淺談新能源汽車電動機軸內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能減排的要求日趨嚴格，新能源汽車的發展迎來了快速發展期。根據我國發布的節能與新能源汽車技術路線圖（見圖1）中七大技術路線，以及船舶和非道路柴油機技術發展方向，結合排放法規和船舶發展技術架構，確定了與公司契合度較高的技術發展路線（見表 1）。
圖 1 節能與新能源汽車技術路線
表 1 公司技術路線分析
對于新能源車的基礎部件——電動機，其主軸轉速通常在 8000~12000r/min，運行環境相當惡劣，而對于其最重要零件的電動機軸的設計制造提出了嚴格的要求。而電動機軸中的花鍵，作為主動或從動傳動結構，其設計制造更需滿足相當嚴苛的標準。以公司某品牌新能源汽車用電動機軸為例，簡介一下其關鍵設計制造指標。電動機軸如圖 2 所示，花鍵參數見表 2。原材料為 60鋼，花鍵內外部需要局部高頻淬火加回火（見圖3 虛線標出部位），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
圖 2 某品牌新能源車電動機軸示意
圖 3 花鍵部分技術要求及局部淬火示意
花鍵在局部熱處理后的主要技術要求如下 :
1）棒間距 M =21.233~21.304mm 。
2）花鍵全跳動 0.04mm。
3）花鍵通止規檢測 OK。
電動機軸內花鍵加工工藝研究
1. 內花鍵加工工藝簡介
內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，批量生產多首選此種工藝。但滾花鍵多用于加工外花鍵，而加工內花鍵需要內齒模數較大（通常模數大于 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過磨削才能達到精度要求。銑削只適用于單件模型樣品。本例中，花鍵因既非通孔，模數也較小，不能采用滾花鍵和拉花鍵進行加工，而且花鍵精度要求中等也無需磨削來完成，因此插花鍵是最優方案。
2. 設備選擇
考慮到前期批量不是很大，優先選擇了國產某型號加工設備，該設備主要技術參數見表 3。該設備最高可以加工 6 級精度花鍵，加工尺寸范圍也較為廣泛，因為配備了靜壓導軌和靜壓承使其高速穩定性進一步提高，因此可以達到最高 1800str/min 的沖程速度。通過計算得知其理論節拍可達 180s/ 件，年產量 11.5 萬件，1 臺設備基本可以滿足前 3 年的產量要求。另外，該設備可以連接自動上下料裝置，實現工件自動上下料的自動裝夾，節省人力。在實際的 B 樣生產中發現此設備的加工節拍實際為 300s/ 件左右，主要瓶頸是插花鍵刀具的承受能力，若加工節拍進一步提高，沖程勢必會加快，一般國產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，人為降低了生產節拍，后續批量生產中可以考慮采用進口硬質合金刀具試驗更快節拍。
表 3 選用插花鍵設備的主要技術參數
3. 工裝設計
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，工裝的重復定位精
度0.02mm以內。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。通過實際使用發現此工裝能滿足本例中加工精度的要求。
電動機軸內花鍵檢測研究
1. 花鍵常規檢測項目
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，但如果通止規檢測出現問題時，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
本例中設計了一種內花鍵專用檢具，具體測量方法見表 4。本例中內花鍵需要高頻淬火，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、通止規綜合檢具檢測、跳動檢測均在圖樣范圍內。為了保證達到上述目標，必須對熱處理前、后的檢測項目，尤其是跨棒距數據，進行檢測。熱處理前跨棒距的數據記錄如圖 5 所示。
表 4 專用檢具測量內花鍵跨棒距的方法
圖 5 熱處理前跨棒距測量數據
通過幾輪試驗得出了以下結論 :
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），出現花鍵止規在 M 值超差位置可部分通過的現象。
綜上，熱處理前必須保證好跨棒距數值的能力，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）為保證內齒全跳動要求，車加工工藝上以兩中心孔為基準，對夾持外圓跳動要求在0.01mm 以內。3）夾持面及頂尖孔不允許有損傷、臟污，以免影響定位準確性。4）加工前校準端面及其外圓跳動，打表要在 0.01mm 以內。
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，為后續的熱處理變形試驗做好了準備。熱處理試驗中，選擇好感應加熱設備后，首先要制作精準的加熱工裝，這是試驗成功的前提。其次，工裝制作好后，后續主要通過調整感應加熱溫度、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，需要進行熱處理前、后跨棒距等項目一一對應的對比檢測，如圖 6 所示。
圖 6 熱處理前、后跨棒距測量對比數據
通過數據分析，可以得出以下結論 :
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。對于批量生產件，常用的專用檢具檢測如圖 8 所示。專用檢具檢測準確度好、操作簡便，在車間環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. 綜合量規檢具
本例中需要熱處理的花鍵，一旦尺寸穩定后就需要訂制熱處理前、后兩副塞規。塞規的設計制造方面，熱處理后規按照客戶成品圖樣要求制作，熱處理前規按熱處理試驗變形量大小設計制作。如圖 9 所示。
圖 9 內花鍵通止規示意
應用情況
利用上述研究成果，公司 MEB 項目電動機軸在開發中進展順利，目前 B 樣件已經順利完成交付。對于后續類似電動機軸的加工，尤其是內花鍵的加工，提供了寶貴的經驗。此研究成果從新能源汽車電動機軸內花鍵的加工工藝、質量保證（檢測）兩方面提出了切實可行的方案，可以直接用來指導類似零件的加工、檢測，應用性、可操作性極強。
結語
電動機軸精密花鍵的加工，尤其是小模數又要熱處理的內花鍵的加工，一直以來都是行業內的難點，但是通過選取合理的工藝布局、驗證試驗及詳實的數據分析，提前制定相關檢驗、檢具方案，可以使新能源汽車電動機軸內花鍵的加工達到高效、高質量、低成本的目的。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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