的沖壓加工技術突破了。該公司用1臺沖壓機和1個模具（順序模具）成功地加工出了擺線齒輪。如果能夠實現量產化的話，則可以3～4秒1個的工件生產時間來制造擺線齒輪。該公司稱，由此可使加工成本降低到切削件的1/10 。*2  

　　制造擺線齒輪的沖壓加工技術，是日本Syvec稱為“冷鍛順序沖壓”的板鍛造技術。用裝在沖壓機上的順序模具對板狀工件（卷材）進行冷鍛，使之成型，這也是“冷鍛順序沖壓”名稱的由來。
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$ @' k% i/ k; F　　板鍛造是將冷鍛以及板金加工兩種技術融合而成的加工方法（圖3）。兩種加工法的長處及短處正好不同。冷鍛能夠成型厚壁的部件，但由于與板金加工所采用的順序模具不同，不能在1個模具中嵌入多個工序，因此，難以完成復雜形狀部件的成型。而板金加工雖然擅長加工復雜的形狀，但卻只能成型壁厚較薄的部件。板鍛造是只從中吸取雙方的長處開發出來的的技術。也就是說，板鍛造能夠成型復雜形狀的厚壁部件。

. j3 g, |# R( ]0 ^$ a" U* {圖3 板鍛造的特點

7 z: h/ s5 o4 l: V　　圖4以具有齒輪形狀的樣品部件為例，展示了進行板鍛造加工的工件在順序模具中是怎樣發生變化的。工序為17道。最初的6道工序進行修整（Trimming），在隨后的8道冷鍛工序中，前4道工序完成齒輪成型，后4道工序進行孔穴加工。最后，通過3道工序來切除余料，將成型的部件從卷材上切割下來即大功告成。為了保守技術秘密，擺線齒輪的順序模具沒有對外公布，但該公司稱，工序數約為20道，加工步驟與該樣品部件沒有太大差別。
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9 n9 }7 P  _: R0 e: R圖4 展示板鍛造加工步驟的工件（樣品部件）框架
# T. w+ ~- k  Z' d* d) G（a）為全部工序?？梢钥闯?，在順序模具中經過17個工序后成型。（b）為修整工序。切掉不要的部分。（c）為冷鍛工序。齒輪成型。（d）仍為冷鍛工序。加工各種孔穴。（e）為裁切工序。切下成型的部件。

圖5加工好的零件
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6 I" y' P# p0 f- S2 V7 A（記者：近岡 裕）

8 ?' }. u$ z2 [& G. D1 ~*1　擺線　沿直線滾動的圓的圓周上的1點所繪出的軌跡。
* P6 |6 E& F0 x0 g0 k7 y*2　以板鍛造方式形成擺線齒輪之后，再進行熱處理。這個工序與切削件沒有不同。因此，本文所述成本為機械加工的成本。

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害怕伏櫪

通過“板鍛造”成型擺線齒輪，EV減速器成本降至1/10

實現殘余應力影響較小的工序設計

　　要想通過板鍛造方式使既大又厚的部件如此高精度地成型，就必須對大型的順序模具進行高精度加工。通常，模具越小要求的精度越高，越大則精度要求則相對較低。例如，由于小的電子部件等要求進行微細加工，因此，模具也要求具有較高的精度，但大型部件則不會要求那么高。但是，這種不太高的精度則制造不出需要較高加工精度的、可以板鍛造方式成型既大又厚的擺線齒輪的順序模具。
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　　日本Syvec在大型順序模具上實現了與小型順序模具相同的加工精度（圖6）。可在相同的精度下加工全長為300～2500mm的順序模具。為了做到這一點，該公司導入了高精度機床。雖然這些大都是昂貴的設備，但“不導入的話，就無法在競爭力上拉開差距”（日本Syvec的長田）。該公司一方面量產客戶訂購的部件，另一方面有半數員工長年開發著眼于數年后的新加工技術，導入昂貴但性能較高的設備，也有對未來進行投資的意思。
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圖6 板鍛造所采用的順序模具
日本Syvec Corporation可以相同的精度加工從全長為300mm的小型產品到2500mm的大型產品的順序模具。

　　日本Syvec導入的高精度機床有兩種。一種是市售機床中加工精度為最高水平的產品。例如，在用于模具盤（Die Plate）等板材類加工的線切割放電加工機方面，該公司選擇了可以以1.5μm的形狀精度高精度加工工件的產品。
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　　另一種是與機床廠商聯手開發的特殊性能的機床。例如，與安田工業聯手開發出了用于定位模具板材的模架（Die Set）加工的3軸控制加工中心（MC）（圖7）。該產品將相距2000mm加工出的2個孔的距離誤差（間距精度）縮小到了3μm。該公司稱，市售的3軸MC的間距精度較之要大數倍。

