应对涡轮增压、电动和轻量化的机动车制造挑战
感应淬火：生产电动马达转子的完整 EMAG 生产线中的 OP50。特斯拉和迈向全电动汽车和卡车可能会受到大部分媒体的关注。但现实情况是，大多数美国汽车制造商需要应对双重挑战，即制造电动汽车独有的新部件，同时制造燃油效率更高的内燃机 (ICE)。正如位于密歇根州法明顿希尔斯的 EMAG 销售副总裁柯克斯图尔特所解释的那样，“即使是到 2040 年的预测也要求 80% 的车辆配备一种或另一种形式的内燃机。”换句话说，大多数美国汽车要么是混合动力车，既有电动机又有内燃机，或者只是
因此，无论如何，汽车制造商都需要尽可能高效的内燃机。
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一个斯图尔特报道说，从内燃机中获取更多动力的方法是使用涡轮增压器，北美的涡轮增压器市场正在显着增长。他补充说，虽然北美的涡轮增压器采用率增长最快（欧洲和亚洲的涡轮增压器使用率已经很高），但“美国的供应链非常有限。有一个不断增长的制造基地，比美国这里更靠近墨西哥边境以南，但我们也看到这种情况正在发生变化。甚至原始设备制造商也在研究在内部制造自己的涡轮增压器，这是全新的。”
这是一个制造起来具有挑战性的部件。 “冷端”有一个不锈钢外壳，其中包含一个通常由铝制成的叶轮。轴将叶轮（通常称为“轮子”）连接到 ho 中的轮子t 侧通常由铬镍铁合金制成。那个轮子的外壳是不锈钢的。制造和连接这些部件的顺序有所不同，但运行速度高达 300,000 转/分，并且需要叶轮叶片和外壳之间近乎完美的啮合，因此尺寸和平衡公差非常严格。 EMAG 是为数不多的制造能够处理所有必要操作的机器的公司之一，可以选择将它们集成到完整的交钥匙生产线中。
Stewart 说，外壳可以车削、铣削或用两个过程的结合。 “就车削而言，您可以购买一次性定制夹具并使用标准刀具车削组件，或者，您可以使用带有特殊刀具解决方案的铣床，”他解释说。
埃马克为这些应用带来了不寻常的机器结构。 EMAG 的车床垂直固定零件，卡盘在顶部，如果需要，还有一个尾座在底部。这样可以去除大量工件，帮助去除切屑，并简化零件装载。卡盘作为零件的拾取装置，可以通过简单的传送带进入机器。此外，这些机器还有一个铸造花岗岩床身。这极大地限制了热变化以及温度变化带来的增长和收缩。 “这是一块大石头，同样具有非常低的振动特征，”斯图尔特说。 “用于这些外壳的一些不锈钢可能是非常讨厌的东西，而制造精良的机器可以降低加工成本。”Stewart 说，冷侧轮通常从铝块开始，而一般形状被车削，然后移动到五轴铣床以制造刀片。热侧轮通常从近净铬镍铁合金铸件开始，“然后您只加工背面并为轴创建配合直径。”
磨削达到严格的公差
该轴和外刀片几何形状的公差确实很严格，而磨削是达到这些公差的首选方法。根据位于俄亥俄州迈阿密斯堡的 United Grinding North America 圆柱分部销售副总裁 Hans Ueltschi 的说法，用于汽车的轴长约 4 英寸（101.6 毫米），直径仅为约 1/4 英寸（6.35 毫米），大约是大型卡车的两倍。 Ueltschi 说，为了确保涡轮增压器更平稳、更安静地运行，直径公差已从 10 µm 减小到 4-5 µm 范围。跳动公差在相同范围内或更严格一些，而轮轮廓的公差在 20 µm 范围内。他解释说，保持 4-5 µm 的公差通常需要 1.67 甚至 2.0 的工艺能力指数 (Cpk)。这迫使公差带达到大约 1.5 µm 的范围。 （Cpk 2.0 是六西格玛质量标准。）
