Untuk memenuhi permintaan akan pemesinan-efisiensi,-presisi tinggi pada profil worm gear C-EPS, penelitian ini secara sistematis menyelidiki aspek teknis utama-seperti pemilihan proses, pengoptimalan penggilingan, dan kontrol penggilingan-untuk menentukan skema pemrosesan yang optimal. Perbaikan diusulkan di beberapa bidang: pemilihan peralatan, metode kerja, parameter alat pemotong, sistem pendingin, dan parameter proses. Solusi spesifiknya mencakup peningkatan kekakuan mesin berputar-NC berpresisi tinggi, mengoptimalkan efisiensi melalui penjepitan hidraulik dan bongkar/muat otomatis, merancang parameter untuk perkakas karbida berlapis ultra-halus, dan mengendalikan proses pendinginan-kabut udara-bertekanan tinggi dan penggilingan profil. Proses yang dioptimalkan memastikan akurasi tingkat IT7 yang stabil untuk profil cacing, secara signifikan meningkatkan kualitas permukaan dan efisiensi pemesinan, dan secara signifikan mengurangi biaya produksi.
1
Perkenalan
Sistem power steering elektrik tipe kolom-(C-EPS) banyak digunakan pada kendaraan penumpang mulai dari Kelas A0 hingga Kelas B karena strukturnya yang kompak dan biaya yang terjangkau. Cacing involute (lihat Gambar 1) berfungsi sebagai komponen transmisi torsi inti dari C-EPS; jika kesalahan profil gigi melebihi 0,01 mm, kemungkinan besar akan terjadi masalah seperti steering lag atau kebisingan abnormal [1]. Oleh karena itu, proses pemesinan memerlukan presisi tingkat IT7 yang ketat sekaligus memenuhi persyaratan efisiensi produksi massal.
Gambar
Gambar 1: Cacing yang terlibat
Proses pemesinan cacing saat ini menghadapi tiga tantangan utama: ① Proses pembubutan dan penggilingan tradisional mempunyai efisiensi yang rendah, dengan keluaran-shift tunggal yang kurang dari 500 unit. ② Proses hobbing dan rolling menghasilkan konsistensi profil yang buruk; akurasi sangat bergantung pada presisi kompor, dan fluktuasi kesalahan mencapai ±0,02 mm seiring dengan keausan alat. ③ Proses penggilingan konvensional gagal memenuhi persyaratan kualitas permukaan, sehingga menghasilkan nilai kekasaran permukaan (Ra) 1,6 μm atau lebih tinggi. Mengembangkan teknologi pemesinan worm C-EPS yang menyeimbangkan presisi tinggi dan efisiensi tinggi merupakan hal praktis yang penting untuk meningkatkan daya saing pasar produk C-EPS.
2
Keadaan Penelitian Saat Ini (Domestik dan Internasional)
Secara internasional, upaya untuk meningkatkan presisi pemesinan cacing sering kali bergantung pada-peralatan canggih-seperti mesin penggiling cacing CNC yang dikembangkan oleh perusahaan Jerman KAPP. Dengan memanfaatkan teknologi kompensasi kesalahan termal, peralatan ini mengontrol kesalahan heliks kumulatif hingga 0,005 mm; namun, biaya per unit melebihi 8 juta RMB, sehingga menciptakan hambatan masuk yang sangat tinggi. Penelitian dalam negeri terutama berfokus pada optimalisasi proses; sementara beberapa pembuat mobil menggunakan proses hobbing-plus-rolling untuk produksi massal worm, keakuratan pemesinan hanya mencapai tingkat IT8, sehingga gagal memenuhi persyaratan untuk model kendaraan-kelas atas.
Penelitian yang ada belum menghasilkan solusi pemesinan terintegrasi yang menggabungkan{0}}pengerasan kasar yang berefisiensi tinggi dengan penyelesaian akhir yang berpresisi tinggi. Berdasarkan proses gabungan dari perputaran dan penggilingan bentuk, makalah ini membangun sistem pengoptimalan komprehensif-yang mencakup peralatan, alat pemotong, dan parameter proses-untuk menjembatani kesenjangan dalam teknologi pemesinan-efisiensi,-presisi tinggi untuk worm C-EPS.
