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淺談新能源汽車電動機軸內花鍵加工工藝與檢（jiǎn）測（cè）

2023-2-24 來源：無錫威孚奧特凱（kǎi）姆精密機械有限公司作者：張德喜（xǐ）

隨著世（shì）界各國對汽車節能（néng）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（jù）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（yǐ）及船舶和非道路柴油機技術發展方（fāng）向，結合排放法規（guī）和船舶發展技術架構（gòu），確定了與（yǔ）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（xiàn）

表 1 公司技術路（lù）線分析

對於新能源車的基礎部件——電（diàn）動機，其主軸轉速通常在（zài） 8000~12000r/min，運行環境相當惡劣，而對（duì）於其最重（chóng）要零件的電動機軸的設計製（zhì）造提出了嚴格的要求。而電動機（jī）軸中的（de）花鍵，作為主動或從動傳動結構，其設計製造（zào）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（qí）關鍵設計製造指標。電動機軸如圖 2 所示，花鍵參數見（jiàn）表 2。原材料為 60鋼，花（huā）鍵內外部需要局（jú）部高頻淬火（huǒ）加回火（見圖（tú）3 虛線標出部位），硬（yìng）度要求（59±3）HRC，硬化層深度要求 : 齒（chǐ）頂、齒麵及外圓要求 SHD550=（0.8+1.2）mm，齒（chǐ）根 SHD550=（0.4+1.2）mm。

表 2 花（huā）鍵參數

圖 2 某品牌新能源（yuán）車電（diàn）動（dòng）機軸示意

圖 3 花鍵部（bù）分技術要求及局部淬火示意

花鍵在局部熱處理後的主要技術要求如下（xià） :

1）棒間距 M =21.233~21.304mm 。

2）花鍵（jiàn）全跳動 0.04mm。

3）花鍵通止規檢測 OK。

電動（dòng）機（jī）軸內花鍵加工工藝研究

1. 內花（huā）鍵加工工（gōng）藝簡介

內花鍵加工可以選擇（zé）滾花鍵、插花鍵（jiàn）、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（shàng）等，批量生產多首選此種工藝。但滾花鍵多用於加（jiā）工外花鍵，而加（jiā）工內花鍵需要內齒模（mó）數較（jiào）大（通常模數大於 2）且齒寬較淺。拉花鍵加工效率和加工精度均較高，但用於加（jiā）工內花鍵時要求必須是通孔。磨削花鍵效率較低但加（jiā）工精度最高，對於花鍵（jiàn）精（jīng）度要求 6 級及以上（shàng）精度的花鍵一般必須經過磨削才能達到精度要求。銑削隻適用於單件模型樣品。本例中（zhōng），花鍵（jiàn）因既（jì）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（yě）無需磨削來完成，因此（cǐ）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（le）國（guó）產某型號加工設備，該設備主要技術（shù）參數見表 3。該設（shè）備最高可以加工 6 級精度花鍵，加工尺寸範圍也較為廣泛，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（yīn）此可以達到最高 1800str/min 的衝程速度。通過計算得知（zhī）其理論節拍可達 180s/ 件，年產量 11.5 萬件，1 台設備（bèi）基本可以滿足前 3 年的產量要求。另外，該設備（bèi）可以連接自動上下（xià）料裝置，實現工件自動上下料的（de）自動裝夾（jiá），節省（shěng）人力。在實際的（de） B 樣生產中（zhōng）發現此設備的加工節拍實際為 300s/ 件左右，主要瓶（píng）頸是插花鍵刀具的承受能力，若加（jiā）工節拍進一步提高，衝程勢必會加（jiā）快，一般國產高速鋼刀具會很（hěn）快磨損或崩刃。安全起見，公司在（zài） B 樣加工（gōng）過程中控製了衝程速度，人為降低了生產節拍，後續批量生（shēng）產中可以考慮采（cǎi）用（yòng）進口硬質（zhì）合金刀具試（shì）驗更快節拍。

表 3 選用插花（huā）鍵設備的主要技（jì）術參數

3. 工裝（zhuāng）設計

本次插花鍵工裝示意如圖 4 所示。此工裝采用機床控製液壓力自動裝夾，工裝的重複定位精

度0.02mm以內。采（cǎi）用（yòng）大外（wài）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（yǔ）外圓同心度 0.05mm，圓度 0.01mm。通過實際使用發（fā）現此工裝能滿足本例中加工精度的（de）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（huā）鍵的檢測項目如下 :1）跨棒距（外花鍵）/ 棒（bàng）間距（jù）（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（jiàn）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（xū）檢測，但如果通止規檢測出現問題時（shí），可以用（yòng）齒輪檢測（cè）中心就齒形、齒向做專門的檢測，並以此排查刀具或機（jī）床是否出現失效或故障。