正如 Ueltschi 所说，研磨这种公差的坚固部分。将如此脆弱的零件磨得如此好更难，尤其是因为所需的循环时间很短。他补充说，两个或三个不同的直径通常沿轴的大部分长度磨削，最关键的区域是进入轴承的区域。此外，将热区轮焊接到轴上的小区域进行了研磨，在某些情况下，在轴拧入冷区轮的背面有螺纹区域。 “一些轴有 O 形环槽或密封槽，需要进行研磨，”Ueltschi 说。 “所以这是另一个挑战。有时您需要去除砂轮的摩擦焊缝堆积物。”
磨削叶轮会遇到断续切削的挑战，这会影响砂轮的磨损。后缘也容易形成毛刺。此外，Ueltschi 说，一些客户还需要灵活性来运行不同类型的涡轮机，“所以你需要能够进行大量的转换。”
为了应对这些挑战，United Grinding 在已经坚如磐石的基础上增加了在线测量和稳定器斯图德研磨机。确切的型号和砂轮配置将取决于 OEM 和所需的装配程序，但 Ueltschi 表示最流行的方法是使用“一体机”。
捷太格特Toyoda 的可更换主轴帽在大多数情况下可实现快速且成本相对较低的维修，并且重复精度在 2 µm 以内。当然，工艺知识是关键，Ueltschi 透露“机器的重复精度足以让一个量规控制一个砂轮。所以，如果有一台多轮机，每个量具都与每个轮子相关联，因为坐标系是独立的。”量规在闭环系统中为每次磨削抵消轴驱动，补偿任何砂轮磨损或机器轴的变化。 “我们谈论的是百万分之一的变化，”Ueltschi 说。 “这些特定量具的量具 R&R 约为 0.1 至 0.2 µm，以确保您可以达到此精度。”
稳定器可伸缩以实现快速自动加载，然后接合量具和支架。 Ueltschi 观察到，这造成了一个拥挤的小工作区。 Studer 通常对轴和叶轮使用切入式或角度切入式磨削，后者的成型轮与轮廓相匹配。 Ueltschi 解释说，也可以对叶轮使用剥离磨削，其中 CNC 使用砂轮以大约 140 m/s 的速度生成形状，而标准速度为 50 至 60 m/s。 “与不太灵活的方法相比，这是一种非常灵活的方法一种但效率更高的切入磨削方法，”他说。
除了中心架和过程中测量外，过程稳定性还依赖于 Studer 机器的矿物铸造 Granitan 底座、变速轮驱动的使用收缩时自动调整砂轮速度，并控制冷却液温度和清洁度。
Ueltschi 补充说，许多人没有认识到拥有极直机床通道的重要性。 “旋转修整系统将减少金刚石砂轮的磨损。但你仍然必须修整轮子，这样零件才能笔直，没有任何锥度。” United Grinding 还在单元的自动化部分提供了一个去毛刺站，用于在研磨后清洁叶轮。
难题的最后一块是平衡轴和叶轮组件，正如斯图尔特指出的那样，“任何该过程中的变化会产生非常高的废品率。高废鼠对已经焊接到精密机加工轴上的 Inconel 零件进行 es 浪费了大量资金。”他说，传统的加工方法引入了太多的可变性。 “如果您的钻尖或铣刀几何形状有一点偏差，那么数学就不起作用了。其次，如果组件本身有一点波纹，而且它偏离了你想要消除一些不平衡的地方，那就把事情搞砸了。”他补充说，机器可变性也是一个问题。
EMAG 的方法是使用电化学加工 (ECM)，斯图尔特说，这种方法可以在 45 秒内产生可靠的“首次修正”，包括零件处理。 “我们不碰那部分。阴极离得近一点或远一点都没有关系。组件的波浪多一点或少一点都没有关系。如果我们在 ECM 附近，我们会根据已知的电压和时间获得可预测的金属去除量。”
更严格的 ICE 公差