3
Pemilihan Proses Pemesinan Profil Worm Tooth
3.1 Perbandingan Skema Proses
Perbandingan kuantitatif dilakukan antara tiga proses utama untuk pemesinan profil gigi cacing: pembubutan plus penggilingan, hobbing plus penggulungan, dan penggilingan (whirling) plus penggilingan. Perbandingan tersebut mengevaluasi indikator inti-seperti kekasaran permukaan, tingkat akurasi, dan konsistensi profil gigi-serta metrik produksi seperti efisiensi pemesinan dan waktu pergantian. Tabel 1 membandingkan indikator inti dari berbagai proses, sedangkan Tabel 2 membandingkan efisiensinya.
Tabel 1 Perbandingan Indikator Inti untuk Berbagai Proses
[Gambar]
Catatan: Data berasal dari pengukuran aktual pada lini produksi produsen mobil; ukuran sampel n=500.
Tabel 2 Perbandingan Efisiensi untuk Berbagai Proses
[Gambar]
Catatan: Keluaran-shift tunggal didasarkan pada pengukuran worm φ30mm × 120mm; peralatan memiliki-konfigurasi spindel tunggal.
3.2 Penentuan Proses Optimal
Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1 dan 2, proses penggilingan-plus-penggilingan (berputar untuk roughing/semi-finishing diikuti dengan penggilingan akhir) secara signifikan mengungguli skema lainnya baik dalam indikator pemesinan inti maupun efisiensi produksi. Selain itu, hal ini menghilangkan kebutuhan akan proses mesin hobbing khusus, sehingga mengurangi biaya pemesinan sekitar 40%. Oleh karena itu, makalah ini berfokus pada proses ini untuk-penelitian mendalam lebih lanjut.
4
Optimalisasi Penggilingan Cacing
Penggilingan berfungsi sebagai tahap roughing dan semi{0}}finishing untuk worm; akurasi dan efisiensi pemesinannya secara langsung menentukan kualitas referensi dan waktu siklus produksi untuk proses penggilingan akhir selanjutnya. Studi ini melakukan desain optimasi pada lima aspek: pemilihan peralatan, metode kerja, parameter alat pemotong, sistem pendingin, dan parameter proses. 4.1 Pemilihan Peralatan dan Peningkatan Kekakuan
(1) Pemilihan Mesin Whirling CNC-Presisi Tinggi: Untuk memenuhi persyaratan presisi IT7, mesin berputar CNC yang dilengkapi dengan sistem umpan dan spindel-presisi tinggi dipilih. Spesifikasi teknis utamanya adalah sebagai berikut:
1) Sistem umpan: Resolusi Kurang dari atau sama dengan 0,0001 mm; akurasi posisi pukulan penuh-±0,002 mm.
2) Sistem spindel: Runout radial Kurang dari atau sama dengan 0,001 mm; runout aksial Kurang dari atau sama dengan 0,0005 mm; stabilitas kecepatan putaran ±5 putaran/menit.
Data eksperimen menunjukkan bahwa ketika akurasi posisi perkakas mesin ditingkatkan dari ±0,01 mm menjadi ±0,002 mm, kesalahan kumulatif heliks cacing menurun dari 0,025 mm menjadi 0,008 mm, yang menunjukkan peningkatan langsung dalam presisi pemesinan sebesar dua tingkat.
(2) Strategi Peningkatan Kekakuan Peralatan Mesin: Kekakuan peralatan mesin yang tidak memadai cenderung menyebabkan getaran pemotongan, menyebabkan peningkatan kesalahan penelusuran gigi cacing lebih dari 30%. Kekakuan peralatan mesin dapat ditingkatkan melalui dua langkah berikut:
1) Penahan Pondasi: Alas perkakas mesin dengan ketebalan lebih dari atau sama dengan 500 mm dicor menggunakan beton C30 dan disambungkan secara kaku ke lantai melalui baut ekspansi M30; kerataan dasar dipertahankan dalam 0,02 mm/m.
2) Optimasi Struktural: Mekanisme penguncian tipe baji-digunakan pada sambungan antara sandaran pahat dan alas mesin, meningkatkan area kontak sebesar 40% dan meningkatkan kekakuan statis perkakas mesin hingga 250 N/μm.