圖 4 插花（huā）鍵工裝示意

2. 跨棒距（jù）/棒間距（jù）檢測

本（běn）例中設（shè）計了一種內花鍵專用（yòng）檢具，具體測量方法見表 4。本例中內花鍵需要高頻（pín）淬火，而花（huā）鍵加（jiā）工需在淬火前完成，這（zhè）就涉及處理前後花鍵變形量的問題（tí）。為此需要對花鍵的變形量做（zuò）多輪驗（yàn）證（zhèng）以確保熱處理後花鍵的跨棒距、通止規綜合檢具檢測、跳動檢測均在圖樣範圍內。為了保證達到上述目標，必須對熱處理前、後的檢（jiǎn）測項目，尤其是跨棒距（jù）數據，進行檢測。熱處理前跨（kuà）棒距的數（shù）據記錄如（rú）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（yī）花鍵各測量位置，跨棒距值（zhí）散差最大 0.045mm，最小（xiǎo） 0.017mm。

2）加工尺寸（cùn）要求一致的情（qíng）況下，10 個工件總的花（huā）鍵 M 值散差為（wéi） 0.085mm ，已超（chāo）出公（gōng）差（0.071mm）範圍。

3）有 4 個零件部分 M 值已超上限（xiàn）（UCL），出現花鍵止規在（zài） M 值超差（chà）位置（zhì）可部分（fèn）通過的現象。

綜上，熱處理前必須保證（zhèng）好跨棒距數值的能力，必（bì）須在前道車削加工中采取下（xià）述措施 :1）夾持外圓麵（miàn）（靠近內齒端 φ53mm 外圓（yuán））車加工工藝上要求尺寸單向（xiàng）公差最大（dà） 0.03mm。2）為（wéi）保證內齒全（quán）跳動要求，車加（jiā）工工藝上以兩中心孔（kǒng）為基準，對夾持外圓跳動要求在0.01mm 以內。3）夾持麵及頂（dǐng）尖孔不允許（xǔ）有損傷、髒（zāng）汙，以（yǐ）免影（yǐng）響定位準確性。4）加工（gōng）前校準端麵及其外圓跳動，打表要（yào）在 0.01mm 以內。

通過采取上述措施後，熱處理前跨棒距散差控製在了工藝（yì）範圍內，為後（hòu）續的熱處理變形試驗做好了準備。熱處理試驗中，選擇好（hǎo）感應加熱設（shè）備後，首先要製作精準的加熱工裝，這是試驗成功的前提（tí）。其次，工裝製（zhì）作好（hǎo）後，後續主要通過（guò）調整感應加熱溫度（dù）、保（bǎo）溫時間及其冷卻液濃度等措施保證淬火後能滿足圖樣和規範的各項要求。最後，為了確定熱處理（lǐ）前花鍵的加工尺寸範圍，需要進行熱處理前、後跨（kuà）棒距等項目一一對應的對比檢測（cè），如（rú）圖 6 所示。

圖 6 熱處理前（qián）、後跨棒距測量對（duì）比數據

通過數據（jù）分析，可以得出以下（xià）結論 :

1）熱處理後跨棒距值變小，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）熱處理後單個零件的各測（cè）量位置的（de）跨棒距散差沒有變化（huà）。

3）根據上述變化（huà）特點，可計算（suàn）出熱處理前跨棒距值控製要求。

3. 花鍵全（quán）跳動檢測

花鍵全跳動檢測（cè）通常隻應用於首檢、批次抽檢等抽檢項目。常用的測量手段為專用齒輪檢（jiǎn）測中心檢測，如圖 7 所示。對於批量（liàng）生產件，常用的（de）專用檢具檢測如圖 8 所示。專用檢（jiǎn）具檢測準確度好、操作（zuò）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（xū）要熱處（chù）理（lǐ）的花鍵，一（yī）旦尺寸穩定後就（jiù）需要訂（dìng）製熱處理前、後兩副塞規。塞規（guī）的設計製造方麵，熱處（chù）理後規按照客戶成品圖樣要求（qiú）製作，熱處理前規按熱處理試驗變形量大小設（shè）計製作。如圖 9 所示。

圖 9 內花鍵通止規示意

應用情況

利用上（shàng）述研究成果，公（gōng）司 MEB 項（xiàng）目電動機軸在開發中進展（zhǎn）順利，目（mù）前 B 樣件已經順利完成交付。對於後續類似電動機軸（zhóu）的加工，尤其是內花鍵的加工，提供了寶貴的經驗。此研（yán）究成果從新能源汽車（chē）電動機軸內花鍵的加工工藝、質量保證（檢（jiǎn）測）兩方麵提（tí）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（yòng）性、可操作性極強（qiáng）。

結語

電動機軸精密花鍵的加工（gōng），尤其是（shì）小模數又要熱處理的內花鍵的加工，一直以來都（dōu）是行業內的難點，但是通（tōng）過選（xuǎn）取合理的工藝布局、驗證試驗及詳（xiáng）實（shí）的數據分析，提前製定相關檢驗、檢具方案，可以使新能源（yuán）汽車電動機軸內花鍵的加工達到高效、高質量、低成（chéng）本的目的。

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