圖7 與機床廠商聯手開發的3軸控制MC
2 `% v6 f# N% w& ~加工模架。相距2000mm的2個孔穴的距離誤差（間距精度）僅為3μm。

　　另外，該公司還與沖壓機廠商聯手開發出了加壓力為6000kN（約600t）的伺服沖壓機（圖8）。分別與日本網野（Amino，總部：靜岡縣富士宮市）聯手開發出了2臺伺服沖壓機，與日本上瀧精機（Kohtaki Precision Machine，總部：靜岡縣長泉町）聯手開發出了1臺伺服沖壓機。
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圖8 與沖壓機廠商（日本網野）聯手開發的伺服沖壓機
（a）為機身。加壓力高達6000kN。在通過提高上下移動的滑板的剛性以減小變形等方面下了工夫。（b）為向機身供給卷材的滾輪送料器（Roll Feeder）。即使卷材的板厚為11mm，仍可利用該沖壓機進行量產。
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' W1 k2 G' W2 H) I& f       進行板鍛造時，由于要在順序模具中進行冷鍛，因而會產生較大的局部荷重，如果采用普通的沖壓機，上下移動的滑板有時會出現翹曲并產生變形。這種情況下，沖頭會傾斜進入，與其他模具部件碰撞，從而產生摩耗或者缺損。這是因為，由于是高精度的模具，所以沖頭與孔穴之間的間隙極小。這樣一來，不僅工件的加工精度會下降，還有可能產生飛邊。
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) @8 s. ~* {" y1 n　　此次聯手開發的伺服沖壓機不僅可設定靈活的運動曲線（Motion Curve），而且還提高了上下移動的滑板的剛性，減小了變形。這樣一來，由于沖頭幾乎沿垂直方向上下移動，便沒有了加工精度變差以及飛邊發生的擔心。（
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' X  x3 V1 [- {5 r2 N沖頭的形狀精度為1.5μm
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　　沖頭的加工采用了日本天田（Amada）造的“圖形化輪廓磨床”（圖9）。這種磨床配備了用CCD攝像頭在線測定磨削過程中的工件、并進行自動補償的系統。如果在磨削過程中砂輪出現摩耗，則會產生磨削不足，在這種情況下工件不會形成想要的形狀。對此，這種磨床通過增加砂輪的越程來補償摩耗，從而提高工件的加工精度。
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, p2 W: S$ X" ^+ D! J  \圖9 可高精度加工沖頭的輪廓（仿形）磨床
4 I2 }  p7 C! o& v2 y（a）為外觀。不僅具備在加工過程中通過CCD攝像頭監測工件的磨削程度、并進行補償的功能，還預設了旨在提高精度的多種設定?？杉庸ば螤罹葹?.5μm、表面粗度為Rz0.2μm的沖頭。（b）為設置在機身旁邊的機器人。負責換裝適合磨削的砂輪。由此，從沖頭的粗磨到精磨可一氣呵成。
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       以這種輪廓磨床為原型，日本Syvec將其改造成了更高精度的機型。首先，配備了分解能為10nm的標尺，從而提高了工作臺的X/Y/Z軸導軌面的精度，可進行微細定位。然后，將為防止與沖頭相干擾而設置的砂輪座的后角固定下來，使砂輪的角度保持恒定。另外，追加了主軸（Spindle）的輸出功率可變功能，從而可控制主軸的輸出功率。

6 A7 t9 Y/ W6 ~# s7 Y2 _* x: O　　該公司之所以如此改動性能指標，是為了從坯料開始一氣呵成地切削完成成品沖頭。由設置在機身旁邊的機器人負責更換砂輪，用1臺這種輪廓磨床完成從粗磨到精磨的工序。通過精磨加工，可將沖頭的表面加工成鏡面。由此，形狀精度為1.5μm、表面粗度為Rz0.2μm的沖頭制造完成。

　　一般情況下，用線切割放電加工機將坯料切割成適當的大小及形狀之后，再用磨床進行加工。但是，由于無法實現鏡面加工，因而磨削后還要由操作員進行研磨加工 *5。與此不同，由于該公司的輪廓磨床可省去人工研磨加工的工序，因而可不分晝夜地加工沖頭。
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/ z3 n, L# H3 }/ h+ q*5　研磨加工：在研磨平板與工件之間填入磨料（研磨劑），將兩者壓緊并使其相對運動，借此對工件表面進行微細研磨的方法。同時使用磨料及研磨液的稱為濕式研磨，不使用研磨液的稱為干式研磨。
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實現殘余應力影響較小的工序設計
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* y& g; Q/ Q0 G* A+ ~2 r" |　　要想高精度地成型既大又厚的擺線齒輪，完美控制材料的移動（塑性流動）的工序設計也很重要。在冷鍛過程中，當沖頭向工件加壓時，材料會變形，變成與沖頭形狀相似的形狀。然而，提起沖頭后，殘余應力有時會導致工件收縮或者擴張（變大）。這樣一來，擺線齒輪的形狀便會破壞。