4.2 Optimalisasi Metode Penjepitan dan Bongkar/Muat
(1) Kontrol Presisi Penjepit Hidraulik: Penjepit manual tradisional menghasilkan kesalahan posisi aksial hingga ±0,1 mm, menyebabkan fluktuasi signifikan dalam akurasi posisi aksial profil gigi cacing. Dengan memanfaatkan pencekam pemusatan otomatis hidraulik dengan gaya penjepitan 5–8 kN-dihubungkan dengan datum pemosisian ujung-wajah dan cincin dorong aksial-kesalahan pemosisian penjepit dikontrol dalam ±0,03 mm. Hal ini meningkatkan tiga kali lipat akurasi posisi aksial worm, sehingga memberikan datum pemesinan yang stabil untuk proses penggilingan akhir berikutnya. (2) Peningkatan efisiensi melalui bongkar muat otomatis: Robot rangka diadopsi untuk menggantikan tenaga kerja manual untuk bongkar muat otomatis poros cacing [2]. Waktu penjepitan berkurang dari 20 dtk/potong menjadi 5 dtk/potong, pemanfaatan peralatan meningkat dari 65% menjadi 90%, dan output{20}}satu shift meningkat lebih dari 300 lembar.
4.3 Desain Parameter Alat Pemotong dan Pengendalian Keausan
Baja paduan-berkualitas tinggi dipilih sebagai bahan mentah untuk poros cacing C-EPS, yang mencapai kekerasan 28–32 HRC setelah pendinginan dan temper [3]. Berdasarkan karakteristik material, proses desain membahas pemilihan material perkakas, optimalisasi parameter geometri, dan pengendalian keausan selama pemasangan.
(1) Pemilihan material perkakas: Perbandingan kinerja pemotongan baja berkecepatan tinggi (W18Cr4V), karbida semen standar (WC-Co), dan karbida berlapis berbutir ultrahalus (seri YBG) [4] ditunjukkan pada Tabel 3. Karbida berlapis berbutir ultrahalus YBG akhirnya dipilih sebagai substrat perkakas.
Tabel 3 Perbandingan kinerja pemotongan untuk material perkakas yang berbeda
[Gambar]
Catatan: Kondisi pemotongan adalah laju pemakanan 0,15 mm/r dan kedalaman pemotongan 1,2 mm.
Alat ini dilengkapi substrat WC-Co dengan tambahan Niobium (Nb) dan lapisan nano TiAlN-tebal 3–5 μm. Kekerasan lapisan mencapai 3200 HV, dan kekerasan panas tetap stabil hingga 800 derajat, memenuhi persyaratan proses untuk pemotongan berkecepatan tinggi.
(2) Optimasi parameter geometri alat: Berdasarkan karakteristik profil gigi involute dari poros cacing,
parameter geometris khusus dirancang untuk pemotong penggilingan kasar (pemotong bentuk tipe ZA-) dan pemotong penggilingan akhir (pemotong bentuk tipe ZI-) (lihat Tabel 4), menyeimbangkan gaya pemotongan, kekuatan tepi potong, dan kualitas permukaan mesin.
Tabel 4 Desain parameter geometri alat khusus
[Gambar]
(3) Pemasangan pahat dan pemantauan keausan: Pemasangan pahat dan pemantauan keausan harus mematuhi persyaratan teknis berikut. 1) Konfigurasi kepala pemotong: Kepala pemotong presisi dengan tingkat keseimbangan dinamis G2.5 digunakan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, kepala pemotong memiliki enam posisi pemasangan yang diatur secara bergantian antara tiga pemotong-penggilingan kasar dan tiga pemotong-penggilingan akhir. Pemotong frais-kasar memanjang 0,12–0,20 mm lebih jauh dibandingkan pemotong-penggilingan akhir, sehingga memungkinkan pemesinan kasar dan-setengah akhir diselesaikan dalam sekali lintasan.
Gambar
Gambar 2: Skema pemasangan kepala pemotong
2) Pencocokan sudut heliks: Kepala pemotong dimiringkan dan diputar untuk menyelaraskan sudut heliks pemotong dengan sudut depan cacing ( ). Rumus untuk menghitung sudut lead adalah:
tan=Pz / (πd1) (1)
Dimana adalah sudut lead (derajat), Pz adalah lead aksial (mm), dan d adalah diameter lingkaran pitch (mm).
3) Pemantauan keausan: Instrumen pemeriksaan cacing digunakan untuk memantau kesalahan profil gigi secara-waktu nyata. Pemotong segera diganti ketika keausan mencapai 0,005 mm; sisipan dapat digunakan kembali tiga atau empat kali setelah penggilingan ulang.