另一种最大化 ICE 输出的方法是将它们构建为更严格的公差，JTEKT Toyoda Americas Corp.（伊利诺伊州阿灵顿海茨）构建的 HMC交付那个。丰田汽车的汽车提案经理 Dan Wietacha 表示，大多数丰田 HMC 的主轴都具有“动态可变液压预载系统”。它允许我们在需要时以较低的速度运行，但当我们达到 12,000 至 15,000 rpm 时，我们对我们的机器感到安慰，因为我们在较高速度下的预加载和有助于散热的陶瓷轴承使工具跳动最小那是生成的。丰田章男还为其广受欢迎的 FH500J HMC 在很大程度上标准化了直接驱动 B 轴（转台）。 “这比在传统 B 轴上添加旋转标尺更具成本效益。在许多情况下，我们固有地获得了所需的索引精度，并且作为奖励，为了提高产量，您可以获得高速索引。我们可以在半秒内完成 90o。”
Toyoda 南部区域销售经理巴斯特·巴恩斯 (Buster Barnes) 进一步强调了这一点，他说 Toyoda 将带编码器的直接驱动打包为“比传统的蜗杆驱动工作台少一个旋转秤。因此，用更少的钱，您可以获得更快的工作台和相同的准确性，如果不是更好的话，因为不涉及传动装置。它就像工作台的电机主轴。”
Toyoda 还为其所有 HMC 配备了滚珠丝杠热稳定器 (BTS)。 “这是一个非常精确的传感器，可以监控滚珠丝杠的线性增长，”Wietecha 解释说，帮助机器在不使用线性标尺的情况下实现“极高的精度”，而线性标尺可能是维护方面的一个难题。例如，Wietecha 说，对于气缸镗孔，曲柄孔的垂直度公差为 50 µm。 “因此，如果你从右岸到左岸进行索引，那 indexing的准确性极其关键。如果我们在一个夹具设置中加工零件的两侧，我们甚至可以看到平行度在 80 到 100 微米范围内。”
Toyoda 在没有玻璃尺的情况下保持这些公差。 Barnes 引用了一条 V-6 铝块生产线，在该生产线中，其机器将顶板定位销孔位置保持在 300+ mm 的距离上，Cpk 为 1.67。得益于 BTS 系统，它在没有线性刻度的情况下已经这样做了 13 年多。
Studer 单元一次磨削 Inconel 涡轮叶轮轮廓和轴上的轴承表面和 O 形环槽。 Toyoda HMC 的另一个特点有助于保持严格的公差：获得专利的可更换主轴盖，可在大多数情况下实现快速修复。正如 Wietacha 所解释的那样，主轴在多年使用过程中发生的损坏或磨损通常仅限于刀架接口。但 Toyoda 主轴的那部分是一个易于更换的盖子，成本不到 6,000 美元。 “这大约需要 30 到 45 分钟的工作，并且在 2 µm 内重复，”Wietecha 说。
Barnes 说它非常受汽车用户的欢迎，他们无法承受不准确或停机的后果。 “如果你损坏了 [传统主轴] 的锥度，你只有两个选择：拉出主轴并以 30,000 到 60,000 美元的价格安装一个新的主轴组件，或者在机器中重新研磨锥度。”这意味着它已停产，同时召集某人带着锥形磨床进来并将其安装在机器上并重新研磨锥度、测试它并调整拉杆。 “完成它需要几天甚至几周的时间，”他说。这种方法快速、便宜，而且其可更换的锥形主轴的精度不亚于一开始使用的一体式主轴。 “这不是什么新鲜事。我们已经为很多人做过了，伙计y 年，”Barnes 说。
大型电池外壳
据 Wietecha 报道，电池托盘已成为电动汽车 (EV) 生产中的一个关键挑战。 “它们是相当大的铝制零件，通常带有许多较小的钻孔和丝锥孔以及其他一些特征。”考虑到它们的尺寸，托盘非常适合 Toyoda 的 SX-i HMC 模型，这些模型具有“超大的工作区直径和增加的 X 和 Y 冲程，”Wietecha 说。 “FH630SX-i 是一台 60 mpm 的机器，而 FH800SX-i 的工作速度为 54 mpm。”这些是高速机器，尽管它们通常专门用于大型重型铣削作业。他指出，它们还提供可选的 15,000 rpm 主轴。 FX800SX-i 的最大工件摆动直径为 1,500 毫米，最大高度相同。