       為了防止這一問題，該公司充分利用了CAE。對冷鍛時如何保證材料順暢流動進行了分析，實現了可能減小殘余應力所導致的尺寸變化的工序設計（圖10）。這種CAE分析可針對沖壓機的壓力，模擬工件上產生的表面壓力、殘余應力以及裂紋等。該公司稱，當存在多個選項而不知如何選擇時，便利用CAE分析來確認最可行的方向。不過，由于CAE分析并不是十全十美，因此，模擬后還要試制模具，實際確認是否實現了所期望的工序設計。
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圖10 二級齒輪的內齒輪部分的CAE分析
* j! Q% Y7 P5 M2 R對冷鍛時材料是否順暢流動進行分析?？赡M表面壓力、殘余應力及裂紋等。
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　　擺線齒輪用沖壓機進行加工之后，還要進行淬火。由于這種熱處理會導致材料收縮或者膨脹，因此，這樣會使得擺線齒輪的尺寸發生變化。為此，該公司在工序設計中還考慮了熱處理變形問題，保證了擺線齒輪的加工精度。（記者：近岡 裕）
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目成

回復 害怕伏櫪 的帖子

謝謝害怕伏櫪大俠的介紹和推介！
, e: o' q6 ^5 r# ]8 c明白了板鍛造實質上是厚板機進模，靠連續不斷的速率成型來降低成本的。
但是，這對模腔材料、機床精度、模具精度以及產品材料的處理狀態，恐有嚴格的要求，非資金雄厚、合作機制良好而能成事。
( g$ X0 `6 G$ ~' [大約10年前，看到資料介紹，日本完成20mm厚度零件的板料精密沖裁?？吹贸鏊麄兪腔舜罅烤唾Y金的。
0 N. [% ]7 v! A# A+ f6 a% G- ^

目成

回復 害怕伏櫪 的帖子
# m5 [9 T8 K9 |6 Y
間距精度僅為3μm，確實高！

害怕伏櫪

網上目前找到有關“板鍛造”的鏈接：
5 i. w1 V. t; h: V7 _http://club.battery.com.cn/thread-85721-1-1.html
http://china.nikkeibp.com.cn/new ... p;print=1&page=
http://techon.nikkeibp.co.jp/article/HONSHI/20100825/185189/

害怕伏櫪

網上目前找到有關“板鍛造”的鏈接：
3 o. [/ F; d% U& S+ \; D9 hhttp://club.battery.com.cn/thread-85721-1-1.html
http://china.nikkeibp.com.cn/new ... p;print=1&page=
http://techon.nikkeibp.co.jp/article/HONSHI/20100825/185189/

taojun

請問那個出模干涉的模具如何生產？？我在找生產這種模具的方法,感謝

劉景亞

目成 發表于 2011-1-9 10:52
回復 害怕伏櫪 的帖子

3 D) `4 B+ n2 B5 J* r9 |謝謝害怕伏櫪大俠的介紹和推介！

我說的資料正是害怕伏櫪大俠給出的資料，這個是日經雜志2010年9月份刊出的報道，應該是最新的動態了。
. @6 U/ a5 _* m* |$ ]日本預計2011年春季批量生產。
! a( y' j& z3 M/ m) A) Z目成大俠理解的也很到位。
/ B6 [  Q/ X1 E5 T: Q3 D! I這種技術對加工模具的加床、材料等要求都非常高，涉及到一個很龐大的產業鏈。
) K0 i- h8 h7 a) v像這類技術，原理一般比較簡單，但要具體實現就靠點點滴滴扎實的技術積累。所以這種技術也很難被山寨。
另外現在EV（電動汽車）、HEV（混合動力車）、FCV（燃料汽車）這些都是汽車行業的熱點和趨勢，也希望各位能抓住這個歷史機遇，大展身手。
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9 o) A9 j* F# B

目成

taojun 發表于 2011-1-9 12:25
請問那個出模干涉的模具如何生產？？我在找生產這種模具的方法,感謝

1 ~3 g$ m6 Z3 h; U% z4軸CNC加工出電極，然后電火花做模腔就是了。
您是冷擠（鐓）加工？
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