4.4 Optimalisasi sistem pendingin dan parameter proses
(1) Desain pendingin kabut-udara bertekanan tinggi-: Kecepatan pemotongan untuk penggilingan berputar mencapai 260–360 m/mnt, dengan suhu di zona pemotongan meningkat hingga 600–800 derajat . Sistem pendingin kabut-udara-tekanan tinggi [5] beroperasi pada 0,80–1,38 MPa digunakan. Media pendingin terdiri dari campuran 5% emulsi bertekanan ekstrem dan udara bertekanan, disalurkan melalui empat nozel berbentuk kipas yang disusun secara simetris (diameter 1,5 mm) untuk membilas zona pemotongan secara langsung. Sistem ini meningkatkan efisiensi pendinginan sebesar 60% dibandingkan dengan pendinginan banjir tradisional dan mengurangi tingkat residu chip hingga di bawah 0,5%.
(2) Optimalisasi parameter penggilingan: Metode uji ortogonal digunakan untuk menentukan kombinasi optimal parameter proses untuk penggilingan cacing, menyeimbangkan efisiensi pemesinan dengan kualitas pemesinan. 1) Kedalaman potong: Total kedalaman potong untuk penggilingan roda gigi dihitung berdasarkan tinggi gigi penuh, *h*:
*h*=[(d1 + 2mx) - (d1 - 2.4mx)] / 2 (2)
Dimana *h* adalah tinggi gigi penuh (mm), mewakili total kedalaman pemotongan; *d1* adalah diameter lingkaran pitch roda gigi (mm); *m* adalah modul aksial (mm); faktor 2 dalam "2m" sesuai dengan koefisien addendum (adendum standar adalah 1*m*, jadi kedua sisi berjumlah 2*m**x*); dan 2,4 adalah koefisien terkait dedendum-(dedendum standar adalah 1,2*m*, sehingga total kedua sisinya adalah 2,4*m*).
2) Laju umpan: Laju umpan adalah 0,13–0,20 mm/r, disesuaikan secara dinamis berdasarkan kekerasan material.
3) Kecepatan rotasi: Kecepatan spindel benda kerja adalah 12–18 putaran/menit, dan kecepatan kepala pemotong adalah 6000–8000 putaran/menit (kecepatan linier pemotongan 300–400 m/menit).
4) Tunjangan penggilingan akhir: Tunjangannya adalah 0,5–0,7 mm, menyeimbangkan efisiensi penggilingan dengan akurasi pemesinan akhir.
Dengan menggunakan parameter di atas, waktu siklus produksi untuk satu mesin berputar mencapai 90–105 buah/jam; kekasaran permukaan (Ra) cacing setelah penggilingan adalah 0,8–1,2 μm, dan kesalahan profil gigi ±0,004 mm [6].
5
Kontrol penggilingan profil gigi cacing
Penggilingan adalah proses penyelesaian worm C-EPS dan secara langsung menentukan keakuratan pemesinan akhir. Penelitian ini menerapkan pengendalian proses mengenai pemilihan peralatan penggilingan/roda gerinda dan parameter penggilingan/kontrol pendinginan untuk memastikan keakuratan cacing secara konsisten memenuhi grade IT7.
5.1 Pemilihan peralatan gerinda dan roda gerinda
Mesin gerinda cacing CNC dengan fungsi-pelurusan gigi otomatis dipilih; akurasi posisi mesin adalah ±0,001 mm. Metode penggilingan bentuk [7] digunakan, menggunakan meja rias CNC untuk mendandani roda gerinda menjadi bentuk yang rumit yang cocok dengan cacing, sehingga memastikan konsistensi dalam pemesinan profil gigi. Roda gerinda leburan alumina (WA) putih dipilih, memiliki kekerasan H5, ukuran grit F80, dan ikatan resin (menawarkan ketahanan benturan yang sangat baik); diameter roda adalah 405 mm, dan kecepatan linier pengoperasian adalah 45 m/s. Roda alumina leburan putih memiliki-sifat mengasah sendiri yang baik dan secara efektif meminimalkan pembentukan panas penggerindaan-menghasilkan lebih sedikit panas dibandingkan roda silikon karbida-sehingga mencegah luka bakar pada benda kerja saat penggerindaan.
5.2 Parameter Penggilingan dan Kontrol Pendinginan
(1) Parameter proses penggilingan: Berdasarkan data referensi yang ditetapkan setelah penggilingan cacing dan persyaratan presisi akhir, parameter penggilingan optimal ditentukan sebagai berikut:
1) Kecepatan rotasi: Kecepatan spindel benda kerja adalah 5–8 putaran/menit; kecepatan roda gerinda adalah 1800–2000 putaran/menit (kecepatan linier roda adalah 2289–2543 m/menit).