位于密歇根州新哈德逊的 SW North America Inc. 开发了 BA W08-12，与大多数 SW 机器不同的是单轴卧式al，虽然它共享 SW 通常的“整体式”设计以最小化偏转。该机床的碰撞圆直径为 950 毫米，长度为 1,710 毫米，X 轴行程比双主轴型号长 700 毫米，加工范围几乎翻了一番。
直线电机是另一款SW 的德国母公司销售总经理 Reiner Fries 表示，这是关键成分。 “加工大批量结构件相当于普通的轻金属加工，”Fries 说。 “能够在尽可能短的时间内覆盖较长截面的高动态、快速机器显然更适合此类加工。配备直线电机的 SW 机器系列特别适合这些市场需求。”
Fries 还指出，BA W08-12 有两个独立的旋转轴（第四轴），两者都可以安装带有第五轴工作台。并且夹具可以夹住正在加工的零件底板的顶部或底部。 “电池外壳必须处理四个不同的部件。使用 SW 机器，这可以通过四轴 [加工] 一次夹紧来完成，”Fries 说。
有助于生产这些大型外壳的另一项进步是一种冲孔丝锥，它节省了大约 75% 的成本线程时间。该工具最初由 Emuge 与奥迪合作开发，现在可供其他客户使用，丰田章男与 FANUC 合作为他们的机器创建合适的刀具路径。 Barnes 将其描述为一条螺旋路径，而不是逐个逐个螺距。
EV 电机组件
一段时间以来，让车辆尽可能轻便一直是一种虚拟的痴迷，并且这对电动汽车来说当然至关重要。斯图尔特说，这包括动力总成，其核心部件是转子轴。他解释说，制造轻型转子的一种常见方法，尤其是末端需要坚固特征的方法，是 to 从两个独立的部件开始，将它们大部分钻出来，然后将它们焊接在一起，“就像两个咖啡杯边缘对边缘相连一样。”同样，除了绿色加工之外，埃马克还提供自动焊接、焊后感应淬火、感应淬火后硬车削以及硬车削后零件最终磨削的解决方案。斯图尔特说，定子是一组最终形成一个的许多钣金部分（而不是传统的钢块）。他说：“这不是一个真正坚固的零件，但它在组装后仍需要具有严格的直径公差。”
他解释说，加工该零件的备选方案包括简单的车削和磨削，但埃马克更喜欢采用无滚动转动的变化。与使用具有单一刀尖半径的刀片车削不同，这会在刀片中积聚热量并增加工件和刀片之间的压力，无滚动车削使用“长刀片”设置为 45o 角，与刀片进给同时扫过零件。这个非常长的刀片逐渐被穿过，……逐渐切割整个直径。因此，沿叶片长度的接触点相当瞬时。”
他指出，这会将所有热量推入芯片，从而大大减轻组件上的负载。 “所以你的变化更少，同样它使你能够进行非常好的直径控制。” Stewart 报告说，这导致表面光洁度低至 Rz 1-4 µm，这是对这些组件的关键要求。此外，无滚动转向比传统的单机头转向快 60% 到 80%，他说。
无滚动转向有什么缺点？ “这项技术相对较新，”斯图尔特说，尽管他的意思是大约 10 岁。并且“有一些软件要求才能获得精确的扫描。复杂的是，当你接触刀片的最前面时，你实际上有点落后于零件直径的真正死点。所以有一个不完全线性的插值，一些特殊的软件 [需要] 随之而来。”另一个挑战是在设置工具时需要小心，因为刀片的表面粗糙度会直接转移到零件表面。 “因此，如果您不能很好地控制该工具，那么它就不会在组件上给出您想要的结果。”
Stewart 补充说，埃马克还拥有冷缩配合技术。 “我们现在可以将定子引入电池，将定子放到转子上，对组件进行精加工，并提供用于最终平衡和包装的设备。”