2) Laju umpan: Laju umpan penggilingan kasar adalah 180–200 mm/menit; laju umpan penggilingan akhir adalah 50–80 mm/menit.
3) Siklus ganti roda: Roda gerinda dipasang setiap 5–8 kali cacing untuk memastikan keakuratan profil roda.
(2) Kontrol pendinginan gerinda:-oli pemotongan bertekanan ekstrem dengan viskositas 20–30 mm²/s pada 40 derajat digunakan sebagai media pendingin. Pendinginan paksa dicapai melalui pompa bertekanan tinggi-2 MPa dengan laju aliran lebih besar dari atau sama dengan 50 L/mnt [7]. Hal ini memastikan pendinginan yang memadai pada zona penggilingan dan menghilangkan serpihan gerinda secara efektif, mencegah penyumbatan butiran abrasif yang dapat menurunkan kualitas pemesinan.
5.3 Verifikasi Hasil Penggilingan
Pemeriksaan menggunakan alat penguji cacing berpresisi tinggi memastikan bahwa mesin cacing dengan proses penggilingan bentuk yang dioptimalkan menghasilkan akurasi profil gigi yang stabil pada tingkat IT7, kekasaran permukaan (Ra) 0,2–0,4 μm, dan kesalahan penyelarasan gigi kurang dari atau sama dengan 0,008 mm. Waktu siklus produksi adalah 60–72 lembar/jam, memenuhi persyaratan proses untuk produksi massal worm C-EPS. Profil ganti dan retensi profil roda gerinda merupakan titik kontrol penting dalam proses penggilingan; setiap penyimpangan pada profil roda secara langsung menyebabkan kesalahan berlebihan pada profil timah dan gigi cacing. Oleh karena itu, ganti dan inspeksi roda harus dilakukan secara ketat sesuai dengan persyaratan proses.
6
Kesimpulan
Makalah ini menetapkan sistem teknologi manufaktur-efisiensi-tinggi dan presisi tinggi untuk worm C-EPS melalui optimalisasi proses dan parameter multi-dimensi, sehingga menghasilkan hasil penelitian utama berikut:
1) Kombinasi perputaran (untuk roughing/semi-finishing) dan penggilingan bentuk (untuk finishing) diidentifikasi sebagai proses manufaktur optimal untuk worm C-EPS. Dibandingkan dengan metode pembubutan dan penggilingan tradisional, pendekatan ini meningkatkan efisiensi sebesar 10–13 kali lipat, mencapai akurasi pemesinan tingkat IT7, dan mengurangi biaya produksi sekitar 40%.
2) Skema peningkatan kekakuan dan strategi penjepitan hidraulik untuk-mesin berputar CNC presisi tinggi telah diusulkan; langkah-langkah ini meningkatkan kekakuan statis peralatan mesin hingga 250 N/μm dan mengurangi kesalahan posisi penjepitan dari ±0,1 mm menjadi ±0,03 mm.
3) Perkakas karbida berlapis ultra-halus YBG (cocok untuk cacing baja paduan) dan sistem pendingin kabut udara-bertekanan tinggi (0,80–1,38 MPa) dikembangkan, memungkinkan pemotongan berkecepatan tinggi pada 300–400 m/mnt dan mencapai kekasaran permukaan pascapenggilingan sebesar Ra Kurang dari atau sama dengan 0,8 μm.
4) Parameter proses penggilingan bentuk dioptimalkan, menetapkan interval ganti roda 5–8 bagian. Kekasaran permukaan pasca-penggilingan dikurangi menjadi Ra 0,2–0,4 μm, dan kesalahan timbal dijaga pada kurang dari atau sama dengan 0,008 mm, sehingga memenuhi persyaratan akurasi dan stabilitas untuk produksi massal.
Penelitian di masa depan dapat mengintegrasikan teknologi kecerdasan buatan untuk mewujudkan manufaktur cerdas untuk worm C-EPS: memanfaatkan sistem visi mesin untuk memantau keausan alat secara real-time-dan model pembelajaran mendalam untuk menyesuaikan parameter pemotongan secara dinamis; dan mengembangkan algoritma kompensasi kesalahan termal pada peralatan mesin untuk lebih meningkatkan akurasi penggilingan cacing ke tingkat IT6. Kemajuan ini akan memberikan dukungan teknis untuk penelitian dan pengembangan serta produksi produk-C-EPS kelas atas dan memperluas penerapan pasarnya.
